CN107917759A - 基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪及制作方法 - Google Patents

Abstract

基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪的制作方法,涉及红外偏振成像光谱测量仪器技术领域，解决现有目标场景中偏振信息、图像信息和光谱信息的同时获取以及偏振成像光谱仪器的微小型化与集成化问题，包括准直镜、四通道偏振器、四通道成像镜、分束器、平面反射镜、双周期阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器，本发明通过四通道偏振器、四通道成像镜与双周期阶梯相位反射镜之间的光场耦合实现对像场偏振与干涉的调制，从而获取目标场景的四通道偏振干涉图像，通过一次扫描即可获取目标场景的偏振、图像和光谱信息，具有微小型、轻量化、结构简单、集成度高、测量速度快、信息量多等优点。

Description

基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪及制作方法

技术领域

本发明涉及红外偏振成像光谱测量仪器技术领域，涉及一种红外偏振成像光谱仪器，具体的说是涉及一种利用四通道偏振器、四通道成像镜和双周期阶梯相位反射镜对光场进行偏振调制、阵列成像与分布式相位调制以实现偏振像场干涉的微小型红外偏振干涉成像光谱仪。

背景技术

图像特征、光谱特征和偏振特征是人们识别物质的重要手段，对目标图像、光谱和偏振特征的有效探测大大提高了人们认识世界的能力。图像特征探测用于记录物体的位置和强度信息，光谱特征探测根据不同物质所特有的发射、反射、透射光谱可以获取与波长有关的信息，偏振特征探测可以获取与物体表面结构、表面粗糙度等特性密切相关的偏振信息。随着科学与工程技术的发展，现代测量仪器趋于发展偏振、光谱和图像三位一体的多模式探测能力，即在一台仪器上集成偏振、光谱和图像测量功能，对同一目标的偏振、光谱和图像信息进行同时探测，从而全方面评估目标属性，为人们正确认知物质世界提供更加有力的手段，同时在丰富目标信息的基础上简化系统结构，提高系统稳定性。偏振成像光谱技术在空间探测、大气遥感、地球遥感、机器视觉及生物医学等领域都具有极其重要的使用价值，因此结合偏振图谱测量功能的偏振成像光谱仪器具有十分广阔的应用前景。

由于图像信息为二维的位置光强信息，光谱信息为一维的波长功率谱信息，偏振信息用斯托克斯矢量表示为四维信息，因此偏振成像光谱仪需要获取的是多个维度的数据信息。但是探测器是二维的测量器件，如何利用二维的探测器件获取多个维度的目标信息，是目前偏振成像光谱探测技术与仪器领域需要具体解决的问题。目前红外偏振成像光谱探测技术中普遍使用的红外偏振成像光谱仪都是采用在扫描型红外成像光谱仪中插入偏振片，通过偏振片的旋转获取目标场景不同偏振态的图谱数据。由于红外成像光谱仪中含有光谱扫描机构，在每一个偏振状态都需要对光谱进行一次扫描，完成一次光谱扫描后偏振片旋转到下一个偏振状态，再进行下一个偏振态的光谱扫描。光谱扫描和偏振片旋转两个运动机构，不仅增加了系统的体积和重量，同时增加了系统数据获取的时间。

发明内容

本发明为解决现有目标场景中偏振信息、图像信息和光谱信息的同时获取以及偏振成像光谱仪器的微小型化与集成化问题，提供一种基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪及制作方法。

基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜、四通道偏振器、四通道成像镜、分束器、平面反射镜、双周期阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器，携带目标偏振图谱信息的入射光场经准直镜被准直为平行光场，所述平行光场经四通道偏振器分为四个偏振状态，并在四通道成像镜的像方焦面形成偏振像场阵列；

分束器将所述偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到平面反射镜和双周期阶梯相位反射镜上，形成两个相干偏振像场阵列；双周期阶梯相位反射镜对所述偏振像场阵列中每个偏振像场单元进行空间分布式相位调制，中继成像镜将调制后的偏振像场传输至面阵探测器上与平面反射镜反射的偏振光场叠加干涉；

所述四通道偏振器的每个偏振通道对应出射光场的一种偏振态；所述四通道成像镜对横向空间形成四个成像通道；所述的每个成像通道对应一个偏振通道，从而对应一个偏振像场；且每个成像通道的像方视场对应于双周期阶梯相位反射镜的一个象限，不同偏振像场单元的相位受到双周期阶梯相位反射镜不同区域的分布式调制，面阵探测器像面上获得具有四个不同偏振状态且每个偏振状态具有空间相位差分布的偏振干涉图像阵列。

所述四通道成像镜的四个成像镜通道的圆形视场阵列与双周期阶梯相位反射镜对应的方形孔径之间为四通道相切相接结构，即四通道成像镜的每个圆形成像视场分别与双周期阶梯相位反射镜的两条中线相切，同时与双周期阶梯相位反射镜的角点相接；

所述分束器为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；

栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；

所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为 1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；

所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。

基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪的制作方法，采用可见激光阵列标定与红外相机观测相结合的方法进行系统的集成制作，具体步骤为：

