专利名称：光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，主要涉及采用光栅色散方式进行分光的成像光谱系统中光谱与空间的配准，具体是一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，适用于面阵探测器作为接收器件的光栅色散型成像光谱技术领域。
背景技术：
光谱仪通过对物质包含光谱的分析可以适用于工业现场过程监控、物质成分分析等，但无法同时显示目标的图像信息，成像光谱仪结合了光谱仪与成像仪器的功能，是能够同时获取目标物体二维空间位置信息和一维光谱信息的仪器，已广泛应用于遥感、军事侦察等诸多领域，具有传统探测手段所无法比拟的优点。成像光谱仪尽管可以采用多种方式进行光谱分析及成像探测，如基于动镜扫描的迈克尔逊干涉傅里叶变换成像光谱仪、旋转滤光片、渐变滤光片、声光晶体、色散分光甚至计算层析等，但由于技术条件的限制及对仪器成本控制的严格要求，在可见及近红外波段，绝大多数成像光谱仪采用技术成熟的基于光栅及棱镜色散分光方式，而随着光栅制作技术的提高，光栅色散型成像光谱仪应用愈加广泛。由于光栅产生色散的基本原理决定了光栅分光方式会产生不同级次衍射光束重叠问题，比如波长为λ ^的二级光谱与波长为2 λ ^的一级光谱在空间位置上会重叠因而难以区分，因此基于光栅色散分光的成像光谱系统目前普遍存在滤除非被测级次光谱的技术难题。目前广泛应用的滤除非被测级次光谱方式是在探测器前面设置定位式滤光片，定位式滤光法中滤光片的安装定位比较复杂，对于谱线匹配要求也高。定位式滤光法相对于旋转滤光片组的方法能够满足全谱并行检测的需要和快速滤除非被测级次光谱，但定位式滤光片设计复杂，且每个区域大小需要根据相应波长范围对应的探测空间范围准确计算确定，对区域的划分要求严格，因此加工成本高，滤光片安装时需要与探测器位置准确对准，对准过程需要高精度的调校设备进行反复校正，才可以达到消除非被测级次光谱的作用，大大增加了装配的难度，不仅耗费时间，效率低，而且位置稍有偏差就直接影响消除非被测级次光谱的效果，给使用和操作带来极大的不便，特别对于用面阵探测器接收的成像光谱仪截止波长位置的准确定位难度更大，随着面阵CCD的广泛应用，严重制约了色散型成像光谱仪的使用和发展。经本发明申请人在一定范围内进行文献检索，未见与本发明相同的相关报道。

发明内容
针对现有技术中的不足和缺陷，本发明提供一种滤光片安装位置容差性大，滤光片的加工和安装使用难度小，滤光片生产成本低，可以快速安装使用的光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法。本发明的技术解决方案说明如下本发明是一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，光栅成像光谱仪的光谱范围为入。 X1，其中A1CSXci，本发明光栅成像光谱仪探测器上附加有滤除非被测级次光谱的滤光片，滤光片安装于光栅成像光谱仪探测器的正前方位置，滤光片的分界线与探测器上垂直于光谱展宽方向的中心线基本重合，滤光片安装位置的容差性较大。定位式滤光片在滤除非被测级次光谱时需要精确定位二级光谱与一级光谱分界线，在安装定位式滤光片滤除非被测级次光谱时要求该定位式滤光片的分界线与探测器上的光谱分界线精确对准。因此定位式滤光片安装过程中需要首先标定光谱线位置，找出一级与二级光谱分界线，安装定位式滤光片使其分界线位置与光谱仪的二级光谱与一级光谱分界线位置完全重合，安装困难较大，安装及调校过程费时，工作效率低，安装及调校过程需要使用专门的调校装置进行控制，对调校装置的机械精度要求极高，使得光栅成像光谱仪的造价昂贵，制约了成像光谱仪的广泛应用。基于以上原因本发明提出一种对于滤光片空间位置与探测器的光谱位置定位精度要求低，允许分界线与光谱重叠区域边界线不完全重合或基本重合就能够滤除非被测级次光谱的方法，通过设计一种与成像光谱仪匹配的带通滤光片，并合理匹配滤光片的空间位置与光谱分光系统中探测器上光谱位置的关系，降低了滤除非被测级次光谱滤光片安装难度，使用方便不需专门的调校装置校正安装位置，解决对定位式滤光片的安装精度要求高、成本高的问题。本发明还是一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配用的滤光片，滤光片是消除非被测级次光谱的滤光片，该滤光片上设有分界线，分界线的一侧通带范围是λ ^ 2 λ ^，光能透过率90%，另一侧的截止波长范围是λ0 X1/^光能透过率小于2%，通带范围是 λ/2 A1，光能透过率90%。