CN108180992A - 基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪 - Google Patents

基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪 Download PDF

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Abstract

基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，涉及红外成像光谱探测仪器技术领域，解决传统成像光谱仪中三维数据立方体的实时获取以及成像光谱仪器的微小型化问题，包括准直镜、微成像镜阵列、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器。利用微成像镜阵列对目标场景进行多重成像，并利用阶梯相位反射镜对多重像场进行分布式相位调制的成像光谱仪器，通过微成像镜阵列形成的并行成像通道与阶梯相位反射镜形成的并行干涉通道之间的光场耦合，实现对目标场景的多通道快照式干涉成像，无需复杂的运动机构，具有微小型、静态化、稳定性强、集成度高、探测速度快等优点。

Description

基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪
技术领域
本发明涉及红外成像光谱探测仪器技术领域中的一种快照红外干涉成像光谱仪，具体涉及一种利用微成像镜阵列进行多重成像并利用阶梯相位反射镜对各成像通道的光场进行分布式相位调制以实现干涉的多通道微型快照红外干涉成像光谱仪。
背景技术
图像特征和光谱特征是人们识别物质的重要手段，对目标图像和光谱特征的有效探测可以大大提高人们认识世界的能力。成像特征探测用于记录物体的位置和强度信息，光谱特征探测则根据不同物质所特有的发射、反射、透射光谱，获取与波长相关的信息。随着科学与工程技术的发展，现代测量仪器趋于发展图像与光谱双模式的探测能力，即在一台仪器上集成成像与光谱测量功能，对同一目标的图谱信息进行同步测量，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。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具有极其重要的使用价值，因此结合图谱测量功能的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位置光强信息，光谱信息为一维波长功率谱信息，因此成像光谱仪获取的是三维的数据立方。目前，大部分成像光谱仪采用二维面阵探测器加一维时间推扫的方式来获取三维数据立方体，时间推扫可以是对线物作推扫，也可以是对波长或光程差作推扫。无论是对线物作推扫还是对波长或光程差作推扫，其时间的推扫过程使得其不利于动态场景目标的探测，从而降低了对于目标信息识别的时效性。
发明内容
本发明为解决现有传统成像光谱仪中三维数据立方体的实时获取以及成像光谱仪器的微小型化问题，提供一种基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪。
基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜、微成像镜阵列、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器；携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜被准直为平行光束，微成像镜阵列将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道，在其像方焦面上形成阵列像；
分束器将阵列像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜上，所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜分别对像场进行相位调制形成多个并行的干涉通道；所述成像通道与干涉通道一一对应，所述成像通道中的光场在各干涉通道中并行传输，所述中继成像镜将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器形成干涉图像阵列；
设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜中各行反射镜单元和列反射镜单元的宽度为a，则每个干涉通道的孔径为a×a，微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构。
设横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，微成像镜阵列的每个成像镜单元的像方视场为Φ1，则微成像镜单元的数目为M×N，且每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a 之间的关系为Φ1＝a；
设横向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为h，则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh；横向阶梯相位反射镜4的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合，则第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM-m-n0M+m0)h；微成像镜阵列每个成像镜单元的焦深Z满足Z ≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh}；ν为光波的波数；
