成像光谱仪谱段分离方法及谱段分离装置

摘要

本发明属于光学技术领域,涉及一种空间遥感仪器中用以分离光谱波段的方法及谱段分离装置。采用刀口法进行谱段分离,其装置由前置望远镜、VNIR入射狭缝、刀口反射镜、SWIR入射狭缝、压片、狭缝座、底板、挡块、螺钉、上滑座、下滑座、底座、弹簧片组成,本发明在0.4—25μm的宽光谱范围,透过高于95%,光谱抖动不超过22%,光谱重叠达0.5μm,高质量地实现了可见近红外光谱和短波红外光谱的谱段分离。

说明书

本发明属于光学技术领域，涉及一种空间遥感仪器中用以分离光谱波段的方法及谱段分离装置。

国内外空间遥感仪器中已采用的谱段分离方法有光纤法和双色片法。

美国宇航局AVIRIS成像光谱仪谱段分离采用的是光纤法(M.P.Chrisp et.al.″Aviris Foreoptics,Fiber and on-Board calibrator,SPIE,1987,834∶44-49)。在可见近红外(VNIR)光谱区(0.4-1.27μm)使用玻璃光纤；在短波红外(SWIR)光谱区(1.25-2.45μm)使用含锆的氟化玻璃光纤，分别将光从前置望远镜系统传输到四个光谱仪。这种方法的优点是每个光谱仪可独立安装，易于实现光谱仪配准。但是光纤光学性能较差，VNIR光纤在500nm以下波长区透过率小于50％，SWIR光纤平均透过率都低于5％，且不均匀。这对提高成像光谱仪的信噪比来说，是致命的缺陷。

欧共体DAIS成像光谱仪谱段分离采用的是双色片法(S.H.Chang et.al.″79-Channel Airbome I mage Spectrometer″SPIE,1993,1937:164-172)，双色分束片反射可见-近红外光到可见-近红外光谱仪中；双色分束片又可以透过短波红外光到短波红外光谱仪中，其结构简单，但光谱抖动大，且不可能实现光谱重叠(F.Blechinger et.al.″High Resolution I maging Spectrometer″″HRIS″Optics,Focal Plane and Calibration SPIE,1993,1937:207-224)

本发明的目的是采用全新设计的刀口法及其谱段分离装置，解决光纤法和双色片法光学性能差、透过率低、光谱抖动大、仪器信噪比低等问题。

采用刀口法谱段分离器进行谱段分离方法的主要原理(见图1)，它由被测目标相距一定间隔的两物点a和b发出的光，经前置望远望1投射到谱段分离器。其中a点发出的光经前置望远镜1直接会聚到可见近红外(VNIR)光谱仪的入射狭缝2处，b点发出的光经前置望远镜1、刀口反射镜3会聚到短波红外(SWIR)光谱仪的入射狭缝4处，调节刀口反射镜3的位置，使b点发出的光束全部反射进入狭缝4，而又不遮挡a点发出的光束进入狭缝2。

为了实现上述原理，本发明的谱段分离装置的结构如图2和图3所示出：

用螺钉将压片5和VNIR光谱仪的入射狭缝2固定在狭缝座6上，再用螺钉将狭缝座6固定在底座19上，用螺钉将压片12和刀口反射镜3固定在上滑座10上，上滑座10下端安放在下滑座14的滑轨内。挡块8固定在下滑座14上，调整螺钉9通过挡块8与上滑座10下端的螺孔连接，下滑座14的下端安放在底座19的滑轨内，调整螺钉13通过固定在底座19上的挡块11与下滑座14下端的母孔连接，用螺钉经压片18将SWIR入射狭缝4固定在狭缝座16上，再用螺钉将狭缝座16固定在底座19上，母钉15、母钉17用来调整底座19的水平，弹簧片20和母钉15将底座19与底板7连在一起。

本发明的谱段分离方法用如下步骤实现：

(1)．将本发明刀口法谱段分离装置安装在VNIR光谱仪和SWIR光谱仪的光路中；

(2)．精确调整刀口反射镜3的位置，为此：

a．用光刻法特制一个视场模拟器22，使它的两个光缝大小及间距均严格模拟成像光谱仪规定的被测目标a、b两点的视场大小及间距；

b．其中一条光缝模拟SWIR视场，另一条光缝模拟VNIR视场；

c．使光源W发出的光经视场模拟器22上的两条光缝被反射镜21反射到前置望远镜1，而进入谱段分离装置；

d．用两架显微镜在VNIR狭缝2和SWIR狭缝4的焦面分别进行观测；

e．精确调节刀口反射镜3的位置，使可见光缝的光刚好充满狭缝2，而无红外光狭缝4的光射入；

f．使红外光缝的光刚好充满SWIR狭缝4，而无可见光狭缝2的光射入；

(3)．旋转螺钉9使上滑座10上的刀口反射镜3沿下滑座14上的导轨转动，实现刀口反射镜3的横向运动；旋转调整螺钉13使下滑座14沿底座19上的导轨滑动，实现刀口反射镜3的纵向移动；

(4)．精确调整刀口反射镜3的位置使b点发出的光束全部反射进入SWIR光谱仪的狭缝4，同时又不遮挡a点发出的光束进入VNIR的狭缝2；

(5)．用调整好的上述谱段分离装置进行0.4-2.5μm光谱区的光谱波段分离。

刀口法谱段分离装置的技术关键是刀口反射镜3和狭缝2、4的精度，刀口反射镜3由不锈钢制造、经研磨后镀金。VNIR光谱仪入射狭缝2是一个暗视场亮狭缝，采用光刻工艺制造，缝宽选择0.03nm，缝长24nm，平直清晰，无凹陷。亮视场透过率95％，暗视场(背景)透过率不大于0.5％。SWIR光谱仪入射狭缝4的加工工艺与狭缝2相同。在安装中旋转调正螺钉9可使上滑座10上的刀口反射镜3沿下滑座14上的导轨移动，实现刀口反射镜3的横向运动。旋转调正螺钉13可使下滑座14沿底座19的导轨滑动，实现刀口反射镜3的纵向移动，精确调整刀口反射镜3的位置，使b点发出的光束全部反射进入SWIR光谱仪的入射狭缝4，同时又不遮挡a点发出的光束进入VNIR狭缝2。

本发明的附图和图面说明如下：

图1是本发明的原理图

图2是本发明谱段分离装置的装配构造示意图

图3是本发明谱段分离装置的立体结构示意图

图4是本发明谱段分离装置装校调试图

图中：

1、前置望远镜    12、压片

2、VNIR入射狭缝  13、螺钉

3、刀口反射镜    14、下滑座

4、SWIR入射狭缝  15、螺钉

5、压片          16、狭缝座

6、狭缝座        17、螺钉

7、底板          18、压片

8、挡块          19、底座

9、螺钉          20、弹簧片

10、上滑座       21、反射镜

11、挡块         22、视场模拟器

本发明的方法和装置已成功地应用于军民两用高分辨率成像光谱仪样机中，在0.4-25μm宽的光谱范围，其透过率均高于95％，光谱抖动不超过20％，光谱重叠达0.5μm，高质量地实现了可见近红外光谱和短波红外光谱的谱段分离。