[發(fā)明專利]一種高通量、高信噪比和高靈敏的紫外光譜成像儀

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110227301.8
• 申請(qǐng)日: 2021-03-01
• 公開（公告）號(hào): CN113108907A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫鑫;白永林;陳震;石大蓮;李然;曹偉偉;朱軍;王博;王樂;楊凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G01J3/28
• 分類號(hào): G01J3/28;G01J3/02;G01J3/04;G01J3/18
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 王楊洋

本發(fā)明涉及一種紫外光譜成像儀，具體涉及一種高靈敏、高動(dòng)態(tài)紫外光譜成像儀。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有紫外光譜成像儀存在光通量較低、信噪比較差和靈敏度較低的技術(shù)問題，提供一種高通量、高信噪比和高靈敏的紫外光譜成像儀。該成像儀采用哈達(dá)瑪模板完成空間光路選通、以及特定的色散系統(tǒng)和紫外敏感圖像增強(qiáng)型探測(cè)器組件，利用組合信號(hào)測(cè)量方式，降低了紫外光譜成像儀本身固有誤差對(duì)目標(biāo)信號(hào)真值帶來的影響，間接降低目標(biāo)信號(hào)測(cè)量值和真值的偏差，提高了探測(cè)信號(hào)的信噪比，哈達(dá)瑪模板的采用提高了光通量，使得紫外光譜成像儀整體滿足了高靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種紫外光譜成像儀，具體涉及一種高靈敏、高動(dòng)態(tài)紫外光譜成像儀。

背景技術(shù)

光譜成像技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，它能得到目標(biāo)的二維幾何圖像和光譜維信息并提供二者之間映射關(guān)系，在對(duì)目標(biāo)的空間位置和光譜指紋信息有需求的領(lǐng)域，如環(huán)境資源探測(cè)、天文觀測(cè)、空間天氣研究及生物醫(yī)藥等多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和重視，具有普通望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等遙感技術(shù)無法替代的優(yōu)勢(shì)。

光譜成像儀器主要包括干涉型光譜成像儀和色散型光譜成像儀兩大類。其中，干涉型光譜成像儀利用光學(xué)復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以獲得較傳統(tǒng)色散型光譜成像儀更高的光通量和信噪比，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于可見和紅外譜段。但是該類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和反演算法較為復(fù)雜，且對(duì)組件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高，當(dāng)觀測(cè)譜段拓展到紫外甚至更短波長(zhǎng)時(shí)，對(duì)光學(xué)元件、結(jié)構(gòu)組件及系統(tǒng)裝配精度的要求大幅提高，業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的加工裝配水平已很難滿足要求。而色散型光譜成像儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高和光譜數(shù)據(jù)線性讀取等優(yōu)勢(shì)，也成為了近二十年來國際上公認(rèn)的更為理想的紫外光譜探測(cè)技術(shù)途徑。目前搭載有光譜儀并且已經(jīng)成功發(fā)射的一系列衛(wèi)星，先后搭載的AIRS、GUVI、SSUI、HIRAAS、RAIDS和IMAGER等光譜儀，均為色散型光譜成像儀。但是，由于通常的色散型光譜儀不可避免地需要使用狹縫(slit)機(jī)制來對(duì)空間光進(jìn)行約束，在降低光譜成像面光譜混疊(spectrum overlapping)的同時(shí)，造成了較大的光能損失，并且需要沿狹縫正交方向完成推掃才能獲得目標(biāo)的完整信息，時(shí)間分辨率較低。

紫外光譜探測(cè)涵蓋了近紫外(波長(zhǎng)范圍一般定義為400nm-450nm)、中紫外(波長(zhǎng)范圍一般定義為200nm-400nm)、遠(yuǎn)紫外(波長(zhǎng)范圍一般定義為100nm-200nm)和極紫外(波長(zhǎng)小于100nm)四個(gè)區(qū)間。其中因極紫外探測(cè)，主要面對(duì)磁層和等離子體層探測(cè)，系統(tǒng)多為極窄帶和單譜段成像模式，且必須應(yīng)用于天基平臺(tái)環(huán)境，應(yīng)用場(chǎng)景受限且實(shí)施難度極高，通常而言，中紫外(波長(zhǎng)范圍一般定義為200nm-400nm)區(qū)涵蓋的重要信息較多，為重點(diǎn)研究的紫外譜段，有時(shí)紫外光譜研究還會(huì)延伸至近紫外。

目前國內(nèi)外成功應(yīng)用的紫外光譜儀基本可以分為兩個(gè)大的類型。一種統(tǒng)稱為紫外單色儀，由狹縫、大角度入射光柵和出射機(jī)械光闌構(gòu)成，該系統(tǒng)基于羅蘭圓原理，主要用于實(shí)驗(yàn)室紫外單色光的產(chǎn)生，不具備空間目標(biāo)光譜成像能力。另一種統(tǒng)稱為C-T(Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)光譜儀，主要由入射狹縫、準(zhǔn)直器、平面光柵和匯聚成像器組成，具有多種變體結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于紫外單色儀和紫外光譜成像領(lǐng)域。

紫外光譜探測(cè)技術(shù)雖然已有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的歷史，但受到探測(cè)器水平和光柵(棱鏡)等分光元件效率和材料種類的制約，整體上技術(shù)發(fā)展落后于可見及紅外光譜儀器。而在中紫外譜段，棱鏡分光基本無法實(shí)現(xiàn)有效的色散和后續(xù)成像，光路復(fù)雜，光能損失嚴(yán)重，不具備實(shí)用價(jià)值；而光柵分光也面臨以下幾個(gè)無法回避的困境：

1)系統(tǒng)的單次成像總光通量低。色散型光譜成像儀必須在內(nèi)視場(chǎng)光闌位置設(shè)置狹縫，用來保證光譜維和空間維不會(huì)產(chǎn)生混疊(或混疊可通過圖像處理方法來區(qū)分或消除)，而狹縫在空間維方向一般較長(zhǎng)，在光譜維則非常短(一般在百微米量級(jí))，因此，系統(tǒng)的單次成像總光通量較低。

2)對(duì)弱目標(biāo)成像時(shí)信噪比差。為了探測(cè)極為微弱的中紫外信號(hào)，一般需采用圖像增強(qiáng)型探測(cè)器作為成像端，而該類器件由于采用了電子倍增技術(shù)，導(dǎo)致探測(cè)器自身噪聲水平遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)固體探測(cè)器，故在對(duì)弱目標(biāo)成像時(shí)信噪比較差。