CN103592024A

CN103592024A - 双衍射级次Offner成像光谱仪

Info

Publication number: CN103592024A
Application number: CN201310521220.4A
Authority: CN
Inventors: 方伟; 张�浩; 叶新
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-02-19

Abstract

双衍射级次Offner成像光谱仪属于高光谱成像技术领域，包括：Offner凸面光栅光谱成像系统和双波段面阵光电探测器，双波段面阵光电探测器由两种不同响应波段的光敏元同轴叠层或者平行隔行制作而成；光谱成像系统中的光栅同时使用一级和二级衍射光作为有效工作级次，光电探测器同时分别接收对应的一级和二级衍射光。本发明通过使用双波段探测器与光栅双衍射级次的谱段匹配，实现一二级衍射波段的同时探测，扩展了仪器的工作光谱范围、提高了衍射效率；有助于降低仪器的整体偏振灵敏性；双波段探测器简化了光路结构，降低了仪器体积和重量，并且自动实现两个波段的空间维像素的对齐及一二级衍射倍频波长的对准。

Description

双衍射级次Offner成像光谱仪

技术领域

本发明属于高光谱成像技术领域，涉及一种使用双波段探测器的、双衍射级次共路探测的Offner成像光谱仪。

背景技术

Offner凸面光栅光谱成像系统是在反射式Offner中继光学系统的基础上发展起来的，它用凸面衍射光栅代替Offner中继光学系统中的凸面反射镜，实现对发散复色光束的色散和分离。Offner凸面光栅光谱成像系统具有结构简单、体积小、重量轻、色散均匀、谱线弯曲微弱和色畸变小等优点。传统的光栅型宽波段成像光谱仪一般使用分色器首先把复色光分成两个不同波段，然后再使用两个独立的色散光路系统分别处理；或者使用一个共同的宽波段色散光路，但在衍射光聚焦前使用分色器把一、二级衍射分离开，再分别使用两个光电探测器接收。双光路结构使用两套光路系统，体积大，使用资源多。传统单光路双衍射级次结构在光学系统的后截距光路中加入分色器及两片光电探测器，相对于单光路单衍射级次结构，在一定程度上增加了光学设计难度和系统体积。更重要的是，双光路结构和单光路双衍射级次结构使用分色器及两片光电探测器，无法避免的装调误差破坏了两探测器空间方向像元的对准，增加了后期图像处理的难度。近年来出现了使用双槽面衍射光栅的宽光谱单衍射级次成像光谱仪。此种双槽面衍射光栅是在传统的锯齿槽型光栅的基础上改进而来，通过把单斜槽面拆分成两个不同指向的子斜槽面来实现对两个角度即两个波长的闪耀，从而扩展了一级衍射光谱范围。由于需要在焦平面上实现宽光谱、长线色散成像，因而增加了光谱维方向离轴像差的校正难度，限制了光谱分辨率的提高；同时双面闪耀光栅在一级衍射的短波端的较长区间内，衍射效率仅维持在10%～20%之间。

现有的单衍射级次Offner成像光谱仪由Offner凸面光栅光谱成像系统和单波段面阵光电探测器组成。Offner凸面光栅光谱成像系统包括：入射狭缝、二级及二级以上衍射级次截止的滤光片、第一凹球面反射镜、凸球面光栅和第二凹球面反射镜；入射光通过入射狭缝前通过二级及二级以上衍射级次截止的滤光片，将二级及二级以上衍射光片滤掉后进入光路结构，经过第一凹球面反射镜会聚，会聚光线通过光栅后发生色散；色散后的衍射光线通过第二凹球面反射镜出射汇聚到单波段面阵光电探测器上。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双衍射级次Offner成像光谱仪，该光谱仪在保证足够高的光栅衍射效率及不增加光学系统设计和装调难度的前提下实现成像光谱仪的宽波段工作。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

双衍射级次Offner成像光谱仪，该光谱仪包括：Offner凸面光栅光谱成像系统和双波段面阵光电探测器，将现有Offner凸面光栅光谱成像系统中的二级及二级以上衍射级次截止的滤光片替换成三级及三级以上衍射级次截止的滤光片；双波段面阵光电探测器由两种不同响应波段的光敏元同轴叠层或者平行隔行制作而成；Offner凸面光栅光谱成像系统中的光栅同时使用一级和二级衍射光作为有效工作级次，双波段面阵光电探测器同时、分别接收对应的一级和二级衍射光。

本发明的有益效果是：本发明仍沿用传统单衍射级次Offner凸面光栅光谱成像系统的基本结构，但把入射狭缝前的对二级及二级以上衍射级次截止的滤光片更换成对三级及三级以上衍射级次截止的滤光片，同时使用与光栅的一、二级衍射谱段相匹配的双波段面阵光电探测器代替传统的单波段面阵光电探测器，实现一二级衍射波段的同时、全共路探测；此种双衍射级次共路探测结构把作为杂散光的二级光谱变为工作光，提高了能量利用率和杂散光抑制能力、扩展了工作光谱范围；二级光谱相对一级光谱具有更弱的偏振灵敏度，有助于降低仪器的整体偏振灵敏性；双波段探测器发挥了分色器作用，相对于使用分色器的分波段探测方式，简化了光路结构，降低了仪器体积和重量，并且自动实现两个波段的空间维像素的对齐及一二级衍射倍频波长的对准；光学系统设计只需在一级衍射波长内优化，二级衍射不需单独设计，因其波长相对较短，会自动实现更高的成像质量。

