CN102052968A - 一种宽谱段空间外差光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽谱段空间外差光谱仪，克服了现有技术中传统空间外差光谱仪谱段很窄的缺陷。本发明中的闪耀光栅组件是由分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯光栅组成；两块中阶梯光栅的角度、位置关系满足：(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上，(2)以常规的闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，第一中阶梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度；条纹成像系统的焦面重合位置设置有可控光学快门作为级次选择掩膜。本发明具有高稳定性、高光谱分辨率、宽谱段覆盖的优点，非常适合星载空间环境遥感和大气探测的应用。

Description

一种宽谱段空间外差光谱仪

技术领域

本发明涉及一种宽谱段空间外差光谱仪。

背景技术

一、空间外差光谱仪的基本原理的数学表达

通过干涉仪入瞳的辐射经准直后变成平面波，经分束器分束分别以Littrow角θ_L入射到两块光栅上。根据光栅方程

σ(sinθ_L+sinβ)＝mD，(1)

σ为波数，θ_L为光束入射角，β为光束出射角，m为衍射级次，D为光栅的刻线密度。则不同波数σ的光以不同衍射角β从光栅上出射，在衍射后的出射光束中会存在某一波数σ₀的光按照原入射光路返回，即对应β(σ₀)＝θ_L，对应两块光栅的出射波面经过分束板后是相互平行的，这个波数叫做外差波数。而其他波数σ对应的出射波面会存在一定夹角2γ，γ角的大小可由β角解出。这样对于一个入射波面，有两个出射波面与其对应，这两个波面会发生干涉，满足公式：

I(x)＝∫B(σ)(1+cos(2π(4(σ-σ₀)xtanθ_L))，(2)

沿着探测的x方向就可以得到干涉图，进一步将干涉图I(x)进行傅里叶变换就可以得到入射光的光谱B(σ)。

二、现有研究情况

目前国内开展过空间外差光谱仪研究的为中国科学院安徽光学精密机械研究所的叶松等人。其主要研究了采用普通闪耀光栅作为色散元件的传统的窄谱段空间外差光谱仪，如图1。

普通闪耀光栅闪耀角在20°～30°左右比较普遍；刻线密度一般在几百到一两千gr/mm；一般用在一级衍射，即m＝1。空间外差光谱技术只在接近闪耀角θL的小角度范围内成立，采用普通光栅只用一个级次，所以谱段就会很窄。

国外相关研究曾提出采用中阶梯光栅的可行性，因为中阶梯光栅的闪耀角大，一般在60°～70°；刻线密度小，一般为几十gr/mm；使用级次高，一般为几十到上百级，即m＝n×10～100，并且是几十个衍射级次同时使用。然而，如何同时利用很多个级次将一系列的窄谱段合成宽谱段，特别是对光学结构的相应设计以及其后光路的处理等，仅处于理论研究初期，尚不成熟。

虽然使用普通光栅不存在级次混叠的问题，但是还是要解决复原光谱混叠的问题(σ₀±Δσ的谱会混在一起)。已有研究采用两种途径：第一，在入瞳前端加带通滤光片轮，使σ＞σ₀和σ＜σ₀的光分别先后进入干涉仪，分别采集。第二，也将两块光栅分别倾斜(这个倾斜角没有严格限制)。对于应用于星载遥感的仪器，其稳定性和可靠性是非常重要的指标，不希望系统中存在运动部件，否则这会给稳定性和可靠性带来风险。像机械掩膜轮这样的部件还要配驱动电机和精密控制系统，都会给仪器的体积、重量和功耗带来压力。

发明内容

本发明提供一种宽谱段空间外差光谱仪，克服了现有技术中传统空间外差光谱仪谱段很窄的缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种宽谱段空间外差光谱仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束元件、闪耀光栅组件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束元件的核心部件是50∶50半反半透的消偏振分光膜，与现有窄谱段空间外差光谱仪(背景技术所述)的区别主要是：闪耀光栅组件是由分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯光栅组成；设经过第一中阶梯光栅中心并与准直系统所在光路的光轴平行的直线为第一旋转轴，经过第二中阶梯光栅中心并在同一平面内与所述第一旋转轴垂直的直线为第二旋转轴，且皆规定中阶梯光栅的入射方向再逆时针旋转90度为旋转轴线的正方向，两块中阶梯光栅的角度、位置关系满足：(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上，(2)以常规的闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，第一中阶梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度，其中α≥4sinθ_L/(DW_y)，W_y为沿刻线方向光栅的尺寸，D为光栅刻线密度；所述条纹成像系统包括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次选择掩膜。