步骤一、采用2×2可见激光阵列标定系统光轴，激光阵列具有四个激光源，四个激光源之间的距离等于四通道偏振器各偏振单元之间的中心距，通过调节2 ×2激光阵列源的位置和角度，使2×2激光阵列的四条光轴平行；

步骤二、在光路中插入一块45°可见光分光棱镜，将激光阵列分成两路；通过调节分光棱镜的位置和角度，使透射激光束与激光阵列光束共线，反射激光束与激光阵列光束垂直；

步骤三、将双周期阶梯相位反射镜放置在2×2反射激光阵列的光路中，通过调节双周期阶梯相位反射镜的位置和角度，使反射激光阵列光路中的四条激光束入射到双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且入射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证双周期阶梯相位反射镜与2×2激光阵列的光轴垂直；

步骤四、将平面反射镜放置在2×2透射激光阵列的光路中，通过调节平面反射镜的位置和角度，使透射激光阵列光路中的四条激光束在平面反射镜上均匀分布，且入射到平面反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证平面反射镜与2 ×2激光阵列的光轴共线；

步骤五、移除可见光分光棱镜，将分束器置于可见光分光棱镜的位置，调节分束器的位置和角度，使反射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束位于双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且被双周期阶梯相位反射镜反射的光束沿原路返回；

步骤六、将四通道成像镜放置于前置光路中，由于四通道成像镜透射红外而反射可见光，通过调节四通道成像镜的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道成像镜的每个成像镜单元的中心位置，并使各成像镜单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道成像镜各成像通道的光轴与激光阵列光轴共线；

步骤七、将四通道偏振器放置于四通道成像镜前，调节四通道偏振器的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道偏振器的每个偏振单元的中心位置，使各偏振单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道偏振器各偏振通道的光轴与激光阵列光轴共线；

步骤八、将准直镜放置于四通道偏振器前，调节准直镜的位置和角度，使2 ×2激光阵列在准直镜表面上呈对称分布，且被准直镜表面反射的激光束在激光阵列源平面上也呈对阵分布，保证准直镜的光轴与激光阵列光轴中心共线；

步骤九、移除激光阵列，将红外相机放置于分束器之后，调节红外相机的位置，并利用红外相机进行观测，使双周期阶梯相位反射镜能在红外相机的面阵探测器上清晰成像；

步骤十、将场景目标放置在准直镜的物方焦面上，同时利用红外光源对目标场景进行照明，调节四通道成像镜的纵向平移位置，同时利用红外相机进行观测，使场景目标能在红外相机的面阵探测器上清晰成像，所述双周期阶梯相位反射镜位于四通道成像镜的像方焦面；

然后调整四通道成像镜和四通道偏振器的横向位置，同时利用红外相机进行观测，使得红外相机面阵探测器上四通道成像镜的各成像镜单元对应的场景目标的图像位于双周期阶梯相位反射镜上对应于各成像通道的视场区域。

最后调整平面反射镜的纵向平移位置，直到出现干涉图像，双周期阶梯相位反射镜与平面反射镜的镜像距离位于相干长度之内；

步骤十一、移除红外相机，将中继成像镜放置于分束器之后，并将红外面阵探测器放置于中继成像镜之后，通过调节中继成像镜的位置和角度，同时调节红外面阵探测器的位置，使红外面阵探测器上获得清晰的干涉图像，对各个器件进行固定，完成系统集成制作。

本发明的有益效果：本发明提出的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，是一种利用四通道偏振器对入射光场进行空间偏振调制，利用四通道成像镜对四通道偏振光场进行阵列成像，并利用双周期阶梯相位反射镜对各偏振通道的成像光场进行空间相位调制的偏振成像光谱仪器，通过四通道偏振器、四通道成像镜与双周期阶梯相位反射镜之间的光场耦合实现对像场偏振与干涉的调制，从而获取目标场景的四通道偏振干涉图像，通过一次扫描即可获取目标场景的偏振、图像和光谱信息，具有微小型、轻量化、结构简单、集成度高、测量速度快、信息量多等优点。

附图说明

图1为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪原理结构图；

图2为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中四通道成像镜的成像视场与双周期阶梯相位反射镜的光学匹配示意图；

图3为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中四通道偏振器对光场的偏振调制示意图；

图4为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中双周期阶梯相位反射镜对四个偏振像场的相位调制示意图；

图5为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中双周期阶梯相位反射镜的结构示意图；

图6为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中四通道成像镜像方远心成像示意图；

图7为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中的中继成像镜物方远心成像示意图；

图8为本发明所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪中四通道偏振干涉图像示意图；

图9为栅网分束器结构的俯视图；

图10为十种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图 10a、图10c、图10e、图10g、图10i、图10k、图10m、图10o、图10q和图10s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图10b、图10d、图10f、图10h、图10j、图10l、图10n、图10p、图10r和图10t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；