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。
本发明的有益效果：本发明提出的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，是一种利用微成像镜阵列对目标场景进行多重成像，并利用阶梯相位反射镜对多重像场进行分布式相位调制的成像光谱仪器，通过微成像镜阵列形成的并行成像通道与阶梯相位反射镜形成的并行干涉通道之间的光场耦合，实现对目标场景的多通道快照式干涉成像，无需复杂的运动机构，具有微小型、静态化、稳定性强、集成度高、探测速度快等优点。
本发明的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，通过一次测量即可获取目标图谱合一的三维数据立方，无需扫描，具有较高的实时性。
附图说明
图1为本发明的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪原理结构图；
图2为的微成像镜阵列的像方视场阵列与各干涉通道的光学匹配示意图；
图3为横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器的镜像位置及形成的相位差分布示意图
图4为图1中所示具体实施方式中的微成像镜阵列的像方远心多重成像示意图；
图5为中继成像系统的物方远心成像示意图；
图6为图像光谱三维数据重构示意图；
图7为本发明所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中栅网分束器的府视图；
图8为十种栅网分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图 8a、图8c、图8e、图8g、图8i、图8k、图8m、图8o、图8q和图8s为十种栅网分束器的主视剖面图；右侧部分的图8b、图8d、图8f、图8h、图8j、图8l、图8n、图 8p、图8r和图8t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；
图9中图9a至图9f分别为双面栅棱剖面形状示意图；
图10为栅条分束器结构的俯视图；
图11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 11a、图11c、图11e、图11g、图11i、图11k、图11m、图11o、图11q和图11s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图11b、图11d、图11f、图11h、图11j、图11l、图11n、图11p、图11r和图11t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；
图12为栅网薄膜分束器的制备过程示意图；
图13为栅条薄膜分束器的制备过程示意图；
图14为通过多次膜层沉积的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；
图15为通过多次刻蚀的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；
图16为通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；
图17为通过切削的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；
图18为微成像镜阵列选择折射型微成像镜阵列时的制作过程示意图；
图19为微成像镜阵列选择衍射型微成像镜阵列时的制作过程示意图。
具体实施方式
结合图1至图19说明本实施方式，基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜1、微成像镜阵列2、分束器3、横向阶梯相位反射镜 4、纵向阶梯相位反射镜5、中继成像镜6和面阵探测器7。
携带目标图像和光谱信息的光场经准直镜1被准直为平行光束，微成像镜阵列2将平行光束在横向空间进行空域分割，形成多个并行的成像通道，并在其像方焦面上进行阵列成像；
分束器3将阵列像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5上，从而获得目标的两个相干像场阵列。横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5相对于分束器3处于镜像位置，且横向阶梯相位反射镜4的阶梯方向与纵向阶梯相位反射镜5的阶梯方向互相正交，从而将横向空间分割成多个独立定域，每个定域对应于横向阶梯相位反射镜4的一个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的一个列反射镜单元，横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5对微成像镜阵列形成的像场阵列引入空间分布形式的相位调制量，从而形成多个并行的干涉通道，使得两相干像场阵列发生干涉时对应特定空间分布的相位差。
