[发明专利]一种用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片

说明书

技术领域

本发明涉及光学滤光片，具体是指根据高光谱成像仪的覆盖波段，合理设计滤光片的波段与几何区域划分，采用多种介质薄膜材料分别设计消二级光谱滤光片单元，利用精密掩模技术配合真空镀膜工艺制备的具有抑制光栅高级次光谱功能的集成光学薄膜元件。 

背景技术

超光谱成像技术是一种图谱合一的空间信息获取技术，能够同时探测目标的空间几何特征信息和空间像元色散形成的几十个甚至几百个波长的连续光谱信息。成像光谱仪将传统的二维成像遥感技术与光谱仪技术有机地结合在一起,在获取观测对象二维空间信息的同时,在连续光谱波段上对同一地物分光谱成像。由于光谱图像数据中每一像元含有与被观测物体组分有关的光谱信息,能直接反映出物体的光谱特征，从而可以揭示各种目标的光谱特性、存在状况以及物质成分，使得从空间直接识别目标特征成为可能。随着成像光谱遥感应用技术的研究和发展,对于仪器光谱分辨率的要求越来越高,从多光谱向超光谱发展成为成像光谱仪的趋势，光谱范围覆盖紫外到长波红外波段，波段数从单一波段发展到几十上百个通道。 

为了实现航天遥感用超光谱成像系统高分辨率、高信噪比、小体积、轻量化的技术要求，同时考虑消相差的因素，双离轴球面反射镜配合三角形offner凸面光栅是常用的分光模式。三角形offner凸面光栅相比于laminar光栅具有更高的衍射效率，可实现更高的信噪比，其光路图见图1所示。 

然而，波长为λ_x的采样光谱的2级光谱衍射角与波长为2λ_x的1级光谱衍射角相同，两者会在光谱仪的相同空间位置交叠，对光谱信息的获取造成干扰。因此必须对光谱仪的二级光谱衍射效率进行分析并采用相应的措施进行抑制。通常二级光谱的抑制采用在探测器焦面前放置一片前截止滤光片来，实现光谱仪工作波段外，探测器响应波长内二级光谱干扰的抑制。然而随着光谱仪光谱范围的拓宽，工作波段(λ_S～λ_L)长、短波端的波长比值λ_L/λ_S可能会大于2，即λ_L/2≥λ_S，这样λ_L/2波长既是光谱仪的有效工作波长，又是λ_L波长二级光谱的来源。宽谱段超光谱成像系统工作波段内光栅二级光谱的抑制，是超光谱成像技术工程应用必须解决的技术问题。 

发明内容

本发明基于超光谱成像系统中光栅分光引起二级光谱的抑制要求，针对光栅分光的技术特点，提出一种在光学基片上利用波段与几何区域划分的方式，分别实现不同工作波段二级光谱的抑制，解决了超光谱成像系统因光谱覆盖范围太宽而无法使用一块前截止滤光片实现全谱段二级光谱抑制的技术难题。 

本发明所述消二级光谱集成滤光片的结构如附图2所示，在光学基片1的第一面上制备覆盖整个光谱仪工作波段的宽光谱增透膜系2；在另一面上分区域逐个制备消二级光谱前截止滤光片单元(P1～Pn)，完成消二级光谱集成滤光片膜系3的制备。 

消二级光谱集成滤光片膜系(3)的结构如下：在光学基片1上划分n个几何区域，在这n个几何区域中分别针对不同光学波段进行二级光谱的抑制；其中： 

集成滤光片划分的区域数n的确定方法如下： 

n＝[log₂(λ_L/λ_S)]+1 

式中：λ_L和λ_S分别为光谱波段的最长波长和最短波长；[]为取整符号； 

各几何区域二级光谱的抑制谱段划分确定方法如下： 

第1区域谱段波长范围：λ_L～λ₁，λ₁≤2λ_L； 

第2区域谱段波长范围：λ₁～λ₂，λ₂≤2λ₁； 

…… 

第n-1区域谱段波长范围：λ_n-2～λ_n-1，λ_n-1≤2λ_n-2； 

第n区域谱段波长范围：λ_n-1～λ_L。 

以一种光谱覆盖范围从0.4～2.5μm的超光谱成像系统使用的消二级光谱集成滤光片为例，该滤光片的构建步骤如下： 

1)选择在成像仪工作波段透明的光学材料如石英、蓝宝石、K9等其中的一种作为光学基片1的材料；