图11中图11a至图11f分别为双面栅棱剖面形状示意图；

图12为四通道网格薄膜分束器的制作过程示意图；

图13为通过多次膜层沉积的方法形成双周期阶梯相位反射镜的过程示意图；

图14为通过多次刻蚀的方法形成双周期阶梯相位反射镜的过程示意图；

图15为通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成双周期阶梯相位反射镜的过程示意图；

图16为基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪的制作过程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图15说明本实施方式，基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜1、四通道偏振器2、四通道成像镜3、分束器 4、平面反射镜5、双周期阶梯相位反射镜6、中继成像镜7和面阵探测器8。

准直镜1将携带目标图像、光谱和偏振信息的入射光准直为平行光，四通道偏振器2将平行光场在横向空间按照不同的偏振状态分割为四个并行的偏振通道，从而目标光场经四通道偏振器2后被调制为四种不同的偏振状态。被四通道偏振器2调制后的出射光场可以是四个具有不同偏振方向的线偏振态，也可以是线偏振态和圆偏振态的组合。

四个具有不同偏振状态的光场经过四通道成像镜3在其像方焦面上形成以 2×2方式排布的偏振像场阵列，每一个偏振像场单元对应于光场的一种偏振状态。而分束器4将偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到平面反射镜5和双周期阶梯相位反射镜6上，从而将偏振像场阵列相对于分束器分成两个相干的偏振像场阵列。入射到双周期阶梯相位反射镜6上的偏振像场阵列被双周期阶梯相位反射镜6以空间分布形式的相位量调制后返回分束器4，经过中继成像镜8与被平面反射镜5反射的偏振光场阵列在面阵探测器9上相干叠加，形成以2×2方式排布的偏振干涉图像阵列。

双周期阶梯相位反射镜6对四个偏振通道的每个偏振像场单元引入空间分布形式的相位调制量，通过合理的设计双周期阶梯相位反射镜的结构，使四个偏振通道对应的相干像场的相位调制量具有相同的分布形式，从而与平面反射镜反射的偏振像场相干叠加后，形成的偏振干涉图像阵列的四个偏振干涉图像单元携带相同的相位差分布信息，从而实现偏振信息、干涉信息及成像信息的集成探测。通过对目标场景进行扫描，每次扫描的步进视场对应双周期阶梯相位反射镜上一个阶梯宽度的距离，从而获取对应四个偏振状态的干涉图像数据立方。对偏振干涉图像数据立方进行偏振剪切、干涉剪切、图像拼接、干涉拼接、光谱复原和偏振解算，即可获得目标场景的图像信息、光谱信息和斯托克斯偏振信息。

结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的四通道偏振器2的每个偏振通道与四通道成像镜3的每个成像通道一一对应，构成四通道偏振成像系统。四通道成像镜3的每个成像通道的像方视场对应于双周期阶梯相位反射镜6上四分之一的区域，从而使每个偏振通道最终在探测器上对应一个干涉图像序列。四通道成像镜3的每个成像通道的像方视场是圆形视场，设为Φ₁，双周期阶梯相位反射镜6为方形孔径，设为D×D，为了实现四通道成像镜3与双周期阶梯相位反射镜6之间视场的光学匹配，四通道成像镜3对应的圆形成像视场与双周期阶梯相位反射镜6的方形孔径之间为四通道相切相接结构。四通道成像镜的每个圆形像方视场9分别与双周期阶梯相位反射镜6的两条中线相切，同时与双周期阶梯相位反射镜6的相应角点相接。因此，四通道成像镜的每个圆形像方视场Φ₁与双周期阶梯相位反射镜的边长D之间的关系为为了保证四个成像通道在双周期阶梯相位反射镜上具有相同的像方视场，每个成像通道位于双周期阶梯相位反射镜上的有效干涉区域的有效视场10为即双周期阶梯相位反射镜对应于每个成像通道的有效面积为同时为了实现中继成像镜7与双周期阶梯相位反射镜6光学视场的匹配，设中继成像镜7的物方视场11为Φ₂，则中继成像镜的物方视场Φ₂与双周期阶梯相位反射镜边长D之间的关系为

结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的四通道偏振器2对入射光场的偏振态进行调制，四通道偏振器2可以是四个具有不同偏振方向的线偏振片阵列，也可以是线偏振片与波片的组合结构。线偏振片采用硒化锌(ZnSe)、硫化锌 (ZnS)、硅(Si)、氯化银(AgCl)、聚乙烯等红外透射材料，通过在材料表面复制或刻划出沟槽，并蒸镀密集的平行金属线，金属线材料为铝(Al)、金(Au)或铬(Cr)，形成线栅，实现对入射光偏振态的调制。线偏振片两个表面的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm，λ为波长。当四通道偏振器2采用偏振方向分别为0°、45°、 90°和135°的四个方向的线偏振片阵列时，入射光场经四通道偏振器透射得到的是0°、45°、90°和135°四个线偏振态的出射光场。而当四个线偏振片阵列后加入波片阵列时，将会得到圆偏振态的出射光场。图3a为当四通道偏振器采用0°、45°、90°和135°四个偏振方向的线偏振片阵列时，出射光场对应的偏振态是0°线偏振态2-1，45°线偏振态2-2，90°线偏振态2-3和135°线偏振态2-4。图3b为四通道偏振器采用偏振片阵列与波片的组合结构时出射光场对应的四个偏振状态，其中线偏振片阵列的偏振方向分别为0°、60°、120°和45°，而在45°偏振片后设置一个四分之一波片，从而出射光场对应的偏振态为0°线偏振态2-1，60°线偏振态 2-5，120°线偏振态2-6和圆偏振态2-7。