微成像镜阵列形成的成像通道与阶梯相位反射镜形成的干涉通道一一对应，从而使得各个成像通道的成像光场被横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5以空间分布形式的相位调制量调制后在干涉通道中并行传输，并经过中继成像镜6，在面阵探测器7上相干叠加形成干涉图像阵列。对二维干涉图像阵列进行图像分割、图像变维和光谱解调的数据重构，最终获取目标场景的三维图谱数据立方。
本实施方式所述的微成像镜阵列2将入射光场分割成多个并行的成像通道，而横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5将入射光场分割为多个并行的干涉通道，每一个成像通道的像方视场对应于横向阶梯相位反射镜的一个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜的一个列反射镜单元交互形成的交叠的方形区域，从而使成像通道与干涉通道一一对应。
具体结合图2说明，微成像镜阵列中每个成像镜单元对应一个像方视场8，均为圆形视场，设为Φ1，而每个干涉通道9均为方形孔径。
设横向阶梯相位反射镜4的每个行反射镜单元的宽度为a，纵向阶梯相位反射镜5的每个列反射镜单元的宽度与横向阶梯相位反射镜4的每个行反射镜单元的宽度相同。则每个干涉通道9的孔径大小为a×a，为了实现成像通道与干涉通道之间的光学匹配，抑制不同成像通道之间的光学串扰，微成像镜阵列中每个成像镜单元的圆形像方视场8与每个干涉通道9的方形孔径之间需为内切结构，即微成像镜阵列的每个成像镜单元的圆形像方视场为每个干涉通道方形孔径的内切圆。因此，每个成像通道的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1＝a。同时为了实现中继成像镜6对各干涉通道光场的耦合传输，设横向阶梯相位反射镜4的阶梯级数为M，纵向阶梯相位反射镜5的阶梯级数为N，中继成像镜6的物方视场10为Φ2，则中继成像镜6的物方视场Φ2与阶梯相位反射镜的宽度a和级数之间的关系应满足
本实施方式所述的横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5由多个反射镜单元组成，且具有不同的厚度分布。阶梯相位反射镜每一个反射镜单元对应一个厚度值，不同厚度的反射镜单元顺序排列成阶梯结构。具体结合图3 说明，以横向阶梯相位反射镜4的第0个行反射镜单元4-1为基准，设第1个行反射镜单元4-2相对于第0个行反射镜单元4-1的厚度为h，光波信号的波数为ν，则第M-1个行反射镜单元相对于第0个行反射镜单元的厚度为(M-1)h，从而第M-1个行反射镜单元相对于第0个行反射镜单元引入的相位调制量为 4πν(M-1)h。同时，纵向阶梯相位反射镜5的第1个列反射镜单元5-2相对于第0 个列反射镜单元5-1的厚度为Mh，则第N-1个列反射镜单元相对于第0个列反射镜单元的厚度为(N-1)Mh，从而第N-1个列反射镜单元相对于第0个列反射镜单元引入的相位调制量为4πν(N-1)Mh。为了实现干涉图的有效采样，厚度要求 h≤λ/4。横向阶梯相位反射镜4与纵向阶梯相位反射镜5对光场的相位调制作用可以表示为
式中，(x,y)为坐标点，j为虚数，rect()为矩形函数。
横向阶梯相位反射镜4的行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的列反射镜单元相互正交形成多个独立的干涉通道，每一个干涉通道对应一个相位差。当纵向阶梯相位反射镜5的第0个列反射镜单元5-1与横向阶梯相位反射镜4的第 M-1个行反射镜单元4-3相对于分束器镜像重合时，则第(M-1,0)个干涉通道所对应的相位差为0，第(M-2,0)个干涉通道所对应的相位差为第(M-3,0)个干涉通道所对应的相位差为第(0,0)个干涉通道所对应的相位差为第(M-1,1)个干涉通道所对应的相位差为第 (M-2,1)个干涉通道所对应的相位差为依次类推，第(m,n) 个干涉通道所对应的相位差为从而横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜在横向空间形成相位差阵列11，每一个相位差空域对应一个干涉通道。
当横向阶梯相位反射镜4的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合时，第(m0,n0)个干涉通道所对应的相位差为0，第(m0-1,n0)个干涉通道所对应的相位差为第(m0+1,n0)个干涉通道所对应的相位差为依次类推，第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为由此，通过控制横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯反射镜阵列不同反射镜单元相对于分束器的镜像重合，可以对干涉图像进行单边采样，双边采样和小双边采样。
当横向阶梯相位反射镜4的第m0个行反射镜单元和纵向阶梯相位反射镜5的第n0个列反射镜单元位于微成像镜阵列2的第(m0,n0)个成像镜单元的像方焦面上时，为了实现良好的成像质量，横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5 的其余反射镜单元应位于微成像镜阵列2其余成像镜单元的像方焦深之内。设微成像镜阵列2中每个成像镜单元的焦深为Z，则每个成像镜单元的焦深应满足关系Z≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh}。
