CN102589701B - 扩展空间外差干涉仪的应用带宽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扩展空间外差干涉仪应用带宽的方法，经准直镜头出射的具有微小视场角的平行光路中设置滤光片，且双向滤光片在光栅刻线方向上分为两部分，有不同的镀膜参数，相应地分别截止空间外差干涉仪基频应用带宽内长波和短波的光谱，经成像镜头比例缩放，最终在探测器上得到基频正方向和负方向的光谱干涉图。本发明相比传统的空间外差干涉仪可保证其光谱分辨率不变的前提下，有效监测目标带宽加倍；本发明解决了背景技术中空间外差干涉仪增加有效应用带宽，需要增大探测器像元数目或降低光谱分辨率的技术问题。

Description

扩展空间外差干涉仪的应用带宽的方法
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其是一种扩展空间外差干涉仪应用带宽的方法。
背景技术
空间外差光谱仪能在较窄的光谱范围内获得极高的光谱分辨率，增加其有效带宽可通过加大探测器像元数目或降低光谱分辨率来实现。
探测器空间频率不变，增加像元数目来扩展带宽，成像镜头缩放比和光栅密度不变的情况下，空间外差干涉仪匹配的成像和准直镜头有效通光孔径均增大一倍，使得整个系统结构尺寸加大。前置和后置镜头由于通光孔径增大，使得像差增大，镜头需重新设计优化。同时，干涉仪中光栅尺寸也需增大一倍，且光栅的大小还受限于分束器的加工制造水平。
传统的采用增加探测器像元数目仅能在系统基频的单方向上扩展光谱应用带宽，空间外差原理的诸多近似理论将不再成立，部分函数式将发生变化，使得后续解析和反演光谱信息更为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扩展空间外差干涉仪应用带宽的方法，以解决已有技术中空间外差干涉仪只能在较窄的光谱范围内获取极高光谱分辨率的问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
扩展空间外差干涉仪应用带宽的方法，包括有空间外差干涉仪、光栅、扩视场棱镜、探测器、成像镜头，所述空间外差干涉仪包括有准直镜头、分束器，所述分束器的上方、后方分别设置有一个光栅，所述分束器与光栅之间还设置有一个扩视场棱镜，所述分束器下方设置有探测器成像镜头，所述分束器与探测器之间还设有成像镜头下，其特征在于：所述分束器与准直镜头或与成像镜头之间设置有一个双向滤光片；
实现方法包括以下实现步骤：
    1）光源射出的光束经前置准直镜头准直后入射至分束器；空间外差光谱技术是通过频率外差调制的方式获得空间干涉图，因此会产生基频两侧光谱区相混叠的现象，可通过截止滤光片的方法对进入干涉仪的入射光滤波，对基频                                               
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE002
的正方向（或者负方向）的波数进行严格截止滤波，消除光谱混叠；经准直镜头出射的具有微小视场角的平行光路中设置双向滤光片，双向滤光片在光栅刻线方向上分为两部分，有不同的镀膜参数，相应地分别截止空间外差干涉仪基频
Figure 61897DEST_PATH_IMAGE002
应用带宽内长波和短波的光谱，在基频两端只有一个频率方向的光谱进入分束器；
    2）依据空间外差干涉原理，由分束器分光后产生的两束相干光束分别进入光栅，经光栅色散后形成两束具有一定夹角的相干光，相干光束的夹角随波数变化，即每一个波数入射的光产生的干涉条纹空间频率不一样；
3）出射分束器的干涉图像经后置成像镜头比例缩放后，由探测器接收基频正方向和负方向的光谱干涉图；基频波数的光谱元以相同的角度入射至探测器上，产生零空间频率干涉条纹；非基频波数的光谱元，入射到探测器上的夹角不等于零，形成非零空间频率的干涉条纹；偏离基频波数越远，干涉条纹空间频率越高；
4）空间外差干涉仪理论带宽
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE004
取决于探测器像元数目和系统光谱分辨率，即由探测器的空间频率决定： 
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE006
其中，N为探测器光谱维有效像元个数，
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE008
为干涉仪的光谱分辨率；
5）与之相匹配的准直镜头、成像镜头、探测器阵列以及光谱分辨率不变的前提下，将系统有效应用带宽增大为
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE010
。
所述的扩展空间外差干涉仪带宽的方法，其特征在于：所述空间外差干涉仪的应用带宽的范围由
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE014
扩展至
Figure 2012100401436100002DEST_PATH_IMAGE016
。
本发明与现有的技术相比的有益效果是：
1、本发明采用空间外差干涉原理，可使仪器有效应用带宽加倍；
2、所采用的准直镜头、成像镜头及探测器的技术参数不变，均可沿用未经带宽扩展时干涉仪所使用的元件；
3、经分束器出射的两相干光仍保留小角度干涉，空间外差原理的近似理论仍然成立，信息解析反演简易；
4、采用双向滤光片增加有效带宽后，仍可采用扩视场棱镜，且扩视场棱镜顶角及光栅转角满足扩展带宽后系统的要求，保证仪器具有高的辐射通量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图； 
图2为本发明的双向滤光片镀膜分区对应光栅的方位图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，扩展空间外差干涉仪应用带宽的方法，包括有空间外差干涉仪、光栅3、扩视场棱镜4、探测器7、成像镜头6，空间外差干涉仪包括有准直镜头1、分束器5，分束器5的上方、后方分别设置有一个光栅3，分束器5与光栅3之间还设置有一个扩视场棱镜4，分束器5下方设置有成像镜头6，成像镜头6下设有探测器7，分束器5与准直镜头1，或与成像镜头6之间设置有一个双向滤光片2；
实现方法包括以下实现步骤：
1）光源射出的光束经前置准直镜头1准直后入射至分束器5；空间外差光谱技术是通过频率外差调制的方式获得空间干涉图，因此会产生基频两侧光谱区相混叠的现象，可通过截止滤光片的方法对进入干涉仪的入射光滤波，对基频
Figure 352688DEST_PATH_IMAGE002
的正方向（或者负方向）的波数进行严格截止滤波，消除光谱混叠；经准直镜头1出射的具有微小视场角的平行光路中设置双向滤光片2，双向滤光片2在光栅3刻线方向上分为两部分，有不同的镀膜参数，相应地分别截止空间外差干涉仪基频
Figure 356941DEST_PATH_IMAGE002
应用带宽内长波和短波的光谱，在基频两端只有一个频率方向的光谱进入分束器5；
    2）依据空间外差干涉原理，由分束器5分光后产生的两束相干光束分别进入光栅3，经光栅3色散后形成两束具有一定夹角的相干光，相干光束的夹角随波数变化，即每一个波数入射的光产生的干涉条纹空间频率不一样；
3）出射分束器5的干涉图像经后置成像镜头6比例缩放后，由探测器7接收基频正方向和负方向的光谱干涉图；基频波数的光谱元以相同的角度入射至探测器7上，产生零空间频率干涉条纹；非基频波数的光谱元，入射到探测器7上的夹角不等于零，形成非零空间频率的干涉条纹；偏离基频波数越远，干涉条纹空间频率越高；
4）空间外差干涉仪理论带宽
Figure 553305DEST_PATH_IMAGE004
取决于探测器像元数目和系统光谱分辨率，即由探测器的空间频率决定： 
Figure 758021DEST_PATH_IMAGE006
其中，N为探测器光谱维有效像元个数，
Figure 956921DEST_PATH_IMAGE008
为干涉仪的光谱分辨率；
5）与之相匹配的准直镜头、成像镜头、探测器阵列以及光谱分辨率
Figure 815680DEST_PATH_IMAGE008
不变的前提下，将系统有效应用带宽增大为
Figure 871361DEST_PATH_IMAGE010
；即空间外差干涉仪的应用带宽的范围由
Figure 812641DEST_PATH_IMAGE012
或
Figure 487336DEST_PATH_IMAGE014
扩展至
Figure 197672DEST_PATH_IMAGE016
。

