CN106918393A - 一种双通道空间外差光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道空间外差光谱仪，包括有前置准直系统，准直系统的前方光路上设置有分光束元件，分光束元件的反射和透射光路上分别依次设有反射镜组件、第一扩视场棱镜、透射光栅、第二扩视场棱镜、集光束元件、滤光片、成像组件、焦面组件，所述分光束元件和集光束元件的分光/集光面上均为50：50半反半透的消偏振分光膜。本发明相比传统的空间外差光谱仪可保证其光谱分辨率和不变的前提下，有效利用输入能量，将传统空间外差光谱仪中50%反射至前置准直系统内的杂散光有效利用。本发明在空间外差光谱仪高稳定性、高光谱分辨率的基础上，利用双通道输出可以进行波段扩展或信噪比提升。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，尤其是涉及一种双通道空间外差光谱仪。
背景技术
空间外差光谱仪在较窄的光谱范围内，易获取极高的光谱分辨率的特征，其发展的一体化胶合技术，尤其适用于星载空间环境中大背景下的弱光谱信号的提取。
传统的空间外差光谱仪入射光经望远系统和准直系统进入干涉组件，通常经过镀反射膜的闪耀光栅衍射后原光路返回，入射光路与出射光路所采用的分光和集光元件为同一分束器，经两臂光栅衍射后的光路重新在分束器内进行集光，其中50%的能量进入准直光路，50%的能量经成像镜头比例缩放成像在焦平面上。因此，传统的空间外差光谱仪单通道成像光路形式，存在杂散光严重和能量损失的问题。
双通道空间外差光谱仪可以结合空间外差干涉技术本身的差频的优势，将工作波数σ＞σ0和σ＜σ0内干涉图像通过双通道分别的获取，避免了发明专利ZL201010563525.8（申请公布号CN 102052968A《一种宽谱段空间外差光谱仪》）提到的利用入瞳前端增加带通滤光片轮使σ＞σ0和σ＜σ0的光分时进入干涉仪进行采集使得基频波数σ0双边光谱获取存在时差的问题。专利号ZL2012100401436（授权公告号CN 102589701 B《扩展空间外差干涉仪的应用带宽的方法》）是在损失能量和信噪比的前提下，依靠在滤光片上分区实现σ＞σ0和σ＜σ0的光谱同时获取，仍存在50%的能量返回至前置光路中，造成能量损失和杂散光增加等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道空间外差光谱仪，以解决已有技术中空间外差干涉型光谱仪单通道输出存在50%的能量损失，以及可能带来进一步的杂散光增加的技术问题，同时可以在信噪比和光谱分辨率不变的条件下，改善空间外差光谱仪的光谱带宽。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：包括有前置准直系统，准直系统的前方光路上设置有分光束元件，分光束元件的反射和透射光路上分别依次设有反射镜组件、第一扩视场棱镜、透射光栅、第二扩视场棱镜、集光束元件、滤光片、成像组件、焦面组件，所述分光束元件和集光束元件的分光/集光面上均为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直系统将有限物距处的目标光谱辐射转化为平行光束，远心入射至分光束元件，平行光束被分光束元件分成透射和反射两路，再分别经两臂的反射镜组件将原光路进行折转，以一定角度入射到两块透射光栅上，经透射光栅衍射后，不同波数的光以不同的衍射角从光栅面衍射至集光束元件上，再经集光束元件半反半透进行光路集中，在集光束元件的出射端分别存在两个具有一定夹角的出射波面，基频波数的光出射波面为参考波面，非基频波数的光形成具有一定空间频率的干涉条纹，集光束元件两出射端的干涉条纹经滤光片选择有效光谱波段后，经成像系统比例缩放二次成像在焦面组件的接收面上。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述准直系统焦距和出射视场角由光谱仪光谱分辨率、透射光栅刻线密度、扩视场棱镜材料以及基频波数决定。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述分光束元件将入射平行光束分成等强度的透射和反射光束，且分光束元件的结构形式为分束棱镜或分束板。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述反射镜组件将分束面出射的平行光折反，使得出射光路不再沿光路进入分光束元件中集合，反射镜组件是组合的90°角反射镜或者是与分光束元件或集光束元件的分束面角度相匹配的角反射镜。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述透射光栅的光栅刻线方向垂直于纸面，经光栅衍射后不同波数的光束以不同的衍射角从光栅面处出射，且两臂光栅衍射波面偏转方向相对参考波面的方向相反。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述焦面组件的接收面上行/列方向与光栅刻线方向垂直。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述两滤光片可根据双通道空间外差光谱仪需求：（1）设置为相同工作波段的滤光片，使其能量利用率倍增，从而提高信噪比；（2）设置为不同工作波段的滤光片，在保持原有能量和信噪比的条件下，增加其有效光谱带宽。