本实施方式所述的平面反射镜5与双周期阶梯相位反射镜6相对于分束器4 处于镜像位置。

结合图4说明本实施方式，所述双周期阶梯相位反射镜6的第一个周期对四通道偏振像场中的两个偏振通道像场的相位进行分布式调制，双周期阶梯相位反射镜6的第二个周期对四通道偏振像场中另外两个偏振通道像场的相位进行分布式调制。当四个偏振通道分别对应0°、45°、90°和135°的四个线偏振态时，双周期阶梯相位反射镜6的第一个周期6-1对0°和135°两个线偏振通道像场的相位进行分布式调制，而双周期阶梯相位反射镜6的第二个周期6-2对45°和90°两个线偏振通道像场的相位进行分布式调制，从而使四个偏振通道的成像光场均受到干涉调制。

结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的双周期阶梯相位反射镜的阶梯高度h及阶梯级数N决定了被分束器分开的两相干光束的相位差调制序列。为了保证四个偏振通道的成像光场具有相同的相位差调制序列，双周期阶梯相位反射镜的两个周期具有相同的阶梯高度与阶梯级数。双周期阶梯相位反射镜的边长为D，双周期阶梯相位反射镜的每个周期各占其总体尺寸的一半，但每个周期有效的干涉区域6-3和6-4为且两个周期之间的中心距离为每个周期为以阶梯高度h逐级递增的阶梯结构，从而对入射光场产生相同分布的相位调制序列。为了实现干涉图的有效采样，阶梯高度要求h≤λ/4。当平面反射镜5与双周期阶梯相位反射镜6最低的阶梯相对于分束器镜像重合时，设光波信号的波数为ν，双周期阶梯相位反射镜每个周期相邻两个阶梯之间对应的相位差为则双周期阶梯相位反射镜的每个周期对入射光场形成的相位调制序列，这样四个偏振通道的干涉图像对应相同的相位差序列。

结合图6说明本实施方式，本实施方式所述的四通道成像镜3将四个偏振通道的图像成到双周期阶梯相位反射镜6的不同象限，从而得到2×2的偏振图像阵列。四通道成像镜工作于红外波段，采用硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料制作。为了防止不同偏振通道之间光场的串扰，四通道成像镜3的每个成像通道均采用像方远心光路结构。四通道成像镜3由前组成像镜阵列3-1、后组成像镜阵列3-2和光阑阵列3-3组成，其中后组成像镜阵列3-2中每个成像镜单元的物方焦面位于前组成像镜阵列3-1对应的成像镜单元上，光阑阵列3-3的每个光阑单元位于前组成像镜阵列3-1的各个成像镜单元前，并且光阑阵列3-3的每个光阑单元中镶嵌偏振器单元。因此，光阑阵列3-3的位置即为四通道偏振器2的位置，也为准直镜1的出射光瞳位置，从而实现四通道成像镜与准直镜光瞳的衔接。由此，目标物体12，经过准直镜1、四通道偏振器2和四通道成像镜，在其像方焦面上形成偏振图像阵列13，且每个偏振图像单元的成像光束的主光线垂直于双周期阶梯相位反射镜的各个反射面。

结合图7说明本实施方式，本实施方式所述的中继成像镜7将四通道成像镜3 成在平面反射镜5与双周期阶梯相位反射镜6上的两个2×2的偏振图像阵列叠加到红外面阵探测器8上形成偏振干涉图像阵列。中继成像镜工作于红外波段，采用硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料制作。红外面阵探测器8由红外焦平面阵列8-1与冷屏光阑8-2构成，红外焦平面阵列8-1采用锑化铟(InSb)或碲镉汞 (HgCdTe)材料。中继成像镜7采用物方远心光路结构，与四通道成像镜3需要实现数值孔径的匹配，同时中继成像镜7的出射光瞳需要与红外面阵探测器8的冷屏光阑相匹配。将中继成像镜7的出射光瞳设置于其像方焦面上，并将红外面阵探测器的冷屏光阑8-2与中继成像镜的像方焦面重合，同时保证双周期阶梯相位反射镜与红外面阵探测器的焦平面阵列之间的物像关系，继而实现中继成像系统出射光瞳与冷屏光阑的匹配，从而使来自两个偏振像场阵列的入射光束的主光线平行于光轴，最终在红外面阵探测器的焦平面阵列上干涉成像。设四通道成像镜3的像方数值孔径为NA₁，中继成像镜7的物方数值孔径为NA₂，则数值孔径的匹配应满足关系NA₂＝NA₁。由此，位于平面反射镜5与双周期阶梯相位反射镜6上的两个2×2的偏振图像阵列13经中继成像镜7叠加到面阵探测器8的焦平面阵列上形成偏振干涉图像阵列14。