具体结合图4说明本实施方式，为了实现成像通道与干涉通道之间的光学耦合，并抑制各成像通道与各干涉通道之间光信号的串扰，各成像通道所对应的成像光束的主光线必须与各干涉通道所对应的两个阶梯相位反射镜的反射面保持正入射关系。由此，微成像镜阵列采用多重像方远心光路结构。微成像镜阵列2由前组微成像镜阵列2-1、后组微成像镜阵列2-2和光阑阵列2-3组成，其中前组微成像镜阵列2-1中的每一个微成像镜单元位于后组微成像镜阵列2-2所对应的微成像镜单元的物方焦面上，并将光阑阵列2-3设置于前组微成像镜阵列2-1的各个微成像镜单元前，该光阑阵列位置也为准直镜1的出射光瞳位置。由此，由目标物体12上各个物点发出的光束，经过准直镜1和微成像镜阵列后，形成图像阵列13，而图像阵列13中各图像单元上各物点对应的成像光束的主光线垂直于各干涉通道的主平面。
具体结合图5说明本实施方式，本实施方式所述的中继成像镜6的作用是将携带有图像与干涉信息的光场传输到红外面阵探测器上进行强度测量。中继成像镜6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7由红外焦平面阵列7-1与冷屏光阑7-2构成，红外焦平面阵列7-1采用锑化铟(InSb)或碲镉汞(HgCdTe)材料。
中继成像镜6的物方数值孔径需要与微成像镜阵列2中各成像镜单元的像方数值孔径相匹配，同时中继成像镜6的出射光瞳需要与红外面阵探测器的冷屏光阑7-2相匹配，因此中继成像镜6为物方远心结构。将中继成像镜6的出射光瞳位置设置在其像方焦面上，并将红外面阵探测器7的冷屏光阑7-2与中继成像镜6的像方焦面重合，同时保证阶梯相位反射镜与红外面阵探测器的焦平面阵列7-1之间的物像关系，继而实现中继成像镜出射光瞳与红外探测器冷屏光阑的匹配，使得来自图像阵列13上各点的出射光束的主光线平行于光轴，经过中继成像镜后在面阵探测器7的红外焦平面阵列7-1上获得干涉图像阵列14。
设微成像镜阵列中各成像镜单元的像方数值孔径为NA1，中继成像镜的物方数值孔径为NA2，则中继成像镜的物方数值孔径应满足关系NA2＝NA1。
具体结合图6说明本实施方式，本实施方式所述的面阵探测器采集到的数据为干涉图像阵列，干涉图像阵列14中含有M×N个干涉图像单元，设每一个干涉图像单元由p×p个像素接收，则面阵探测器共需要pM×pN个像元。对干涉图像阵列14首先需要进行图像分割，将干涉图像阵列14分割成对应不同相位差的干涉图像单元，即将含有pM×pN个像元的干涉图像阵列14分割为M×N个像元数为p×p 的图像单元。然后进行图像变维，将干涉图像单元按照相位差的顺序构造干涉图像数据立方15，即将干涉图像单元按相位差顺序排列为p×p×(M×N)的干涉图像数据立方15。最后进行光谱解调，将干涉图像数据立方15通过傅里叶变换解调为图谱数据立方16，即将干涉图像数据立方15每个p×p平面上的各个物点沿着 (M×N)方向作离散傅里叶变换，最终获得p×p×(M×N)的图谱数据立方16。
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，λ为波长。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。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
分束器也可采用带有栅棱结构的轻薄型分束器，栅网薄膜分束器是利用栅网结构对分束薄膜进行支撑。由于分束薄膜太薄，不能自支撑，采用栅网结构将分束薄膜支撑住。栅网结构采用半导体材料，分束薄膜采用聚酯薄膜。栅网结构需要与阶梯相位反射镜的结构相互匹配。栅网薄膜分束器与系统光轴呈 45°放置，由阶梯相位反射镜的几何参数，栅网薄膜分束器每个网格周期的尺寸为
具体结合图7和图8说明本实施方式，栅网薄膜分束器的栅网结构由栅棱 3-1和分束窗3-2组成，栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗3-2在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗3-2在横向和纵向具有相同的占空比。由于分束窗的尺寸决定了系统的光通量，因此分束窗3-2的面积远远大于栅棱 3-1的面积。每个分束窗3-2在横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5 上的投影位于各个反射镜单元上，而每条栅棱3-1在横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5上的投影位于相邻反射镜单元的交界位置。
栅网分束器两个不同方向的网格个数分别为P和Q，P＝Q或P≠Q；P与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的M方向对应，M与P存在倍数关系；Q与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的N方向对应，N与Q存在倍数关系。
P方向栅网周期为a’+b’，a’为P方向单个棱宽，b’为P方向单个分束窗宽度。其中a’2＝a’3＝…＝a’P；a’1与a’(P+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；b’1＝b’ 2＝…＝b’P。栅网分束器P方向总长度：Lp＝a’1+b’1+a’2+b’2+…+a’P+b’P+a’(P+1)。
Q方向栅网周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’ 1＝d’2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’ (Q+1)。