所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述扩视场棱镜沿光路方向分别位于透射光栅两侧，其扩视场棱镜楔角方位相对透射光栅对称，提高光能利用率的同时，扩视场棱镜可减小成像系统的物方数值孔径角，降低设计和装调难度。
本发明与现有的技术相比的有益效果是：
1、本发明利用传统空间外差光谱仪的原理，以此为基础引入反射镜组件和透射光栅组件，可在光谱分辨率和信噪比不变的条件下，使得有效波段倍增；或在光谱分辨率和有效波段不变的条件下，能量倍增，信噪比提升为传统单通道空间外差光谱仪的1.414倍；
2、本发明所采用透射衍射光栅参数、扩视场棱镜参数、前置准直和成像系统等均可参考传统空间外差光谱仪的技术原理；
3、所采用的双通道空间外差光谱仪，其核心空间外差干涉仪组件均为棱镜，可胶合为一体，无运动部件，系统同时具备高光通量、高光谱分辨率、有效光谱带宽倍增等特点，适用于星载空间环境光学遥感和大气探测，尤其是温室气体浓度探测的应用。
附图说明
图1为本发明采用45度反射镜的光学设计结构示意图。
图2为本发明采用90度角反射镜的光学设计结构示意图。
图3为图2的A-A示意图：入射光经准直系统进入反射镜光路示意图。
图4为图2的B-B示意图：双通道输出成像示意图。
图中标号：
1-准直系统，2-分光束元件，301和302-反射镜组件，401和402-第一扩视场棱镜，501和502-透射光栅，601和602-第二扩视场棱镜，7-集光束元件，8-参考波面，9-滤光片，10-成像组件，11-焦面组件。
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1-4所示：一种双通道空间外差光谱仪，包括有前置准直系统1，准直系统1的前方光路上设置有分光束元件2，分光束元件2的反射和透射光路上分别依次设有反射镜组件301和302、第一扩视场棱镜401和402、透射光栅501和502、第二扩视场棱镜601和602、集光束元件7、参考波面8、滤光片9、成像组件10、焦面组件11，分光束元件2和集光束元件7的分光/集光面上均为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直系统将有限物距处的目标光谱辐射转化为平行光束，远心入射至分光束元件，平行光束被分光束元件分成透射和反射两路，再分别经两臂的反射镜组件将原光路进行折转，以一定角度θ L 入射到两块透射光栅上，经透射光栅衍射后，不同波数σ的光以不同的衍射角从光栅面衍射至集光束元件上，再经集光束元件半反半透进行光路集中，在集光束元件的出射端分别存在两个具有一定夹角的出射波面，基频波数σ 0 的光出射波面为参考波面，夹角为0，非基频波数σ的光形成具有一定空间频率的干涉条纹，集光束元件两出射端的干涉条纹经滤光片选择有效光谱波段后，经成像系统比例缩放二次成像在焦面组件的接收面上。对干涉条纹进行干涉图相位校正、傅里叶变换以及相应的光谱复原处理，可得到目标辐射的光谱强度和分布等信息。
各部件的构成方式是：
1）准直系统，将一定距离处的目标被测光谱转化为平行光束，且远心入射至分光束元件，准直系统焦距和出射视场角由光谱仪光谱分辨率、透射光栅刻线密度、扩视场棱镜材料以及基频波数σ 0 决定。
2）分光束元件：分束面具有50：50半反半透的消偏振分光膜，将入射平行光束分成等强度的透射和反射光束，且结构形式可以为分束棱镜或分束板。
3）反射镜组件：将分束面出射的平行光折反，使得出射光路不再沿光路进入分光束元件中集合，可以是组合的90°角反射镜，也可以是与分光束元件或集光束元件的分束面角度相匹配的反射镜。
4）第一扩视场棱镜：减少入射至透射闪耀光栅上的平行光视场角，以扩展光谱仪所能接受的能量，其折射率越大，扩视场能力越强。
5）透射闪耀光栅：分别位于分光束器件反射和透射光路中，光栅刻线方向垂直于纸面，经光栅衍射后不同波数的光束以不同的衍射角从光栅面处出射，且两臂光栅衍射波面偏转方向相对参考波面的方向相反。
6）第二扩视场棱镜：减小成像系统物方数值孔径，使得成像系统设计和装调简易。
7）集光束元件：分束面具有50：50半反半透的消偏振分光膜，将透射闪耀光栅出射的平行光束以等强度的透射和反射光进行集合，且在出射端形成干涉条纹。
8）参考波面：基频波数σ 0 的光出射波面为参考波面，夹角为0，非基频波数σ的光相对参考波面有一定的夹角，并形成相应空间频率的干涉条纹。
9）滤光片：分别位于双通道成像镜组和集光束元件之间，可根据双通道空间外差光谱仪需求：（1）设置为相同工作波段的滤光片，使其能量利用率倍增，从而提高信噪比；（2）设置为不同工作波段的滤光片，在保持原有能量和信噪比的条件下，增加其有效光谱带宽。
10）成像系统：将双通道输出的干涉条纹进行比例缩放后，二次成像在焦面组件的接收面上。
11）焦面组件：分别位于双通道成像系统的后焦面上，且焦面组件的接收面上行/列方向与光栅刻线方向垂直。