结合图8说明本实施方式，本实施方式所述的面阵探测器8用于接收偏振干涉图像阵列。偏振干涉图像阵列由四个偏振干涉图像单元构成，每一个偏振干涉图像单元对应于光场的一个偏振态。当四个偏振通道分别采用0°、45°、90°和135°四个偏振方向的偏振器时，偏振干涉图像单元14-1对应0°偏振态干涉图像，偏振干涉图像单元14-2对应45°偏振态干涉图像，偏振干涉图像单元14-3对应90°偏振态干涉图像，偏振干涉图像单元14-4对应135°偏振态干涉图像。每一个偏振干涉图像单元的图像灰度均受到双周期阶梯相位反射镜的空间分布式相位调制，从而使得每一个偏振干涉图像单元均为干涉条纹对光强图像进行调制形成的调制像。

本实施方式中，分束器3在红外波段可采用平行平板结构，由分束板与补偿板构成，分束板采用硒化锌(ZnSe)、溴化钾(KBr)或碘化铯(CsI)等红外光学材料作为基底材料，或是采用非掺杂的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底材料；补偿板采用与分束板相同的基底材料。分束板与补偿板两个表面的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm。对于高折射率的基底，第一个表面不需要镀分束膜，只需要在第二个表面镀增透膜。对于低折射率的基底，只需要在基底的第一个表面沉积宽带分束膜，使其反射率接近0.5。而对于中间折射率的基底，既需要镀分束膜，也需要增透膜。当采用高折射率的硅材料作为半导体分束器的基底时，硅基底材料对应于折射率为3.4，镀层材料可以选择为锗和聚乙烯或聚丙烯。不同偏振方向的光强反射率差值可以通过降低光束在分束器上的入射角而减小。由双周期阶梯相位反射镜的尺寸D，且分束板和补偿板与光轴方向呈45°放置，则分束板和补偿板的尺寸为

结合图9至图11说明本实施方式，分束器也可采用四通道网格薄膜分束器，四通道网格薄膜分束器是利用四通道网格结构对分束薄膜进行支撑。由于分束薄膜太薄，不能自支撑，采用四通道网格结构将分束薄膜支撑住。四通道网格结构采用半导体材料，分束薄膜采用聚酯薄膜。四通道网格结构需要与半阶梯半平面相位反射镜的结构相互匹配。四通道网格薄膜分束器与系统光轴呈45°放置，由半阶梯半平面相位反射镜的几何参数，四通道网格薄膜分束器每个通道的尺寸为四通道网格薄膜分束器的网格结构由栅棱3-1和分束窗3-2组成，窗棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，窗口在横向的宽度是其纵向宽度的倍，窗口在横向和纵向具有相同的占空比。由于窗口的尺寸决定了系统的光通量，因此窗口的面积远远大于窗棱的面积。每个窗口在两个半阶梯半平面相位反射镜上的投影应覆盖每个半阶梯半平面相位反射镜上对应于每个成像通道的有效视场区域。因此，四通道网格薄膜分束器每个窗口的尺寸应大于等于

结合图12说明本实施方式，对于四通道网格薄膜分束器，首先进行四通道网格结构的制作。四通道网格结构采用微光机电系统(MOEMS)工艺制作，选取非掺杂的硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料作为基底，首先在半导体基底材料上旋涂一层光刻胶，然后将具有四通道网格图形的掩模板放在旋涂完光刻胶的基底上，通过曝光和显影，去除位于窗口位置处的光刻胶，露出窗口位置处的半导体基底表面，如图12a。接着采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术，去除窗口位置处的半导体基底材料，形成镂空结构，如图12b。最后去除窗棱位置处的光刻胶，便形成四通道网格结构，如图12c。将聚酯薄膜固定在四通道网格结构上，利用窗棱对聚酯薄膜进行支撑，利用窗口实现聚酯薄膜的分束，最终完成四通道网格薄膜分束器的制作，如图12d。

结合图13说明本实施方式，双周期阶梯相位反射镜可以在玻璃、石英(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料的基底上，通过多次膜层沉积的方法形成双周期阶梯相位反射镜结构。首先在玻璃、石英(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料的基底旋涂一层光刻胶如图13a所示，通过掩模、曝光和显影，在每个周期内去除一定宽度的光刻胶，露出一定宽度的基底表面，如图 13b所示，然后采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺蒸镀一定厚度的膜层，如图13c所示，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，每个周期便形成两个台阶结构，如图13d所示。接着再次对该结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出一定宽度的表面，如图13e所示，然后再次采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺进行膜层沉积，该膜层厚度是上一次镀膜膜层厚度的一半，如图13f所示。最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，每个周期便形成四个台阶结构，如图 13g所示。循环该过程，每次膜层的厚度是上一次膜层厚度的一半，便可以获得需要的双周期阶梯相位反射镜结构。