本发明的滤光片不同于现有技术中的定位式滤光片，定位式滤光片需要通过计算二级光谱范围和波长分布精确划分滤光片的区域大小及截止波长和透过波长。而本发明在确定截止波长的前提下，放宽了透过波长的范围，使滤光片两侧光谱范围存在很大的交叠区，对滤光片区域大小的划分要求不再严格，与定位式滤光片需要与光栅成像光谱仪探测器上的光谱分布精确对准相比，安装使用便捷，具有明显优势。同时不需要附带专门的调整装置，也降低了整体仪器的成本。本发明对滤光片进行了分割性设计，在滤光片上设有分界线，分界线一侧的通带为Xci 2Χ。，而另一侧设计为截止滤光区，截止波长范围是、 Xi/2，通带范围是
λ /2 λ工。本发明的实现还在于滤光片安装方式是滤光片透光范围是Aci 的一侧与探测器上光谱分布λ ^—侧对应，滤光片截止波长范围是、 λ1;/2、透光范围是 λ夕2 λ i的一侧与探测器上光谱分布λ i —侧对应。本发明对应性安装，不需要对滤光片的分界线与探测器上光谱分界线精确对准， 在基本对准的情况下就能够消除非被测级次光谱。使得仪器安装调试时难度大大降低，提高了工作效率，降低了仪器成本。本发明的实现还在于滤光片分界线的透光范围是Aci 2Λ。的一侧为玻璃材料， 而另一侧需在玻璃基底上镀有满足该截止波长范围K 入乂2和通带范围λ/2 入工的光学薄膜。本发明的实现还在于滤光片分界线的透光范围是Aci 2Λ。的一侧为玻璃材料，而另一侧选择截止波长范围满足λ ^ λ i/2和通带范围λ /2 λ工的有色玻璃。本发明由于对滤光片的分割式设计，对于透光范围是、 1、的一侧在选择材质时已经提出了要求，不需要对材质表面进行任何特殊的光学处理。而对于另一侧为截止波长范围满足Aci λ/2和通带范围 A1设计时，通过在选择材质表面上镀有经过膜系设计的光学薄膜来实现。与现有技术相比本发明的技术优势在1、由于本发明结合所要匹配的成像光谱仪的工作波长λ0 A1，对滤光片采用分割式设计，滤光片的区域划分是与所要匹配的成像光谱仪的光谱范围相关的，一侧的通带为Xci 另一侧为截止波长范围是λ0 Xi/2，通带范围是 X1，因此放宽了滤光片上截止滤光区的透过波长范围，使滤光片两侧存在很大的相互交叠区，与定位式滤光片定位需要与光栅成像光谱仪探测器上的光谱分布精确对准相比，安装时不需要专门的高精度调校装置进行位置精确对准。使用安装时滤光片的分界线与探测器上垂直于光谱展宽方向的中心线基本重合即可，滤光片安装位置的容差性较大，使用便捷性具有很大的优势。2、滤光片加工过程中不需要对两个区域进行精确划分，降低了滤光片加工难度。3、滤光片满足了滤除非被测级次光谱的要求，同时安装过程中只需粗略估计被测级次光谱与非被测级次光谱边界位置，不需要与探测器位置精确对准，降低了装配难度。


图1是本发明滤除非被测级次光谱滤光片的结构示意图。
具体实施例方式下面将结合附图和本发明具体应用实例对本发明实施方式进行详细说明。实施例1 本发明是一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，光栅成像光谱仪的光谱范围为 K X1，其中X1CSXcitj本发明是在光栅成像光谱仪探测器上附加有滤除非被测级次光谱的滤光片，滤光片安装于光栅成像光谱仪探测器的正前方位置，滤光片的分界线基本与探测器的垂直中心线重合，滤光片安装位置的容差性较大，本发明不需要专门性的调整装置进行调校，即使滤光片两区域分界线位置与探测器上光谱级次混叠分界线不严格重合也能完全滤除非被测级次光谱。本发明所用的滤光片是滤除非被测级次光谱滤光片，参见图1，该滤光片上设有分界线3，分界线3的一侧为区域1，区域1的通带范围是K 光能透过率90%，另一侧为截止滤光区2，截止滤光区2的截止波长范围是、 入工/^，光能透过率小于？^，通带范围是、Λ A1，光能透过率90%。安装时，滤光片区域1 一侧与光栅成像光谱仪探测器上光谱分布λ ^—侧对应，截止滤光区2 —侧与光栅成像光谱仪探测器上光谱分布λ工一侧对应，本发明的这种安装只需保证滤光片的分界线与探测器的垂直中心线基本重合，不需要专门的仪器进行校准，安装的位置也不需要精确对准，就能很好的实现光栅成像光谱仪光谱空间匹配。其他方向的位置尺寸没有特殊要求，安装时其他方向符合常规要求即可，本发明实现了滤光片安装位置的容差性较大。