反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀的製作方法

2023-05-12 03:22:46

專利名稱：反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀的光路結構，屬於空間遙感技術領域中成像光譜儀的設計技術範疇，特別涉及空間調製分振幅幹涉型成像光譜儀的分束幹涉裝置的光學結構設計。
背景技術：
幹涉型成像光譜儀又稱作傅立葉變換(Fourier Trans form)成像光譜儀。從光學原理上看，幹涉型成像光譜儀目前主要可以劃分為時間調製(Temporarily Modulated)型成像光譜儀和空間調製(Spatially Modulated)型成像光譜儀兩大類。其中，前者以依靠動鏡掃描的麥可遜型(Michelson)傅立葉變換成像光譜儀為代表；後者的典型代表主要有Sagnac分束式傅立葉變換成像光譜儀(或其變體)以及雙折射晶體分束式(或偏振幹涉式)傅立葉變換成像光譜儀等。目前國內外已就空間調製型傅立葉變換成像光譜儀進行了一些研究，例如，文獻[1]、[2]、[3]介紹的採用Sagnac型分束幹涉部件的空間調製型傅立葉變換成像光譜儀；文獻[4，5]介紹的採用偏振型分束幹涉器件的空間調製型傅立葉變換成像光譜儀；上述裝置都採用了多個透射式光學部件。
在專利方面，中國專利No.99115952和No.99256131分別介紹了採用Sagnac分束結構的幹涉型成像光譜儀；No.01213109、No.01213108以及No.99256129分別介紹了採用偏振型器件的幹涉型成像光譜儀。上述發明裝置的共同點是都包含多個透射式光學部件。
由於空間調製型傅立葉變換成像光譜儀採用了無動鏡掃描的二維焦平面陣列探測器結構，因此在掃描速度、靈敏度、抗振動性等方面具有明顯優勢。但從原理上看，透射式光學元件或材料的採用不利於幹涉型成像光譜儀總體性能的進一步提高。例如，單波段的光譜帶寬受到光學材料的光譜透過範圍的限制，這一點將導致整個儀器的波段數增加，從而加大整個系統結構的複雜程度；又例如，透射光學元件材料的非均勻性可能導致空間幹涉條紋的質量劣化，從而降低所獲取光譜圖像的信噪比。
參考文獻[1]R.G.Sellar，J.B.Rafert，The effects of aberrations on spatially modulated Fouriertransform spec-trometers.Opt.Engng.，1994，33(16)3087～3092. R.G.ellar，J.B.Rafert，Fourier transform imaging spectrometer with a single toroidaloptic.Appl.Opt.，1995，34(16)2931～2933. J.B.Rafert，R.G.Sellar，J.H.Blatt，Monolithic Fourier transform imaging spectrometer.Appl.Opt.，1995，34(31)7228～7230. P.D.Hammer，E.P.J.Valero，D.L.Peterson，An imaging interferometer for terrestrialremote sensing.Proc.SPIE，1993.1937244～255. W.H.Smith，P.D.Hammer，Digital array scanned interferometersensors and results.Appl.Opt.，1996，35(16)2902～2909. 張淳民 相裡斌 趙葆常 楊建峰，超小型穩態偏振幹涉成像光譜儀，中國專利01213109。
張淳民，穩態大視場偏振幹涉成像光譜儀，中國專利01213108。
相裡斌 楊建峰 阮萍 張淳民 王煒，偏振型幹涉成像光譜儀，中國專利99256129。
相裡斌 趙葆常 楊建峰 王煒 原新晶 高立民 王忠厚 袁豔，高靈敏度幹涉成像光譜裝置，中國專利99256131。
相裡斌 趙葆常 楊建峰 原新晶 高立民 王忠厚 袁豔 王煒，一種幹涉成像光譜技術及其裝置，中國專利99115952。

發明內容
為了克服現有空間調製型傅立葉變換成像光譜儀的透射式分束光路結構帶來的問題，本發明提出一種由反射式光學元件組成的空間調製型分振幅幹涉成像光譜儀。其特點是採用一片分束鏡和一套多面組合反射鏡作為分束幹涉結構，在此基礎上形成一種具有反射光路結構的空間調製分振幅幹涉型成像光譜儀。本發明的光學裝置具有光譜波段寬、光譜解析度高、光通量高、視場大、無色像差、圖像信噪比高等特點。