结合图14说明本实施方式，双周期阶梯相位反射镜也可以在硅(Si)、锗(Ge) 和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过多次刻蚀的方法形成双周期阶梯相位反射镜结构；首先在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底旋涂一层光刻胶如图14a所示，通过掩模、曝光和显影，在每个周期内去除一定宽度的光刻胶，露出一定宽度的基底表面，如图14b所示，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行一定深度的刻蚀，如图14c所示，再去除掩模部分的光刻胶，每个周期便形成两个台阶结构，如图14d所示。接着再次对该结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出一定宽度的基底表面，如图14e所示，然后再次采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行一定深度的刻蚀，刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，如图14f所示。最后去除掩模部分的光刻胶，每个周期便形成四个台阶结构，如图14g所示。循环该过程，每次刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，便可以获得需要的双周期阶梯相位反射镜结构。

结合图15说明本实施方式，双周期阶梯相位反射镜或是在硅(Si)、锗(Ge) 和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底上，通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成双周期阶梯相位反射镜结构；首先在硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料的基底旋涂一层光刻胶如图15a所示，通过掩模、曝光和显影，在每个周期内去除一定宽度的光刻胶，露出一定宽度的基底表面，如图15b所示，然后采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺对裸露的基底表面进行一定深度的刻蚀，如图15c 所示，再去除掩模部分的光刻胶，每个周期便形成两个台阶结构，如图15d所示。接着再次对该结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出一定宽度的表面，如图15e所示，然后采用电子束蒸发或磁控溅射等镀膜工艺进行膜层沉积，该膜层厚度是上一次刻蚀深度的一半，如图15f所示。最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，每个周期便形成四个台阶结构，如图15g所示。在实际操作过程中，通过先循环刻蚀过程，形成一定级数的阶梯，再循环镀膜过程，最终可以获得需要的双周期阶梯相位反射镜结构。

双周期阶梯相位反射镜结构制作完成之后，在双周期阶梯结构表面蒸镀金 (Au)、铝(Al)等高反射率材料的反射膜层，最终形成双周期阶梯相位反射镜。双周期阶梯相位反射镜6各阶梯单元的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm。

具体实施方式二、结合图16说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪的制作方法，采用可见激光阵列标定与红外相机观测相结合的方法进行系统的集成制作。具体方法如下：

(1)首先采用2×2可见激光阵列标定系统光轴，激光阵列具有四个激光源，四个激光源之间的距离等于四通道偏振器各偏振单元之间的中心距。通过调节2×2激光阵列源的位置和角度，使得2×2激光阵列的四条光轴平行。

(2)在光路中插入一块45°可见光分光棱镜，将激光阵列分成两路。通过调节分光棱镜的位置和角度，使得透射激光束与激光阵列光束共线，反射激光束与激光阵列光束垂直。

(3)将双周期阶梯相位反射镜放置在2×2反射激光阵列的光路中，通过调节双周期阶梯相位反射镜的位置和角度，使得反射激光阵列光路中的四条激光束入射到双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且入射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证双周期阶梯相位反射镜与2×2激光阵列的光轴垂直。

(4)将平面反射镜放置在2×2透射激光阵列的光路中，通过调节平面反射镜的位置和角度，使得透射激光阵列光路中的四条激光束在平面反射镜上均匀分布，且入射到平面反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证平面反射镜与2 ×2激光阵列的光轴共线，如图16a。

(5)移除可见光分光棱镜，将平行平板分束器或四通道网格薄膜分束器放置于可见光分光棱镜的位置。由于平板分束器和四通道网格薄膜分束器工作于红外波段，对可见激光阵列只反射而不透射，因此利用反射光路进行平板分束器或四通道网格薄膜分束器的调节。对于平行平板分束器，通过调节平行平板分束器的位置和角度，使得反射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束位于双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且被双周期阶梯相位反射镜反射的光束沿原路返回。对于四通道网格薄膜分束器，通过调节四通道网格薄膜分束器的位置和角度，使得2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道网格薄膜分束器各窗口的中心位置，同时使得反射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束位于双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心位置，且被双周期阶梯相位反射镜反射的光束沿原路返回，如图16b。

(6)将四通道成像镜放置于前置光路中，由于四通道成像镜透射红外而反射可见光，通过调节四通道成像镜的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道成像镜的每个成像镜单元的中心位置，并使各成像镜单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，从而保证四通道成像镜各成像通道的光轴与激光阵列光轴共线，如图16c。

(7)将四通道偏振器放置于四通道成像镜前，由于四通道偏振器反射可见光，通过调节四通道偏振器的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道偏振器的每个偏振单元的中心位置，并使各偏振单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，从而保证四通道偏振器各偏振通道的光轴与激光阵列光轴共线，如图16d。

(8)将准直镜放置于四通道偏振器前，由于准直镜反射可见光，通过调节准直镜的位置和角度，使2×2激光阵列在准直镜表面上呈对称分布，且被准直镜表面反射的激光束在激光阵列源平面上也呈对阵分布，从而保证准直镜的光轴与激光阵列光轴中心共线，如图16e。