上述级次选择掩膜最好选择可控光学快门，这样就可以完全通过电路编程控制每个区域的透光和阻光状态，体积小、功耗低，响应速度也要比机械掩膜快，无任何运动部件。

上述可控光学快门的最佳形式是存在四象限独立控制分区，能够通过同步控制两组对角象限区域的透光或阻光状态来实现衍射级次选择功能。

上述条纹成像系统最好为4f系统，所述级次选择掩膜位于该4f系统的频谱面位置处。

上述分束元件可以选择分束板或分束棱镜等具体形式。

上述准直系统可以选择透射式系统或反射式系统。

上述干涉仪入瞳前方的望远系统可以选择透射式系统或反射式系统。

本发明具有以下优点：

1、本发明借用已有的设备和光路结构，实现了宽谱段空间外差光谱仪，克服了现有技术中传统空间外差光谱仪谱段很窄的缺陷。

2、四象限光学快门掩膜完全通过电路编程控制每个区域的透光和阻光状态，体积小、功耗低，响应速度也要比机械掩膜快。最重要的是不需要机械掩膜那样的驱动电机和精密控制电路，只要保证掩膜安装精度，整个工作过程不再需要位置调整。系统也不需要像窄谱段系统那样的带通滤光片。这样的静态宽谱段空间外差光谱仪无任何运动部件，系统同时具备高稳定性、高光谱分辨率、宽谱段覆盖的优点，非常适合星载空间环境遥感和大气探测的应用。

附图说明

图1为现有技术窄谱段的空间外差光谱仪原理示意图；

图2为本发明宽谱段空间外差光谱仪原理示意图(未旋转x₁轴、x₂轴时)；

图3为掩膜面上的衍射级次示意；

图4为机械掩膜的两个工作状态；

图5为本发明实施例中的四象限光学快门的两个工作状态；其中，a图所示状态为四象限光学快门的AC透光，BD阻光，b图所示状态为四象限光学快门的AC阻光，BD透光。

附图标号说明：

1-干涉仪入瞳，2-准直系统，3-闪耀光栅，31-中阶梯光栅，4-分束元件，5-条纹成像系统，6-探测器，7-级次选择掩膜。

具体实施方式

本发明的基本原理是：望远系统收集观测目标的光谱辐射，并将其成像到干涉仪入瞳处，经过干涉仪入瞳的目标辐射经准直系统后成为平行光束，被分束器分成透射和反射两路，以Littrow角(θ_L)分别入射到两块中阶梯光栅上，经中阶梯光栅色散后不同波长的光束以不同的衍射角从光栅上反射回分束器上。再经分束器半反半透，在干涉仪出口汇成出射光束。这样对于一个入射波面来说，存在两个有一定夹角的出射波面，这两个波面之间具有相干性。条纹成像系统L₁将出射光束会聚，在掩膜面上得到由两个阶梯光栅色散产生的对应不同波长和衍射级次的干涉仪入瞳的像。掩膜透过所需的衍射级次，挡掉不需要的级次。条纹成像系统L₂再将透过掩膜的光束变成平行光束，来自两块中阶梯光栅的光束在L₂后焦面上发生干涉，干涉图被探测器阵列接收。对干涉图进行二维傅里叶变换和数据复原处理，就得到目标辐射的光谱。

本实施例选择四象限可控光学快门作为衍射级次选择掩膜，因而形成静态宽谱段空间外差光谱仪。它由干涉仪入瞳、准直系统、分束器、中阶梯光栅、条纹成像系统、级次选择掩膜和探测器组成。

1)干涉仪入瞳：位于望远系统后焦面和准直系统的前焦面上，作用是控制入射到干涉仪能量的多少和视场角。

2)准直系统：将通过干涉仪入瞳的光束变成平行光束。可以是透射式系统、也可以是反射式系统。

3)分束器：其核心为是50∶50半反半透的消偏振分光膜，将入射平行光束等强度分成透射和反射两束，并且每一束平行光的偏振特性都与入射平行光相同。具体结构可以是分束板、也可以是分束棱镜。

4)中阶梯光栅：一种大闪耀角的反射式光栅，依靠高衍射级次实现很高的光谱分辨能力。本系统中采用两块中阶梯光栅相对于分束器对称放置，使分束器出射的两束平行光以Littrow角(θ_L)入射到两块中阶梯光栅上，光栅刻线方向近似垂直于纸面，两块光栅分别绕纸面内x₁轴向里和绕纸面内x₂轴向外转动α/4角度。经过光栅色散后，不同波长的光束以不同的衍射角β从光栅上出射。相同波长的光束被两块光栅衍射后衍射角相同，但是沿着垂直纸面的方向会存在α的夹角。