圖1為本發明的反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀的光路結構示意。
圖2為本發明分振幅分束幹涉裝置中採用三片反射鏡時的分束幹涉結構光路示意。
圖3為本發明分振幅分束幹涉裝置中採用兩片反射鏡時的分束幹涉結構光路示意。
圖4為本發明的分束幹涉產生等效光路原理示意。
圖5為本發明的光程差產生原理示意。
圖中主要結構為1-反射式前置光學系統，2-狹縫，3-分振幅分束幹涉裝置，4-凹面反射鏡，5-柱面反射鏡，6-面陣探測器，7-信號採集處理裝置，8-分束鏡，9-平面反射鏡，10-平面反射鏡，11-平面反射鏡。
具體實施方式
本發明敘述的反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀的分振幅分束幹涉裝置，其特點是在分束光路中採用一片分束鏡和一套多面組合反射鏡作為分束幹涉結構，此多面組合反射鏡由n片平面反射鏡組合而成，其中n＞1。以n＝3和n＝2的情況分別對本發明的工作原理說明如下。
如圖1所示，本發明裝置由反射式前置光學系統1、狹縫2、分振幅分束幹涉裝置3、凹面反射鏡4、柱面反射鏡5、面陣探測器6以及信號採集處理裝置7組成。其中凹面反射鏡4和柱面反射鏡5有共同的焦平面，此焦平面位於面陣探測器6上。
反射式前置光學系統1把遠距離的線狀物成像在入射狹縫2上，這相當於在空間遙感系統中，把垂直於推掃方向的遠距離地面的一條線狀物成像於幹涉系統的入射狹縫上。由狹縫2出射的光傳播至分振幅分束幹涉裝置3上，它們可以將一束入射光通過分振幅分束的方式分成兩束滿足光束相干條件的出射光。這兩束分束光經凹面反射鏡4聚焦反射至柱面反射鏡5(其母線與狹縫方向垂直、焦平面與凹面反射鏡4共軛)可在面陣探測器6上實現一維成像，該一維像與狹縫方向平行。面陣探測器6將採集的一維分布的光學幹涉條紋以及另一維分布的光學灰度圖像轉換為電信號。信號採集處理裝置7對所接收到的數據實施空域到頻域的傅立葉變換，就可以求出沿狹縫方向分布的一維灰度圖像的光譜分布。另一維灰度圖案的光譜分布可以由推掃過程產生。
當分振幅分束幹涉裝置3由一片分束鏡和三片平面反射鏡組成時(n＝3)，系統的分束幹涉結構光路如圖2所示由狹縫2出射的光傳播至由分束鏡8、平面反射鏡9、平面反射鏡10、平面反射鏡11組成的分束幹涉系統上，其中平面反射鏡9和平面反射鏡11應有一個微小的交角θ。分束鏡8是一個鍍膜的半反半透鏡，其作用是將入射在其上的光一部分反射，其餘的部分透射，由此將一束入射光通過分振幅分束的方式分成兩束出射光。出射的反射光投射在平面反射鏡9後被反射至平面反射鏡10上，又再次被反射到分束鏡8上，此時光線將被透射，出射至凹面反射鏡4表面；被分束鏡8分束的透射光投射在平面反射鏡11上，反射在平面反射鏡10後又被反射至分束鏡8，此時光線將被反射，出射至凹面反射鏡4表面。由於入射在凹面反射鏡4表面的這兩束光是由同一束光線經分振幅分束形成的，且兩束光都經過了三次反射和一次透射後才會聚，因此它們滿足光束的相干條件，即有相互平行的擾動分量、相同的頻率及穩定的位相差。
當分振幅分束幹涉裝置3由一片分束鏡和兩片平面反射鏡組成時(n＝2)，系統的分束幹涉結構光路如圖3所示由狹縫2出射的光傳播至由分束鏡8、平面反射鏡9、平面反射鏡10組成的分束幹涉系統上，其中平面反射鏡9和平面反射鏡10之間的交角為90°-θ。分束鏡8是一個鍍膜的半反半透鏡，其作用是將入射在其上的光一部分反射，其餘的部分透射，由此將一束入射光通過分振幅分束的方式分成兩束出射光。出射的反射光投射在平面反射鏡9後被反射回分束鏡8，此時光線將被透射，出射至凹面反射鏡4表面；被分束鏡8分束的透射光投射在平面反射鏡10上後被反射回分束鏡8，此時光線將被反射，出射至凹面反射鏡4表面。由於入射在凹面反射鏡4表面的這兩束光是由同一束光線經分振幅分束形成的，且兩束光都經過了兩次反射和一次透射後才會聚，因此它們也滿足光束的相干條件。
在本發明設計中分振幅分束幹涉裝置3均包含一片分束鏡和一套多面組合反射鏡，其中多面組合反射鏡可以由n片平面反射鏡組合而成(其中n＞1)。結構設計保證入射光在經分振幅分束裝置後分成的兩束光有相同的反射及透射次數，且出射的兩束光具有一定的交角。
系統產生幹涉條紋的等效光路圖如圖4所示，將狹縫2出射的光作為系統的實際光源，記為L，通過分束結構後光線被分成兩束相干光，相當於由兩個虛光源L1，L2發出的兩束光，L1、L2的距離是a。它們通過光學元件(即發明裝置中凹面反射鏡7)後成像於焦平面(即發明裝置中面陣探測器6)上。光學元件的焦距為f，狹縫面到光學元件的距離是r，狹縫面到焦平面的距離是b，被分束的兩條光線交角應為2θ。則α＝2rsin2θ (1)本發明裝置分光幹涉結構光程差產生的原理由圖5所示，任意P點產生的光程差δ為=ab----(2)]]>則在面陣探測器6上產生的幹涉強度為I=-+B(v)cos(2v)dv----(3)]]>其中B(v)是光源強度，v為波數。