(9)移除激光阵列，将红外相机放置于分束器之后，调节红外相机的位置，并利用红外相机进行观测，使得双周期阶梯相位反射镜能在红外相机的面阵探测器上清晰成像，如图16f。

(10)将场景目标放置在准直镜的物方焦面上，同时利用红外光源对目标场景进行照明，调节四通道成像镜的纵向平移位置，同时利用红外相机进行观测，使得场景目标能在红外相机的面阵探测器上清晰成像。也就是说红外相机的面阵探测器上同时叠加有双周期阶梯相位反射镜和场景目标的图像。此时，双周期阶梯相位反射镜位于四通道成像镜的像方焦面附近。

然后微调四通道成像镜和四通道偏振器的横向位置，同时利用红外相机进行观测，使得红外相机面阵探测器上四通道成像镜的各成像镜单元对应的场景目标的图像位于双周期阶梯相位反射镜上对应于各成像通道的视场区域。

最后微调平面反射镜的纵向平移位置，直到出现干涉图像为止，此时双周期阶梯相位反射镜与平面反射镜的镜像距离位于相干长度之内，如16g。

(11)移除红外相机，将中继成像镜放置于分束器之后，并将红外面阵探测器放置于中继成像镜之后，通过调节中继成像镜的位置和角度，同时调节红外面阵探测器的位置，使红外面阵探测器上获得清晰的干涉图像，如图16h，对各个器件进行固定，完成系统集成。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。只要功能未改变，基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪在上述说明的基础上，其基本元件就可做出其它不同形式的变化或变动而不超出本公开的范围，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜(1)、四通道偏振器(2)、四通道成像镜(3)、分束器(4)、平面反射镜(5)、双周期阶梯相位反射镜(6)、中继成像镜(7)和面阵探测器(8)，其特征是；

携带目标偏振图谱信息的入射光场经准直镜(1)被准直为平行光场，所述平行光场经四通道偏振器(2)分为四个偏振状态，并在四通道成像镜(3)的像方焦面形成偏振像场阵列；

分束器(4)将所述偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到平面反射镜(5)和双周期阶梯相位反射镜(6)上形成两个相干偏振像场阵列；双周期阶梯相位反射镜(6)对所述偏振像场阵列中每个偏振像场单元进行相位调制后返回分束器，经中继成像镜(7)在面阵探测器(8)上与平面反射镜(5)反射的偏振光场叠加成像；

其特征是；

所述四通道偏振器(3)的每个偏振通道与四通道成像镜(4)的每个成像通道一一对应，每个偏振通道对应出射光场的一种偏振态；所述四通道成像镜(4)对横向空间形成四个成像通道；所述的每个成像通道对应一个偏振通道，从而对应一个偏振像场；且每个成像通道的像方视场对应于双周期阶梯相位反射镜的一个象限，不同偏振像场单元受到双周期阶梯相位反射镜不同区域的调制，面阵探测器(8)像面获得具有四个不同偏振状态且每个偏振状态具有相位差空间分布形式的偏振干涉图像阵列；

所述四通道成像镜(4)的四个成像镜通道的圆形视场阵列与双周期阶梯相位反射镜对应的方形孔径之间为四通道相切相接结构，即四通道成像镜的每个圆形成像视场分别与双周期阶梯相位反射镜的两条中线相切，同时与双周期阶梯相位反射镜的角点相接；

所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；

栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；

所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；

所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于；采用超精密机械加工方法和MOEMS技术实现分束器的制备；

采用超精密机械加工方法制备过程为：在基底上通过一体切割、研磨及抛光技术获得栅棱和分束窗，再整体蒸镀分束膜，完成器件制备；

采用MOEMS技术实现分束器的制备由以下步骤实现：

步骤一、选取单晶硅作为基底，并在所述单晶硅表面制备掩蔽膜；

步骤二、定向光刻，通过刻蚀法去除边槽图形内的掩蔽膜，露出边槽图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽，边槽腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；

步骤三、第二次光刻，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出分束窗图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，分束窗达到最终的厚度；

步骤四、去除栅棱表面的掩蔽膜，整体蒸镀分束膜，完成分束器的制备。

3.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，所述双周期阶梯相位反射镜(6)的第一个周期对四通道偏振像场其中的两个偏振通道的像场进行分布式相位调制，另一个周期对四通道偏振像场另外两个偏振通道的像场进行分布式相位调制。

4.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，所述四通道成像镜(4)的每个圆形像方视场Φ₁与双周期阶梯相位反射镜的边长D之间的关系为每个成像通道位于双周期阶梯相位反射镜上的有效干涉区域的有效视场为即双周期阶梯相位反射镜对应于每个成像通道的有效面积为

5.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，

双周期阶梯相位反射镜(6)的每个周期各占其总体尺寸的一半，且两个周期之间的中心距离为每个周期为以阶梯高度h逐级递增的阶梯结构，对入射光场产生相同分布的相位调制序列，所述阶梯高度h≤λ/4；各阶梯单元的平面度≤λ/20，表面粗糙度≤3nm。

