CN105318969A - 基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，包括旋转平台、分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器、控制与信息处理模块；分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器均安装在旋转平台上；控制与信息处理模块控制旋转平台和面阵探测器，并接收面阵探测器信号。本发明利用静态迈克尔逊干涉原理，其中一个直角反射镜在垂直光轴方向上的错位布置，实现光束的横向剪切分光。在推扫或转动扫描模式下完成空间和光谱信息“数据立方体”的获取。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，尤其涉及一种静态、高通量的基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪。
背景技术
干涉成像光谱技术，相对于传统色散分光成像光谱技术，拥有高通量、高信噪比的优势，特别适用于常温目标辐射较弱的红外波段，在工农业生产、环境监测、物质鉴别等领域有广泛应用。
1991年，法国太空空间与战略系统分部就研制出迈克尔逊干涉型时间调制傅里叶变换成像光谱仪【DSimenoni.Newconceptforhigh-compactimagingFouriertransformspectrometer(IFTS)[C].SPIE,1991,1479:127-138】，该成像光谱仪采用线性往复扫描方式，稳定性差，工艺复杂。
2004年象山星旗电器科技有限公司提出了窗扫静态红外傅里叶变换成像光谱仪系统【中国专利，申请号：201420381552.7】，采用静态迈克尔逊干涉原理，使用错位布置的立体角反射镜使光束产生横向剪切，前置摆镜。该系统使用立体角反射镜减小了光学元件间的限制，便于光学设计和像差校正，但是立体角反射镜的圆形有效口径与光束在该处的矩形投影不匹配，需要较大口径的立体角反射镜否则会产生渐晕，进而影响反演光谱的准确性。
2005年，中科院西安光学精密机械研究所提出了高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪【中国专利，申请号：200510096119.4】，该技术使用“角反射镜+斜面转镜”构成变形的时间调制型迈克尔逊干涉仪。该技术将迈克尔逊干涉仪中动镜的移动变为斜面转镜的连续转动，提高了稳定性。但该光谱仪的光路太长，视场大小受到限制，且对一个视场的景物扫描一个完整周期才能转向下一个视场，大面积推扫时需要进行图像移动补偿修正。
综上所述，迄今为止时间调制型傅立叶变换成像光谱仪的动镜线性扫描和转镜扫描原理各有特点，但都存在稳定性差、工艺复杂和视场受限等问题；而时空混合调制型的窗扫静态红外傅里叶变换成像光谱仪系统，存在角反射镜有效口径与光束投影不匹配的问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明提供了结构紧凑而稳定、高通量的一种基于双面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪。
本发明的技术方案为：
所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：包括旋转平台、分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器、控制与信息处理模块；分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器均安装在旋转平台上；控制与信息处理模块控制旋转平台和面阵探测器，并接收面阵探测器信号；
第一直角反射镜和第二直角反射镜均是由两个平面反射镜以90°角胶合而成；
红外干涉成像光谱仪的光轴过分束器中心，且与分束器的分光面成45°角；第一直角反射镜、第二直角反射镜布置在分束器两侧；沿红外干涉成像光谱仪的光轴入射的入射光经分束器分成第一反射光和第一透射光；第一反射光经第一直角反射镜反射后，再经分束器分成第二反射光和第二透射光；第一透射光经第二直角反射镜反射后，再经分束器分成第三反射光和第三透射光；第二透射光和第三反射光存在横向剪切量，并入射成像物镜，后会聚在面阵探测器上的同一点并发生干涉。
进一步的优选方案，所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器由分光镜和补偿镜组成，分光镜与补偿镜材料、厚度相同；分光镜与补偿镜贴合的一面镀分光膜，分光镜另一面以及补偿镜的两个面镀增透膜。
进一步的优选方案，所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器为单片红外光学玻璃平板，红外光学玻璃平板两面均为一半镀分光膜，另一半镀增透膜，且一面的分光膜与另一面的增透膜位置对应。
进一步的优选方案，所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器上所镀的分光膜为红外宽波段的等比消偏振分光膜系。
进一步的优选方案，所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：面阵探测器为中波和/或长波红外波段的探测器。
有益效果
本发明的优点是：
1)成像光谱仪自身光路中无任何运动部件，仅依靠所搭载平台的移动或转动采集数据，稳定性高。
2)光学结构仅由5个部件构成，无需前置光学系统，结构简单，布置紧凑，光路很短，以较小的体积实现大视场和高通量。
3)在平面反射镜和立体角反射镜间取折中，使用双平面直角反射镜，相对于平面反射镜提高了仪器的稳定性，相对于立体角反射镜又能更好与光束投影匹配，减小体积。使用的双平面直角反射镜具有矩形通光口径，与光束在此处的投影匹配，避免了“渐晕”效应。