附图说明

图1为MWIR（Medium-WaveInfrared中波红外）/LWIR（Long-WaveInfrared长波红外）双衍射级次Offner成像光谱仪的系统结构图。

图2为本发明MWIR/LWIR双衍射级次Offner成像光谱仪的光栅衍射效率曲线。

图3为本发明MWIR/LWIRHgCdTe双波段红外焦平面阵列的光谱响应曲线。

图4为本发明VNIR（Visible-to-NearInfared可见-近红外）/SWIR（Short-WaveInfrared—短波红外）双衍射级次Offner成像光谱仪使用的640×480分辨率HgCdTe面阵探测器的像素表面镀膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：MWIR/LWIR双衍射级次Offner成像光谱仪

MWIR/LWIR双衍射级次Offner成像光谱仪的一级和二级衍射工作波长范围分别选择6～12μm和3～6μm两个倍程区间，6μm为两个衍射级次的连接、过渡波长值，定义为搭接波长；双波段面阵光电探测器选用制冷型HgCdTe双波段红外焦平面阵列，具有320×256像素、30μm像元间距、响应波长范围分别为3～6μm和6～12μm。双波段面阵光电探测器可以是同轴叠层分波段响应结构或平面隔行分波段响应结构。同轴叠层分波段响应结构是由响应两个不同波段的光敏元在探测芯片上纵向叠加集成而成，两个响应波段分别对应凸面光栅的两个衍射级次：上层的短波敏感光敏元首先吸收响应二级衍射光辐射，但对一级衍射光透明；下层的长波敏感光敏元对透过的一级衍射光吸收响应。平面隔行分波段响应结构由对一级和二级衍射都能响应的宽波段面阵光电探测器隔行镀制两个不同响应波段的带通滤光片膜制作而成；两个波段分别对应一级和二级衍射波长区间，具有相同响应波段的各独立像元行垂直于色散方向；当二级衍射的长波端波长超出搭接波长而可被一级衍射的短波端探测时，面阵光电探测器对应的区域只需镀制一级衍射带通滤光片，以提高一级衍射光的光谱采样频率。本实施例中制冷型HgCdTe双波段红外焦平面阵列选择同轴叠层型结构。MWIR/LWIR波段成像光谱仪在基于航空平台的目标识别和航天平台的恒星探测领域具有重要应用价值。如图1所示，MWIR/LWIR双衍射级次Offner成像光谱仪由Offner凸面光栅光谱成像系统1和双波段面阵光电探测器2组成；为提高探测灵敏度和抑制视场外热辐射干扰，增加了机械或液氮制冷仓7，把Offner凸面光栅光谱成像系统1和双波段面阵光电探测器2整体制冷并维持在77K。Offner凸面光栅光谱成像系统1包括入射狭缝和三级及三级以上衍射级次截止的滤光片3、第一凹球面反射镜4、凸球面闪耀光栅5和第二凹球面反射镜6；光学系统F/#为2.5，放大倍率约为-1，整体尺寸为155mm×130mm×70mm。凸面光栅为锯齿槽型，刻线周期50μm，闪耀角5°，可以使用电子束光刻、离子束刻蚀、激光束直写或全息法制作。

图2为其一、二级衍射效率曲线。凸面光栅在二级衍射3～6μm和一级衍射6～12μm内的非偏振衍射效率整体上≥20%，当波长在3.3～5.4μm和6～12μm内时，非偏振衍射效率均≥40%。同时可以看出，一级衍射的长波端偏振响应非一致性越来越显著，而二级衍射的偏振响应不一致性始终较为微弱。HgCdTe探测器的高像素维用作空间方向探测，低像素维用作光谱维探测；Offner凸面光栅光谱成像系统的入射狭缝尺寸为9.6mm×30μm，与探测器空间维像素行1:1匹配；光谱采样间隔为一倍光谱带宽（FWHM）。一级衍射6～12μm的焦平面线色散量约为7.6mm，约占用253个像素宽度，单像素的光谱带宽（FWHM）约为24nm；二级衍射级次重叠于一级衍射，但线色散量加倍，光谱带宽（FWHM）约为12nm。图3为双波段HgCdTe探测器的光谱响应曲线，两曲线在6μm附近有微弱交叠；两响应曲线在波长截止端急剧下降，中间波长响应平滑。HgCdTe探测器的MWIR光敏层首先响应3～6μm二级衍射辐射，透过长波红外；透过的6～12μm一级衍射被下层的LWIR光敏层吸收；通过HgCdTe探测器的读出电路重建两幅MWIR和LWIR超光谱图。此两幅超光谱图的空间像元位置自动对齐、相差倍程的两个波长的焦平面聚焦位置也自动对准。