针对消除二级光谱方法存在的不足，本发明提出一种基于光谱的空间匹配方法， 通过设计合适的带通滤光片，并通过滤光片空间位置与光谱位置的合理匹配，实现消除二级光谱的同时不需要对滤光片装配提出非常苛刻的要求，降低了带通滤光片的装配难度， 特别适合于采用面阵探测器接收的成像光谱系统。本例中，光栅成像光谱仪光谱范围380 900nm，滤光片分界线的透光范围是的 380 760nm —侧为普通的玻璃材料，而另一侧需在玻璃基底上镀有满足该截止波长范围和通带范围的光学薄膜或者选择合适波长截止范围的黄绿色玻璃。实施例2:光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法和光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片的结构均同实施例1。某一光栅色散型成像光谱仪探测波段范围380 900nm，分光光学系统参数光栅
线对数3001p/mm，狭缝数N = 3000，成像透镜焦距& = 55mm,光栅常数^ = ^mm，面阵CCD
探测器上将会在探测器上产生波长为380nm光波的第二级衍射极大与波长为760nm光波的第一级衍射极大重叠的现象，因而探测器接收到760nm到900nm—级谱线分布的范围内包含有波长范围380nm到450nm光波的二级衍射谱，即光谱混叠问题。利用本发明提出光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，对上述光栅成像光谱仪实施消除非被测级次光谱，首先，需要针对性的设计波长范围合适的带通滤光片，用于与光栅成像光谱仪光谱空间匹配，该滤光片设有不同区域，各区具有不同的透过率特性，参见图1，该滤光片分为两个区域，区域1对380 760nm光波的透过率为90%，截止滤光区2对380 450nm光波的透过率不大于2%，同时对450 900nm光波的透过率为90% ；这两个区域的分界线并不要求与760nm光波的第一级衍射极大位置重合，只需粗略估算该位置，即该位置偏离光轴的垂直距离χ = f^ · tan θ，而利用光栅方程d · sin θ = m · λ可进行角度θ的计算。式中，d为光栅常数，m为衍射极大级次，θ为衍射角，λ 为光波波长。其次，进行滤光片空间位置与光栅成像光谱仪的光谱位置合理匹配。滤光片两部分的分界线设置在380nm谱线二级衍射极大位置靠短波谱线一侧，不要求与该二级衍射极大位置准确重合，可以留出足够的加工装配余量。两通带排列次序与光谱展宽方向一致，滤光片的区域1与光栅成像光谱仪探测器波长为380nm—侧的空间方位对应，截止滤光区2 与光栅成像光谱仪探测器波长为900nm —侧的空间方位对应。分界线3不要求与滤光片的分界线与面阵CCD探测器的垂直中心线精准重合，只需大致保持一致即可。滤光片分界线的透光范围是380 760nm的一侧为普通的玻璃材料，而另一侧需在玻璃基底上镀有满足该截止波长范围380 450nm和通带范围450 900nm的光学薄膜。根据光区域谱范围及光谱衍射级次，粗略估计光谱重叠，将带通滤光片两部分的分界线设置在靠近短波一定的范围内，对分界线与谱线位置匹配要求较低，有效的解决了定位式滤光中对谱线的位置匹配要求高的问题。实施例3
6
光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法和光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片的结构均同实施例1-2，本例中的滤光片采用普通的玻璃K9材料制成。为了提高透光区的透光率，对区域1 一侧镀制增透膜，380 760nm，透过率95%，见图1所示。对截止滤光区2 在普通的玻璃K9上镀制相应膜层，满足截止波长380 450nm，透过率不大于2%，带通范围450 900nm，透过率95%的要求。实施例4:光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法和光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片的结构均同实施例1-3，光栅成像光谱仪的光谱范围为λ。 具体是300 800nm。在光栅成像光谱仪探测器上附加的消除二级光谱混叠的滤光片，参见图1，滤光片区域1的透光范围是λ ^ 2 λ ^，即300 600nm，即成像光谱仪的大部分光谱范围，截止滤光区2的截止波长范围设为300 400nm，透光范围设为400 800nm。