Claims (2)

1.一种扩展空间外差干涉仪的应用带宽的方法，包括有空间外差干涉仪、光栅、扩视场棱镜、探测器、成像镜头，所述空间外差干涉仪包括有准直镜头、分束器，所述分束器的上方、后方分别设置有一个光栅，所述分束器与光栅之间还设置有一个扩视场棱镜，所述分束器下方设置有探测器，分束器与探测器之间还设有成像镜头，其特征在于：所述分束器与准直镜头或与成像镜头之间设置有一个双向滤光片；
实现方法包括以下实现步骤：
    1）光源射出的光束经前置准直镜头准直后入射至分束器，经准直镜头出射的具有微小视场角的平行光路中设置双向滤光片，双向滤光片在光栅刻线方向上分为两部分，有不同的镀膜参数，相应地分别截止空间外差干涉仪基频                                                
Figure 281988DEST_PATH_IMAGE001
应用带宽内长波和短波的光谱，在基频两端只有一个频率方向的光谱进入分束器；
    2）依据空间外差干涉原理，由分束器分光后产生的两束相干光束分别进入光栅，经光栅色散后形成两束具有一定夹角的相干光，相干光束的夹角随波数变化，即每一个波数入射的光产生的干涉条纹空间频率不一样；
3）出射分束器的干涉图像经后置成像镜头比例缩放后，由探测器接收基频正方向和负方向的光谱干涉图；基频波数的光谱元以相同的角度入射至探测器上，产生零空间频率干涉条纹；非基频波数的光谱元，入射到探测器上的夹角不等于零，形成非零空间频率的干涉条纹；偏离基频波数越远，干涉条纹空间频率越高；
4）空间外差干涉仪理论带宽
Figure 894235DEST_PATH_IMAGE002
取决于探测器像元数目和系统光谱分辨率，即由探测器的空间频率决定： 
其中，N为探测器光谱维有效像元个数，
Figure 623778DEST_PATH_IMAGE004
为干涉仪的光谱分辨率；
5）与之相匹配的准直镜头、成像镜头、探测器阵列以及光谱分辨率
Figure 867677DEST_PATH_IMAGE004
不变的前提下，将系统有效应用带宽增大为
Figure 385246DEST_PATH_IMAGE005
。
2.根据权利要求1所述的扩展空间外差干涉仪的应用带宽的方法，其特征在于：所述空间外差干涉仪的应用带宽范围由
Figure 409703DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure 303710DEST_PATH_IMAGE007
扩展至
Figure 933274DEST_PATH_IMAGE008
。
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近红外空间外差光谱仪及水汽探测研究;熊伟 等;《光学学报》;20100531;第30卷(第5期);第1511-1515页 *

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