[发明专利]可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法

说明书

技术领域

本发明是一种可校正谱线弯曲的光谱仪系统及其校正方法，用于遥感或质检分析时实现光谱成像，属于光谱测量和遥感技术领域。

背景技术

色散型成像光谱仪采用光栅和棱镜作为分光元件，成像时谱线弯曲较为严重。芬兰SpectralImaging公司的Aikio,M在1993年公开了一种对称型PGP分光元件的发明专利(公开号US-A-4747655，EPO635138等)，专利中利用光栅-棱镜-光栅组合实现直线型结构，即准直系统和成像系统光轴A-A’在同一直线上(图4所示)，减小了机械加工难度。但由于光栅和棱镜在全工作波段产生的谱线弯曲不一致，该结构存在严重的谱线弯曲问题。2002年，丹麦人Rasmus Nyholm在其博士论文(ISBN:87-550-2967-1)中形象地指出了谱线弯曲将直接影响图形边缘光谱探测的准确性，并提出了采用CCD阵列算法校正的方法减小谱线弯曲的影响。但采用算法校正方法必然存在计算误差，并可能扩大标定误差。为提高成像光谱仪的检测精度和空间、光谱分辨率，应采用光学的方法从根源上校正谱线弯曲。

发明内容

本发明目的在于校正色散型成像光谱仪谱线弯曲，提出一种可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法。

本发明的技术方案为：可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统，由狭缝、准直物镜、分光元件、成像物镜、滤波片以及CCD组成；从狭缝出射的光经过准直物镜后形成平行光，平行光经过分光元件分光，分光后的各光束经过成像物镜成像在CCD上；其中分光元件由棱镜和透射光栅组成。

成像光谱仪系统谱线弯曲校正的方法，包括如下步骤：

步骤一，根据谱带范围及成像光谱仪的分辨率要求选择合适的相位体全息光栅；为使光栅的衍射效率达到最大，光栅的入、出射角满足Bragg条件，从而确定光栅在整个分光元件中的入射角；利用光栅和棱镜在色散时谱线弯曲方向相反的特性，使棱镜和光栅组合元件补偿校正中心波长的谱线弯曲，计算出棱镜的顶角及各面相对于光轴的倾角；从而完成对组合型分光元件的设计；

步骤二，通过分光元件的设计校正中心波长谱线弯曲后，其它波长的剩余谱线弯曲近似关于中心波长的谱线对称分布；通过成像光谱仪系统的设计和调节，利用准直物镜和成像物镜产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正剩余谱线弯曲；从而实现全工作谱段谱线弯曲的校正。

本发明的有益效果是：本发明采用棱镜和光栅组合作为分光器件，其利用光栅和棱镜在色散时谱线向相反方向弯曲(光栅谱线向长波方向弯曲，棱镜谱线向短波方向弯曲)的特性，校正中心波长的谱线弯曲，使得其它波长的谱线弯曲关于中心波长对称分布。再利用准直物镜和成像物镜产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正其它波长的谱线弯曲；达到了以下效果，

1、谱线弯曲校正到0.03％以下，提高了光谱测量的准确性，同时有利于提高成像光谱仪的光谱分辨率和空间分辨率；

2、分光元件采用棱镜-光栅组合，光栅是主要色散元件，色散率高且线性度好；棱镜的作用是改变光线角度和补偿谱线弯曲；采用透射相位体光栅，衍射效率高，中心波长衍射效率在80％以上，边缘波长衍射效率可达50％；

3、透射式系统相对孔径大，准直物镜和成像物镜的F#数可做到2.0以下，从而提高信噪比；

4、该系统可小型化，方便携带。

附图说明

图1(a)为可校正谱线弯曲的光谱仪系统结构示意图；(b)为各波长谱线弯曲示意图。

图2(a)为P-G型分光元件光学结构示意图；图2(b)是对称P-G-P型分光元件光学结构示意图；图2(c)是特殊的P-G-P型分光元件光学结构图。

图3为实施例P-G型成像光谱仪系统示意图。

图4为直线型P-G-P分光元件光学结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：