6.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，

当平面反射镜(5)与双周期阶梯相位反射镜(6)的最低阶梯相对于分束器(4)镜像重合时，则双周期阶梯相位反射镜每个周期相邻两个阶梯之间对应的相位差为则双周期阶梯相位反射镜的每个周期将形成的相位差序列，ν为光波的波数。

7.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，四通道成像镜(3)采用像方远心光路结构，四通道成像镜由前组成像镜阵列(3-1)、后组成像镜阵列(3-2)和光阑阵列(3-3)组成，且前组成像镜阵列的每个微成像镜单元位于后组成像镜阵列对应成像镜单元的物方焦面上，光阑阵列(3-3)位于前组成像镜阵列(3-1)的每个微成像镜单元前，并且光阑阵列(3-3)的每个光阑单元中镶嵌偏振器单元，

光阑阵列(3-3)的位置即为四通道偏振器(2)的位置，同时为准直镜(1)的出射光瞳位置，实现四通道成像镜(3)与准直镜(1)光瞳的衔接。

8.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，中继成像镜(7)采用物方远心光路结构，中继成像镜(6)与面阵探测器(8)的冷屏光阑相匹配，即面阵探测器(8)的冷屏光阑位于中继成像镜的像方焦面上，中继成像镜(7)与四通道成像镜(3)实现数值孔径的匹配，设四通道成像镜(3)的像方数值孔径为NA₁，中继成像镜(7)的物方数值孔径为NA₂，则数值孔径的匹配应满足关系NA₂＝NA₁。

9.根据权利要求1所述的基于阶梯相位反射镜的偏振干涉成像光谱仪的制作方法，其特征是；采用可见激光阵列标定与红外相机观测相结合的方法进行系统的集成制作，具体步骤为：

步骤一、采用2×2可见激光阵列标定系统光轴，激光阵列具有四个激光源，四个激光源之间的距离等于四通道偏振器各偏振单元之间的中心距，通过调节2×2激光阵列源的位置和角度，使2×2激光阵列的四条光轴平行；

步骤二、在光路中插入一块45°可见光分光棱镜，将激光阵列分成两路；通过调节分光棱镜的位置和角度，使透射激光束与激光阵列光束共线，反射激光束与激光阵列光束垂直；

步骤三、将双周期阶梯相位反射镜放置在2×2反射激光阵列的光路中，通过调节双周期阶梯相位反射镜的位置和角度，使反射激光阵列光路中的四条激光束入射到双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且入射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证双周期阶梯相位反射镜与2×2激光阵列的光轴垂直；

步骤四、将平面反射镜放置在2×2透射激光阵列的光路中，通过调节平面反射镜的位置和角度，使透射激光阵列光路中的四条激光束在平面反射镜上均匀分布，且入射到平面反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证平面反射镜与2×2激光阵列的光轴共线；

步骤五、移除可见光分光棱镜，将分束器置于可见光分光棱镜的位置，调节分束器的位置和角度，使反射到双周期阶梯相位反射镜上的四条激光束位于双周期阶梯相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且被双周期阶梯相位反射镜反射的光束沿原路返回；

步骤六、将四通道成像镜放置于前置光路中，由于四通道成像镜透射红外而反射可见光，通过调节四通道成像镜的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道成像镜的每个成像镜单元的中心位置，并使各成像镜单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道成像镜各成像通道的光轴与激光阵列光轴共线；

步骤七、将四通道偏振器放置于四通道成像镜前，调节四通道偏振器的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道偏振器的每个偏振单元的中心位置，使各偏振单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道偏振器各偏振通道的光轴与激光阵列光轴共线；

步骤八、将准直镜放置于四通道偏振器前，调节准直镜的位置和角度，使2×2激光阵列在准直镜表面上呈对称分布，且被准直镜表面反射的激光束在激光阵列源平面上也呈对阵分布，保证准直镜的光轴与激光阵列光轴中心共线；

步骤九、移除激光阵列，将红外相机放置于分束器之后，调节红外相机的位置，并利用红外相机进行观测，使双周期阶梯相位反射镜能在红外相机的面阵探测器上清晰成像；

步骤十、将场景目标放置在准直镜的物方焦面上，同时利用红外光源对目标场景进行照明，调节四通道成像镜的纵向平移位置，同时利用红外相机进行观测，使场景目标能在红外相机的面阵探测器上清晰成像，所述双周期阶梯相位反射镜位于四通道成像镜的像方焦面；

然后调整四通道成像镜和四通道偏振器的横向位置，同时利用红外相机进行观测，使得红外相机面阵探测器上四通道成像镜的各成像镜单元对应的场景目标的图像位于双周期阶梯相位反射镜上对应于各成像通道的视场区域。

最后调整平面反射镜的纵向平移位置，直到出现干涉图像，双周期阶梯相位反射镜与平面反射镜的镜像距离位于相干长度之内；

步骤十一、移除红外相机，将中继成像镜放置于分束器之后，并将红外面阵探测器放置于中继成像镜之后，通过调节中继成像镜的位置和角度，同时调节红外面阵探测器的位置，使红外面阵探测器上获得清晰的干涉图像，对各个器件进行固定，完成系统集成制作。