CN104729713A - 一种空间外差干涉光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间外差干涉光谱成像仪，其可以通过较少的采样点数而现高波数分辨率光谱信息的获取，同时，还解决了传统空间外差干涉光谱成像技术中光谱范围窄以及复原光谱的非线性问题，并且本发明只需要一块光栅既可以实现空间外差，降低了仪器的装调难度；另外，本发明的特点特别适合高光谱分辨率的探测，例如大气中的CO2、O3等具有特征波长的气体探测，也可以对宽波段范围的目标实现高光谱分辨率的探测。

Description

一种空间外差干涉光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种空间外差干涉光谱成像仪。

背景技术

干涉光谱成像技术从调制方式上来分可分为时间调制、空间调制和时空联合调制三种方式。

空间外差干涉光谱成像技术属于一种特殊的空间调制干涉光谱成像技术，传统的空间外差干涉光谱仪(空间外差式干涉光谱仪)是在迈克尔逊干涉仪中采用一对参数相同的光栅取代反射镜，并使光栅与光轴之间存在一定的夹角，其原理如图1所示；光栅与光轴的夹角满足对于设定的波数σ₀的光线经过光栅后其衍射光将原路返回，此时入射光与衍射光之间的光栅方程满足式中θ为入射角也是光栅1与水平方向及光栅2与水平方向的夹角，被称为利特罗角，m是衍射级次，一般取m＝1，d是光栅密度常数，当入射波数变为σ，光栅方程变为γ是光线经过光栅1和光栅2后出射波面的夹角，该角也是σ波数的光出射方向与σ₀波数光出射方向之间的夹角。但是，空间外差干涉光谱仪空间外差式干涉光谱仪适合窄谱段范围应用，这是因为只有在窄波数范围情况下其空间频率表达式才可写成当波数范围扩大，线性关系不再满足，该类光谱仪数据反演变得复杂，并且，由于系统中存在两块光栅其装调非常困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间外差干涉光谱成像仪，解决了传统空间外差干涉光谱成像技术中光谱范围窄以及复原光谱的非线性问题，同时，还降低了仪器的装调难度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空间外差干涉光谱成像仪，包括：前置光学系统、狭缝、准直镜、分束器、光栅、反射镜、成像镜以及探测器；

前置光学系统将目标成像在一次像面上，一次像面上放置有狭缝，通过狭缝的光经由准直镜准直后射入分束器；分束器将一部分光反射至反射镜，另一部分透射至光栅；反射光经由反射镜反射至分束器，被分束器再次反射并以与入射光轴呈θ角方向出射至成像镜；透射光到达光栅后被衍射，衍射光经分束器透射至成像镜；再由探测器对射入成像镜的光进行探测；

其中，所述衍射光与分束器反射至成像镜的反射光平行。

进一步的，所述光栅与入射光轴呈θ夹角放置，入射光轴与出射光轴夹角为90°-θ，分束器、反射镜与入射光轴呈90°-θ/2角度放置，成像镜与出射光轴垂直且与光栅平行。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该空间外差干涉光谱成像仪可以通过较少的采样点数而现高波数分辨率光谱信息的获取，一方面，解决了传统空间外差干涉光谱成像技术中光谱范围窄以及复原光谱的非线性问题，另一方面，由于只需要一块光栅即可以实现空间外差，降低了仪器的设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的传统空间外差干涉光谱仪的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种空间外差干涉光谱成像仪的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的主要目的是实现一种一定波数范围、高波数分辨率的一种干涉光谱成像仪，主要解决传统的干涉光谱成像仪在通过傅里叶变换时获取光谱信息时，其采样点数需要满足奈奎斯特定理而导致采样点数巨大的问题。当所需探测的目标波数范围为σ_min～σ_max，需要实现的波数分辨率为Δσ，本发明通过合理的系统设计，使得采样点数只需要满足即可。另一方面，为解决空间外差式干涉光谱仪窄波数范围的问题，本发明提出一种全新的结构，使得空间频率表达式不再是近似表达式而是理论上即满足线性关系的表达式，下面结合具体实施例对本发明做详细的说明。

图2为本发明实施例提供的一种空间外差干涉光谱成像仪的示意图。如图2所示，其主要包括：前置光学系统L0、狭缝、准直镜L1、分束器BS、光栅G、反射镜M、成像镜L2以及探测器。