本發明裝置採用分振幅分束幹涉，分振幅幹涉的特點是它可以使用擴展光源來獲得較高的條紋亮度，同時又可獲得清晰的條紋。因此在保證空間解析度的條件下，可以增加狹縫寬度而不影響系統的光譜解析度。
在幹涉圖形成過程中條紋的反襯度是一個重要的指標，以I表示幹涉光的光強，以A表示幹涉光的振幅，I＝A2。條紋反襯度γ為=2I1I2I1+I2----(4)]]>即
=2A1A21+(A1A2)2----(5)]]>兩束相干光的振幅越接近，反襯度越大，條紋越清晰。當A1＝A2時，即兩束相干光振幅相等時，γ＝1。本裝置分束幹涉結構的設計可保證兩束分束光的光強相等，因而可得到清晰條紋。
本發明裝置的光譜分辨極限(即最小可分辨波數差δv)主要取決於成像系統的幾何參數，即v=12Msin2----(6)]]>其中ξM為探測器的最大線度，在我們的發明裝置中，該參數可以認為是二維探測器面陣的某一方向上的寬度。由(6)式可知，具有大面陣尺寸的探測器有助於提高系統的光譜分辨極限。
實施舉例本實施例為一個反射式分振幅幹涉型成像光譜系統，其結構組成與圖1、圖2所示相同。前置光學系統1採用一個離軸拋物面反射式凹面物鏡；狹縫2位於凹面物鏡的焦點附近，因此凹面物鏡可以把遠距離的現狀物成像到一維狹縫的入射面上。凹面反射鏡4採用一個傅立葉凹面反射鏡，該傅立葉凹面反射鏡的焦點位於狹縫2的出射面附近。分束鏡8採用寬波段透過率材料，平面反射鏡9、平面反射鏡10、平面反射鏡11表面鍍金以實現可見光到熱紅外的寬光譜反射特性。柱面反射鏡5採用一個拋物柱面鏡，它使狹縫的幹涉圖案成線狀條紋聚焦到二維探測器陣列表面。設狹縫寬度1＝0.5mm前置望遠鏡焦距f1＝250mm傅立葉反射鏡焦距ft＝100mm柱面反射鏡焦距f2＝50mm平面反射鏡9和平面反射鏡11的交角為0.1°
採用探測器型號為PV-320，其像元尺寸為d，探測器寬度為ξM，長度為ηM(沿狹縫方向)，且d＝48.5umξM＝11.6mmηM＝15.5mm傅立葉反射鏡的物方焦點與狹縫重合；傅立葉反射鏡與柱面反射鏡的像方焦點重合；二維探測器陣列位於二者共同的焦平面上.
則可以分別計算由探測器長度(沿狹縫方向)限制的總視場角ω≈ηM/ft＝15.5/100≈1.6rad≈91.7°由狹縫寬度限制的空間解析度(即瞬時視場)IFOV≈l/f1＝0.5/250≈2mrad系統的光譜解析度v=12Msin2=12*11.6*10-1*sin(2*0.1)=123.5cm-1]]>
權利要求1.一種由反射式光學元件組成的反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀，其特徵是在它的光路結構中包含一個由分束鏡(8)和一套多面組合反射鏡組成的分振幅分束幹涉裝置(3)，所述光學結構還包括一套反射式前置光學系統(1)、狹縫(2)、凹面反射鏡(4)、柱面反射鏡(5)、面陣傳感器(6)和信號採集處理裝置(7)；一維狹縫(2)位於其前方的前置光學系統(1)的焦平面上；分束鏡(8)和多面組合反射鏡組成的分振幅分束幹涉裝置(3)位於光學狹縫(2)之後；凹面反射鏡(4)、柱面反射鏡(5)、面陣探測器(6)位於幹涉結構之後；狹縫方向垂直於紙面，柱面反射鏡(5)的母線與狹縫方向垂直。
2.如權利要求1所述的反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀，其特徵所述的一套多面組合反射鏡由兩個以上平面反射鏡組成。
專利摘要一種反射式空間調製分振幅幹涉成像光譜儀，它的光路結構包括一套反射式前置光學系統、狹縫、分振幅分束幹涉裝置、凹面反射鏡、柱面反射鏡、面陣探測器、信號採集處理裝置；由一片分束鏡和一套多面組合反射鏡組成的分振幅分束幹涉裝置位於光學狹縫之後，前置光學系統將目標成像於一維狹縫上；狹縫的像投射到分振幅分束幹涉裝置上，並被分成兩束能量相等的具有一定交角的相干光；這兩束光再經過凹面反射鏡和柱面反射鏡聚焦投射到一個面陣探測器上，在探測器表面形成幹涉圖案並被探測器接收。本實用新型的光學裝置具有光譜波段寬、光譜解析度高、光通量高、視場大、無色像差、圖像信噪比高等特點。
文檔編號G01J3/45GK2667475SQ20042000040
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月8日 優先權日2004年1月8日
發明者廖寧放, 趙達尊, 李穎, 黃慶梅, 蔣月娟, 胡威捷, 範秋梅, 吳文敏 申請人:北京理工大學