实施例2：VNIR/SWIR双衍射级次Offner成像光谱仪

VNIR/SWIR双衍射级次Offner成像光谱仪的一级和二级衍射工作波长范围分别选择1000～2500nm和500～1000nm两个区段，搭接波长为1000nm；此波段成像光谱仪在基于航空或航天平台的遥感探测领域具有重要应用价值。双波段面阵光电探测器选用宽波段HgCdTe型单色面阵探测器，通过对其隔行镀制两个不同响应波段的带通滤光片膜形成平面隔行分波段响应结构。宽波段HgCdTe型单色面阵探测器响应波长范围为500～2500nm（大于此区间亦可）；具有640×480像素、27μm像元间距；探测器的低像素维用作空间方向探测，高像素维用作光谱维探测；光谱维像素通过隔行镀制1000～2500nm和500～1000nm两个波段的带通滤光片膜实现双波段响应；但在响应波长≥2000nm的探测器区域，仅镀制1000～2500nm滤光片膜；Offner凸面光栅光谱成像系统的入射狭缝尺寸选择为12.96mm×54μm，狭缝宽度对应2倍像素宽度；在一级波长1000～2000nm和二级波长500～1000nm两个倍程响应波段内，两邻近不同响应波段的像素行等效为一个全波段响应像素行，但单波段像素的等效填充因子降为约50%，单波段的光谱采样间隔为1倍光谱带宽(FWHM)；在响应波长≥2000nm时，一级衍射波长的采样间隔为0.5倍光谱带宽(FWHM)。VNIR/SWIR双衍射级次Offner成像光谱仪的结构与MWIR/LWIR双衍射级次Offner成像光谱仪结构相似，但不包括制冷仓7，探测器和光学系统在常温下工作。凸面光栅刻线周期20μm。一级衍射1000～2500nm的焦平面线色散量约为17.17mm，约占用636行像素，等效318个光谱通道，光谱带宽(FWHM)约为4.7nm；在1000～2000nm波段内的光谱采样间隔约为4.7nm，2000～2500nm波段内约为2.4nm。二级衍射500～1000nm的焦平面线色散量约为11.44mm，约占据424行像素高度，等效212个光谱通道，光谱带宽(FWHM)约为2.4nm；光谱采样间隔也为2.4nm。依据以上设计参数及分析，可以得到单波段HgCdTe探测器的表面镀膜图样，如图4所示，第2至426行内的偶数行镀500～1000nm二级衍射带通滤光片膜，其余各行镀1000～2500nm一级衍射带通滤光片膜；因此1至426行像元可实现对1000～2000nm和500～1000nm两个倍程衍射波段内各波长的隔行探测，427至640行可实现对一级波段中2000～2500nm内各波长的连续探测。

Claims

1.双衍射级次Offner成像光谱仪，该光谱仪包括：Offner凸面光栅光谱成像系统和双波段面阵光电探测器，其特征在于，将现有Offner凸面光栅光谱成像系统中的二级及二级以上衍射级次截止的滤光片替换成三级及三级以上衍射级次截止的滤光片；双波段面阵光电探测器由由两种不同响应波段的光敏元同轴叠层或者平行隔行制作而成；所述Offner凸面光栅光谱成像系统中的光栅同时使用一级和二级衍射光作为有效工作级次，双波段面阵光电探测器同时、分别接收对应的一级和二级衍射光。

2.如权利要求1所述的双衍射级次Offner成像光谱仪，其特征在于，所述同轴叠层光敏元结构的双波段面阵光电探测器上层光敏元对短波敏感，下层光敏元对长波敏感，但上层光敏元对下层光敏元形成短波截止滤光片效应。

3.如权利要求2所述的双衍射级次Offner成像光谱仪，其特征在于，上层光敏元的长波截止波长对应于光栅的搭接波长；上层光敏元接收二级光谱，对一级光谱透明；下层光敏元接收一级光谱。

4.如权利要求1所述的双衍射级次Offner成像光谱仪，其特征在于，所述平行隔行光敏元结构的双波段面阵光电探测器对一级和二级衍射分别同时响应；两个波段以光栅的搭接波长为波段分界点；两个波段光敏元分别对应一级和二级衍射波长区间，具有相同响应波段的各独立像元行垂直于色散方向。

5.如权利要求4所述的双衍射级次Offner成像光谱仪，其特征在于，当二级衍射的长波端波长超出搭接波长被一级衍射的短波端探测时，面阵光电探测器对应的区域只需镀制一级衍射带通滤光片。

6.根据权利要求1所述的双衍射级次Offner成像光谱仪，其特征在于，所述的Offner凸面光栅光谱成像系统中的光栅为锯齿槽型的凸面闪耀光栅，使用电子束光刻、离子束刻蚀、激光束直写或全息法制作。