其中，所述光栅与入射光轴呈90°-θ夹角放置，入射光轴与出射光轴夹角为θ，分束器、反射镜与入射光轴呈90°-θ/2角度放置，成像镜与出射光轴垂直且与光栅平行。

本发明提供的上述空间外差干涉光谱成像仪可以通过较少的采样点数而现高波数分辨率光谱信息的获取，同时，还解决了传统空间外差干涉光谱成像技术中光谱范围窄以及复原光谱的非线性问题，并且本发明只需要一块光栅既可以实现空间外差，降低了仪器的装调难度；另外，本发明的特点特别适合高光谱分辨率的探测，例如大气中的CO₂、O₃等具有特征波长的气体探测，也可以对宽波段范围的目标实现高光谱分辨率的探测。

本发明提供的空间外差干涉光谱成像仪的工作原理为：

前置光学系统L0将目标成像在一次像面上，一次像面上放置有狭缝，通过狭缝的光经由准直镜L1准直后射入分束器BS；分束器BS具有半透半反的性质，其将一部分光反射至反射镜M，另一部分透射至光栅G；反射光经由反射镜M反射至分束器BS，被分束器BS再次反射并以与入射光轴呈θ角方向出射至成像镜L2，对于反射光所有波数的光其波前传输方向相同；透射光到达光栅G后被衍射，衍射光经分束器BS透射至成像镜L2；再由探测器对射入成像镜L2的光进行探测。

其中，光栅G的入射光(即前述的分束器BS的透射光)与光栅G的衍射光满足光栅方程衍射光的波前方向与波数相关，不同波数光的衍射光波前将不同，对于某一种特定波数的光，当入射角为θ，通过光栅常数d的合理设计，使其衍射光垂直于光栅即沿着出射光轴方向出射，此时衍射光与反射光(即分束器反射至成像镜的反射光)的出射方向平行，衍射角α₀＝0，满足光栅方程此时的波数被称为基准波数σ₀，由于透射光与反射光波前夹角为0，透射光与反射光不产生干涉；当入射光波数为σ≠σ₀，透射光的衍射光与反射光二次反射光波前的夹角为衍射角α，且满足光栅方程由于波前方向不同，反射光与透射光将会产生干涉，干涉条纹的空间频率为 $f_x=\mathrm{\σ}\sin \mathrm{\α}=\mathrm{\σ}\sin \mathrm{\θ}-\frac{m}{d},$ 将 $\frac{m}{d}={\mathrm{\σ}}_0\sin \mathrm{\θ}$ 代入，因此f_x＝σsinα＝(σ-σ₀)sinθ，进而干涉条纹强度表达式为对干涉图进行傅里叶变换便可以得到干涉图的频率σ-σ₀，由于基准波数已知，进而可得到入射光的光谱。与传统空间外差干涉光谱仪相同，该光谱仪的光谱分辨率由最大光程差决定，其最大光程差为因此波数分辨率为其中D为光栅的口径，θ可根据不同的要求进行设计。

本发明实施例提供的空间外差干涉光谱成像仪产生的干涉图是具有外差特性的干涉图，并且适合任意波段范围探测，与传统的空间外差式干涉光谱仪相比较，本发明扩大了波数范围，而且是完全的等波数间隔采样，不存在非线性问题，且系统中只有一块光栅，系统的结构也更加的简单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种空间外差干涉光谱成像仪，其特征在于，包括：前置光学系统、狭缝、准直镜、分束器、光栅、反射镜、成像镜以及探测器；

前置光学系统将目标成像在一次像面上，一次像面上放置有狭缝，通过狭缝的光经由准直镜准直后射入分束器；分束器将一部分光反射至反射镜，另一部分透射至光栅；反射光经由反射镜反射至分束器，被分束器再次反射并以与入射光轴呈θ角方向出射至成像镜；透射光到达光栅后被衍射，衍射光经分束器透射至成像镜；再由探测器对射入成像镜的光进行探测；

其中，所述衍射光与分束器反射至成像镜的反射光平行。

2.根据权利要求1所述的光谱成像仪，其特征在于，所述光栅与入射光轴呈θ夹角放置，入射光轴与出射光轴夹角为90°-θ，分束器、反射镜与入射光轴呈90°-θ/2角度放置，成像镜与出射光轴垂直且与光栅平行。