引入反射镜组件和透射光栅组件，可在光谱分辨率和信噪比不变的条件下，使得有效波段倍增；或在光谱分辨率和有效波段不变的条件下，能量倍增，相应信噪比提升为传统单通道空间外差光谱仪的1.414倍，且所采用透射衍射光栅参数、扩视场棱镜参数、前置准直和成像系统等均可参考传统空间外差光谱仪的技术原理。其核心空间外差干涉仪组件均为棱镜，可胶合为一体，无运动部件，系统同时具备高光通量、高光谱分辨率、有效光谱带宽倍增等特点，适用于星载空间环境光学遥感和大气探测，尤其是温室气体浓度探测的应用。
该双通道空间外差光谱仪的光路结构是：
（1）位于准直系统1前焦面的光源出射的光经准直系统后形成一定视场角的平行光束入射至分光束元件2；（2）分光束元件的分束面将入射光束分为等强度的透射和反射光束；（3）反射镜组件将分光束出射的透射和反射光束进行光路反射，使之与原光路不再重合；（4）透射光栅位置关系满足基频波数σ 0 入射的光，其衍射角为0；非基频波数σ的光相对参考波面有一定的夹角，且两臂参考波面角度相对参考波面相反，因而形成具有一定空间频率的干涉条纹；（5）扩视场棱镜位于透射闪耀光栅两边，且楔角对称布置，用于减小入射至透射闪耀光栅的视场角和成像系统的物方数值孔径角；（6）成像系统将双通道输出的定域面干涉条纹比例缩放后，成像在焦面组件的接收面上，焦面组件的接收面位于成像系统的后焦面上。
双通道空间外差光谱仪滤光片分别位于双通道成像镜组和集光束元件之间，可根据应用需求：（1）设置为相同工作波段的滤光片，使其能量利用率倍增，从而提高信噪比；（2）设置为不同工作波段的滤光片，在保持原有能量和信噪比的条件下，增加其有效光谱带宽。
Claims (8)
1.一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：包括有前置准直系统，准直系统的前方光路上设置有分光束元件，分光束元件的反射和透射光路上分别依次设有反射镜组件、第一扩视场棱镜、透射光栅、第二扩视场棱镜、集光束元件、滤光片、成像组件、焦面组件，所述分光束元件和集光束元件的分光/集光面上均为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直系统将有限物距处的目标光谱辐射转化为平行光束，远心入射至分光束元件，平行光束被分光束元件分成透射和反射两路，再分别经两臂的反射镜组件将原光路进行折转，以一定角度入射到两块透射光栅上，经透射光栅衍射后，不同波数的光以不同的衍射角从光栅面衍射至集光束元件上，再经集光束元件半反半透进行光路集中，在集光束元件的出射端分别存在两个具有一定夹角的出射波面，基频波数的光出射波面为参考波面，非基频波数的光形成具有一定空间频率的干涉条纹，集光束元件两出射端的干涉条纹经滤光片选择有效光谱波段后，经成像系统比例缩放二次成像在焦面组件的接收面上。
2.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述准直系统焦距和出射视场角由光谱仪光谱分辨率、透射光栅刻线密度、扩视场棱镜材料以及基频波数决定。
3.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述分光束元件将入射平行光束分成等强度的透射和反射光束，且分光束元件的结构形式为分束棱镜或分束板。
4.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述反射镜组件将分束面出射的平行光折反，使得出射光路不再沿光路进入分光束元件中集合，反射镜组件是组合的90°角反射镜或者是与分光束元件或集光束元件的分束面角度相匹配的角反射镜。
5.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述透射光栅的光栅刻线方向垂直于纸面，经光栅衍射后不同波数的光束以不同的衍射角从光栅面处出射，且两臂光栅衍射波面偏转方向相对参考波面的方向相反。
6.根据权利要求5所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述焦面组件的接受收面上行/列方向与光栅刻线方向垂直。
7.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述两滤光片可根据双通道空间外差光谱仪需求：（1）设置为相同工作波段的滤光片，使其能量利用率倍增，从而提高信噪比；（2）设置为不同工作波段的滤光片，在保持原有能量和信噪比的条件下，增加其有效光谱带宽。
8.根据权利要求1所述的一种双通道空间外差光谱仪，其特征在于：所述扩视场棱镜沿光路方向分别位于透射光栅两侧，其扩视场棱镜楔角方位相对透射光栅对称。
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| US11719626B2 (en) * | 2020-03-30 | 2023-08-08 | California Institute Of Technology | Ultra-miniature spatial heterodyne spectrometer |
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| CN106918393B (zh) | 2018-03-20 |
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