将该滤光片安装于光栅成像光谱仪上时，滤光片安装位置是滤光片透光范围是 300 400nm的一侧与探测器上光谱分布300nm —侧对应，滤光片透光范围是400 800nm 的一侧与探测器上光谱分布SOOnm —侧对应，安装时滤光片分界线位置不需要与探测器中心线位置严格重合，就能实现消除非被测级次光谱的要求。实施例5 光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法和光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片的结构均同实施例1-4，本例中光栅成像光谱仪的光谱范围为λ。 λ”具体是300 800nm。 滤光片区域1选择玻璃材料KS，而区域2选择黄色玻璃。区域1与光栅成像光谱仪探测器波长为300nm —侧的空间方位一致，区域2部分与光栅成像光谱仪探测器波长为SOOnm — 侧的空间方位一致。分界线3不要求与光谱谱线展宽方向严格垂直，只需大致保持一致。利用本发明的滤除非被测级次光谱滤光片，在滤光片安装的过程中不需要精确调整，就能使得光栅成像光谱仪探测器上由于光栅分光产生的二级光谱完全消失。本发明放宽了滤光片上截止滤光区的透过波长范围，使滤光片两侧存在很大的相互交叠区，滤光片满足了非被测级次光谱滤除的要求，同时安装过程中只需粗略估计二级光谱重叠谱线位置，安装时滤光片定位不需要与光栅成像光谱仪探测器上的光谱严格几何对准，也不需要专门的高精度调校装置进行位置精确对准。滤光片的分界线与探测器上垂直于光谱展宽方向的中心线基本重合即可，滤光片安装位置的容差性较大，使用便捷，降低了滤光片加工成本和装配难度。适用于面阵探测器作为接收器件的光栅色散型成像光谱技术领域。
权利要求
1.一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，光栅成像光谱仪的光谱范围为、 \ ” 其中λ i < 3 λ ^，其特征在于光栅成像光谱仪探测器上附加有滤除非被测级次光谱的滤光片，滤光片安装于光栅成像光谱仪探测器的正前方位置，滤光片的分界线与探测器上垂直于光谱展宽方向的中心线基本重合，滤光片安装位置的容差性较大。
2.一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片，其特征在于该滤光片是滤除非被测级次光谱的滤光片，该滤光片上设有分界线，分界线的一侧通带范围是λ ^ 2 λ ^，另一侧的截止波长范围是λ。 X1/^通带范围是 入115
3.根据权利要求2所述的光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片，其特征在于滤光片安装位置是滤光片透光范围是、 1、的一侧与探测器λ 0 一侧对应，滤光片透光范围是λ 1；/2 λ工的一侧与探测器λ工一侧对应。
4.根据权利要求3所述的光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片，其特征在于滤光片分界线的透光范围是、 的一侧为玻璃材料，而另一侧需在玻璃基底上镀有满足该截止波长范围λ ^ λ i/2和通带范围λ /2 λ工的光学薄膜。
5.根据权利要求3所述的光栅成像光谱仪光谱空间匹配用滤光片，其特征在于滤光片分界线的透光范围是λ。 的一侧为玻璃材料，而另一侧选择截止波长范围满足\ Λ和通带范围λ 1；/2 λ工的有色玻璃。
全文摘要
本发明提供了一种光栅成像光谱仪光谱空间匹配方法，结合所要匹配的成像光谱仪的工作波长λ0～λ1，对滤光片采用分割式设计，滤光片的区域划分是在分界线的一侧为通带范围为λ0～λ1，另一侧为截止滤光区其截止范围为λ0～λ1/2，通带范围为λ1/2～λ1。本发明放宽了滤光片上截止滤光区的透过波长范围，使滤光片两侧存在相互交叠区，满足二级光谱混叠消除要求，安装过程中只需粗略估计二级光谱重叠谱线位置，不需要与光栅成像光谱仪探测器上的光谱严格几何对准，也不需高精度调校装置进行位置精确对准。滤光片分界线与探测器垂直中心线基本重合即可，滤光片安装位置容差性大，使用便捷，降低了滤光片加工成本和装配难度。适用于面阵探测器作为接收器件的光栅色散型成像光谱技术领域。
文档编号G01J3/02GK102538964SQ201210014250
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者于洵, 刘宝元, 占春连, 卢飞, 吴玲玲, 尚杨, 李正琪, 李珣, 段存丽, 纪小辉, 胡加兴, 路绍军, 陈靖, 韩军, 韩峰 申请人:西安工业大学