4)分束器可以选用自补偿分束镜，结构更紧凑，减小了系统的体积和重量，适用于航空光电设备。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为分束器两种形式的示意图；
图3为本发明的平移窗扫实施例的示意图；
图4为本发明的转动窗扫实施例的示意图。
附图标号说明：1-分束器，2-第一双平面直角反射镜，3-第二双平面直角反射镜，4-成像物镜，5-面阵探测器，6-控制与信息处理模块，7-旋转平台，8-飞行器，9-地面，10-仪器壳体，11-远处景物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参见附图1，本发明的基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪主要包括分束器1、第一双平面直角反射镜2、第二双平面直角反射镜3、成像物镜4、面阵探测器5、控制与信息处理模块6和旋转平台7。分束器1、第一双面直角反射镜2、第二双面直角反射镜3、成像物镜4、面阵探测器5均安装在旋转平台7上；控制与信息处理模块6控制旋转平台7和面阵探测器5，并接收面阵探测器5信号。
红外干涉成像光谱仪的光轴过分束器1中心，且与分束器1的分光面成45°角；第一双面直角反射镜2、第二双面直角反射镜3布置在分束器1两侧；沿红外干涉成像光谱仪的光轴入射的入射光经分束器1分成第一反射光和第一透射光；第一双面直角反射镜2相对于第一反射光光轴对称布置，第二双面直角反射镜3相对于第一透射光光轴以一定的错位量放置；面阵探测器5放置在成像物镜4的后焦面上；第一反射光经分束器1分成第二反射光和第二透射光，第一透射光经分束器1分成第三反射光和第三透射光；第二透射光和第三反射光存在横向剪切量，并均入射成像物镜4，而后会聚在面阵探测器5上的同一点并发生干涉。
当本仪器整体相对目标转动或平移窗扫运动时，来自目标的光线与红外干涉成像光谱仪的光轴所成夹角不断变化，由于两束光有一定的横向剪切量，它们在面阵探测器5上的成像位置和光程差随角度变化，面阵探测器5上各像素对应的光程差是一定的，沿各行等间隔分布。控制与信息处理模块6控制旋转平台7以一定转速运动，面阵探测器5在每一帧获取目标上各物点的不同光程差的干涉信息，在相对运动过程中，各物点依次成像在面阵探测器的一行的不同列上，从而获得目标的完整干涉信息，再经重排、基线校正、切趾、傅里叶变换等处理得到目标各点的光谱。面阵探测器5在同一时刻获取不同目标的以各自光程差的干涉信息，在扫描过程中的不同时刻获得目标的完整干涉信息。
参见附图2，分束器有两种形式可选。图2(a)中传统分束器由分光镜和补偿镜组成，两者材料、厚度相同。分光镜所镀分光膜是红外宽波段的等比消偏振分光膜系，图中粗虚线所示；分光镜另一面和补偿镜的两个面都镀增透膜，图中细实线所示。图2(b)中分束器为自补偿分束镜，是单片红外光学玻璃平板，在其中一面的一半镀分光膜、一半镀增透膜，在另一面的相应位置则分别镀增透膜和分光膜，分光膜和增透膜分别用粗虚线和细实线表示。
参见附图3，本发明的仪器以平移窗扫方式作业。仪器搭载在飞行器8上，飞行器8相对于地面9以稳定的速度平移，来自地面9的目标光线与红外干涉成像光谱仪的光轴所成夹角不断变化，调整飞行器运动的速度和面阵探测器的帧频，使得相邻两帧的时间内地面目标相对仪器正好转过一个瞬时视场，即同一物点在相邻两帧上的成像位置偏离一个像素。随着平移窗扫过程的进行，面阵探测器5获取目标的完整干涉信息，进而反演出目标各点的光谱。
参见附图4，本发明的仪器以转动窗扫方式作业。本发明仪器的各光学部件安装在仪器壳体10上，并与旋转平台7连接。控制与信息处理模块6控制旋转平台7匀速转动，并控制面阵探测器5的帧频稳定，使相邻两帧的时间内远处景物11相对仪器正好转过一个瞬时视场，即同一物点在相邻两帧上的成像位置偏离一个像素。随着转动窗扫过程的进行，面阵探测器5获取目标的完整干涉信息，进而反演出目标各点的光谱。
Claims (5)
1.一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：包括旋转平台、分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器、控制与信息处理模块；分束器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、成像物镜、面阵探测器均安装在旋转平台上；控制与信息处理模块控制旋转平台和面阵探测器，并接收面阵探测器信号；
第一直角反射镜和第二直角反射镜均是由两个平面反射镜以90°角胶合而成；
红外干涉成像光谱仪的光轴过分束器中心，且与分束器的分光面成45°角；第一直角反射镜、第二直角反射镜布置在分束器两侧；沿红外干涉成像光谱仪的光轴入射的入射光经分束器分成第一反射光和第一透射光；第一反射光经第一直角反射镜反射后，再经分束器分成第二反射光和第二透射光；第一透射光经第二直角反射镜反射后，再经分束器分成第三反射光和第三透射光；第二透射光和第三反射光存在横向剪切量，并入射成像物镜，后会聚在面阵探测器上的同一点并发生干涉。
2.根据权利要求1所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器由分光镜和补偿镜组成，分光镜与补偿镜材料、厚度相同；分光镜与补偿镜贴合的一面镀分光膜，分光镜另一面以及补偿镜的两个面镀增透膜。
3.根据权利要求1所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器为单片红外光学玻璃平板，红外光学玻璃平板两面均为一半镀分光膜，另一半镀增透膜，且一面的分光膜与另一面的增透膜位置对应。
4.根据权利要求2或3所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：分束器上所镀的分光膜为红外宽波段的等比消偏振分光膜系。
5.根据权利要求4所述一种基于双平面直角反射镜的红外干涉成像光谱仪，其特征在于：面阵探测器为中波和/或长波红外波段的探测器。
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