5)条纹成像系统L₁：将从两块阶梯光栅上反射回的不同衍射角的平行光束会聚到其后焦面的掩膜上。

6)掩膜：选择干涉所需要的衍射级次。位置处于L₁的后焦面和L₂的前焦面上。

7)条纹成像系统L₂：将通过掩膜的光束变成平行光束，并在其后焦面上形成Fizeau形式的干涉图。

8)探测器阵列：位于条纹成像系统L₂的后焦面上，作用是接收干涉图。

其中四象限可控光学快门是一种空间光调制器件，可以通过电信号控制其透光和阻光状态。四象限可控光学快门存在四个独立控制的分区，通过同步控制AC区和BD区的透光和阻光状态，就可以实现衍射级次选择功能。相对机械掩膜，四象限可控光学快门没有运动部件，体积小、重量轻。整个仪器没有运动部件、稳定性好、可靠性高，适合航天遥感应用。

该静态宽谱段空间外差光谱仪的光路结构是：

(1)干涉仪入射孔径位于准直系统前焦面上；(2)轴上光束以45°角入射到分束元件的分束膜上，形成透射和反射两路光。透射光束光轴与准直镜光轴重合，反射光束光轴垂直于准直镜光轴。(3)两块中阶梯光栅的位置关系满足：首先使光栅刻线垂直于透射光束光轴与反射光束光轴确定的平面，即光栅主截面在该平面内，并满足反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上。然后以常规的(背景技术中的)闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，将第一中阶梯光栅绕第一旋转轴(即x₁轴)再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴(即x₂轴)再旋转负α/4度；(4)条纹成像系统光轴与准直系统光轴垂直，与原(首次)反射光束的光轴重合。条纹成像系统可分为前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次选择掩膜。面阵探测器位于后镜组的后焦面上。

空间外差光谱技术只在接近闪耀角θL的小角度范围内成立，采用普通光栅只用一个级次，所以谱段就会很窄。采用普通闪耀光栅作为色散元件，不会遇到衍射级次重叠的问题，所以在公式(2)中没有出现含α角的项。而使用中阶梯光栅需解决级次重叠的问题，所以将两块光栅分别倾斜α/4，利用很多个级次，每个级次都有一个Littrow波数σ_0m，可由由一些列的窄谱段合成宽谱段。从而干涉公式也就变成

I(x)＝∫B(σ)(1+cos(2π(4(σ-σ_0m)xtanθ_L+αyσ))          (3)

α的取值总的来讲有两方面考虑，第一，根据中阶梯光栅的特征参数。第二，根据仪器设计使用的光谱范围、条纹成像系统和探测器参数。具体的讲，倾斜角α/4必须足够大，使一系列的Littrow波数σ_0m在y方向至少分开一个干涉条纹，应满足α≥4sinθ_L/(DW_y)，D为光栅刻线密度，W_y为沿刻线方向光栅的尺寸。α的取值上限要根据具体的光谱范围、探测器像尺寸和条纹成像系统参数确定，α≤1/(σ_maxd_pix)，σ_max为系统应用的光谱范围的最大波数，d_pix为探测器的像元尺寸。目前，系统设计时，通常取α＝M/(2σ_maxd_pix)，M为条纹成像系统的放大倍率。

Claims (7)

1.一种宽谱段空间外差光谱仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束元件、闪耀光栅组件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束元件的核心部件是50∶50半反半透的消偏振分光膜。其特征在于：所述闪耀光栅组件是由分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯光栅组成；设经过第一中阶梯光栅中心并与准直系统所在光路的光轴平行的直线为第一旋转轴，经过第二中阶梯光栅中心并在同一平面内与所述第一旋转轴垂直的直线为第二旋转轴，且皆规定中阶梯光栅的入射方向再逆时针旋转90度为旋转轴线的正方向，两块中阶梯光栅的角度、位置关系满足：(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上，(2)以常规的闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，第一中阶梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度，其中α≥4sinθ_L/(DW_y)，W_y为沿刻线方向光栅的尺寸，D为光栅刻线密度；所述条纹成像系统包括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次选择掩膜。

2.根据权利要求1所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述级次选择掩膜为可控光学快门。

3.根据权利要求2所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述可控光学快门存在四象限独立控制分区，能够通过同步控制两组对角象限区域的透光或阻光状态来实现衍射级次选择功能。

4.根据权利要求1至3任一所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述条纹成像系统为4f系统，所述级次选择掩膜位于该4f系统的频谱面位置处。

5.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述分束元件为分束板或分束棱镜。

6.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述准直系统为透射式系统或反射式系统。

7.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于：所述干涉仪入瞳前方的望远系统为透射式系统或反射式系统。

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