[发明专利]声光可调谐滤波器成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术，具体是指一种声光可调谐滤波器成像光谱仪，它用于遥感探测领域。

背景技术

许多矿物和岩石存在有可分辨的吸收和反射特征，美国在七十年代中期陆续开展了以地质矿产遥感为主要内容的室内光谱测定和野外光谱研究，并进行了大量的航空实验飞行，最终确定了鉴别地质矿产，土壤特性和植被信息的最佳波段为(2.08-2.35μm，1.55-1.75μm)。利用光谱手段进行物质识别已经被广泛应用。而成像光谱技术则把二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起，不仅能对物体进行形态成像，而且还能提供丰富的光谱信息；它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，近年来在遥感等领域得到广泛的应用。

目前在遥感应用成像光谱仪中使用的分光方式主要有棱镜分光、光栅分光、傅立叶变换、渐变滤光片。棱镜或光栅分光是最为常用的分光方式，大多数航空和航天成像光谱仪均采用了此类分光技术，此类技术需要平台的移动才能获得图谱信息；傅立叶变换光谱仪利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅立叶变换关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶变换来获得物体的光谱信息，这种方式结构较复杂，实现难度较高；渐变滤光片一般为楔形多层膜介质干涉滤光片，将其安装在面阵探测器前，探测器的每一行探测像元接收与滤光片透过波长对应的光谱带的能量，同样需要平台的移动，还需要像元的重新配准。

声光可调谐滤波器基于声光效应的原理，当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。只要将超声波的驱动频率设定为特定波长对应的频率值，即可实现该波长的分离，改变超声波驱动频率就可实现中心波长的改变。国外声光可调谐滤波器的研制比较早，目前的商品生产厂家也很多，且性能指标较高，其中美国的Brimrose公司和法国的AA.Sa公司最为有名，其产品种类多，覆盖波长从可见到热红外波段。

国内外利用声光可调谐滤波器作为分光方式，主要用于光谱仪的设计和制作，而这些光谱仪主要应用场合为在线检测，应用于主动光源近距离探测场合下。其中天津大学的孙振东教授研制成功了2.5-5微米波段在线气体监测光谱仪，用于对汽车尾气进行实时在线光谱测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种声光可调谐滤波器成像光谱仪，解决传统成像光谱仪结构复杂和各波段像元之间需配准的技术问题。

本发明成像光谱仪的结构如附图1所示，它包括望远镜1、视场光阑2、准直镜3、声光可调谐滤波器4、会聚镜5和面阵探测器6。物体表面反射光(可以是反射太阳光或其它发光体)经过望远镜1，会聚于视场光阑2，视场光阑2的大小用以限制仪器的整个观测视场角，之后经准直镜3后变为准直光路耦合进入声光可调谐滤波器4，通过射频信号发生器对声光可调谐滤波器4施加一定频率的射频信号，对应波长的光将发生衍射，经过会聚镜5后均匀照射在面阵面阵探测器6上，通过数据采集系统即可获得改波长的物体图像信息。通过射频信号发生器分时产生一系列射频信号，即可分时获得一系列对应波长的物体图像信息，获得物体的图谱立方体。

本发明的优点在于：

(1)声光可调谐滤波器坚固、紧凑、无可移动部件。这点使得它非常适合在遥感应用中使用。仪器的轻微破损、振动和冲击都不会影响波长的准确性。

(2)声光可调谐滤波器分光非常快速并可以提供随机波长采样。当射频驱动频率改变时，中心波长的变化所需时间主要由超声波充满光学口径的时间决定，通常为几～几十微秒，整个光谱范围的波长扫描非常迅速。

(3)声光可调谐滤波器具有很高的效率，在选定波长的传输效率可以高达98％。传统的光栅分光中，狭缝的宽度会影响到光谱分辨率，宽度越窄则光谱分辨率越高，但会降低光通量。而声光可调谐滤波器的光谱分辨率不受光学孔径的约束，因此光学孔径可以很大，用以提高光通量。

(4)声光可调谐滤波器具有很好的光谱可重复性和自定标特性。声光可调谐滤波器是全固态设备，无可移动部件，一旦机械结构确定之后，分光波长只与射频驱动信号的频率有关，而射频信号的频率是可以进行数字精密控制的，因此声光可调谐滤波器光谱仪可以仅仅通过改变射频频率进行自定标。声光可调谐滤波器还具有很好的波长重现性，Brimrose公司生长的TeO2晶体声光可调谐滤波器典型波长重复误差小于0.05nm。