栅网分束器棱宽度a’、c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度宽度b’、d’范围为 1nm-100cm；栅网分束器棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为 1nm-100cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。
图8中的十种栅网分束器的形状，栅网分束器的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构，图8a、8b，图8e、8f，图8i、8j，图8m、8n，图8q、8r的分束窗与栅棱为同质结构或异质结构；图8c、8d，图8g、8h，图8k、8l，图8o、8p，图8s、8t，的分束窗与栅棱为同质结构。栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面可以为矩形(图8i，图8k，图8m，图8o)、平行四边形(图8a，图8c，图8e，图8g)、梯形(图8q，图8s)、弧形或其它形状。在同一个栅网分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种结构形式，也可以不同。
结合图9，栅网分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形(图9a，图9b)、双面平行四边形(图9c，图9d)、双面梯形(图9e，图9f)或其它形状。
结合图10说明本实施方式，图10为栅条分束器结构方案俯视图，3-1为栅棱，3-2为分束窗。栅条分束器的网格个数为Q，Q与阶梯相位反射镜阶梯相位反射镜的N方向对应，N与Q存在倍数关系。
Q方向栅条周期为c’+d’，c’为Q方向单个棱宽，d’为Q方向单个分束窗宽度。其中c’2＝c’3＝…＝c’Q；c’1与c’(Q+1)可以与其它栅棱相同，也可以不同；d’1＝d’ 2＝…＝d’Q。栅网分束器Q方向总长度：LQ＝c’1+d’1+c’2+d’2+…+c’Q+d’Q+c’(Q+1)。
栅条分束器棱宽度c’范围为1nm-100cm，分束窗宽度宽度d’范围为 1nm-100cm；栅条分束器棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为 1nm-100cm。可以根据具体参数选择加补偿板或者不加，补偿板的结构和材料可以与分束器相同，也可以不同。
栅条分束器的分束窗与栅棱与栅网分束器同理，可以为同质结构或异质结构。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面同样可以为矩形、平行四边形、梯形或其它形状。在同一个栅条分束器中，水平方向的栅棱与垂直方向的栅棱可以是同一种结构形式，也可以不同。
图11为10种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图。栅条分束器结构中，栅棱结构的剖面还可以为双面矩形、双面平行四边形、双面梯形或其它形状。
本实施方式中，栅网分束器及栅条分束器中的栅棱材料可以选金属、非金属无机材料或有机材料，也可以是几种性质的混合材料。如铝、铜、钛、镍、金等金属，氧化铝、陶瓷、石英、玻璃、氟化钙、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅等非金属材料以及具有支撑作用的有机材料。分束窗材料可以为石英、玻璃、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、硒化锌、硫化锌、硅、锗、二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、PMMA、铝、铍、非金属无机材料或有机材料。本实施方式未提出的从X射线到远红外波段范围，乃至更宽波段范围的折射材料、反射材料以及吸收材料均可以运用到该器件中。
结合图12说明本实施方式，图12为制作栅网薄膜分束器过程；首先进行栅网结构的制作。栅网结构采用微光机电系统(MOEMS)工艺制作，具体结合图12所示，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，如图12a，然后用栅网图形的掩模板曝光和显影，去除位于分束窗位置的光刻胶，露出半导体基底表面，如图12b。接着采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术，去除分束窗位置的半导体基底材料，形成镂空结构，如图12c。最后去除栅棱位置处的光刻胶，便形成栅网结构，如图 12d。将分束窗材料固定在栅网结构上，利用栅棱对分束窗进行支撑，利用分束窗实现分束，最终完成栅网薄膜分束器的制作，如图12e。
当使用的分束薄膜较厚时，可采用栅条薄膜分束器，栅条薄膜分束器是利用栅条结构对分束薄膜进行支撑。栅条结构采用半导体材料，分束薄膜采用聚酯薄膜。栅条结构需要与横向阶梯相位反射镜的结构相匹配。栅条薄膜分束器与系统光轴呈45°放置，由阶梯相位反射镜的几何参数，栅条薄膜分束器每个条带周期的尺寸为
结合图13说明本实施方式，图13为制作栅条薄膜分束器的过程示意图，由于分束窗的尺寸决定了系统的光通量，因此分束窗的宽度远远大于栅棱的宽度。每条分束窗在横向阶梯相位反射镜4上的投影位于各个反射镜单元上，而每条栅棱在横向阶梯相位反射镜4上的投影位于相邻反射镜单元的交界位置。
对于栅条薄膜分束器，首先进行栅条结构的制作。栅条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，如图13a所示，然后将具有栅条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，去除位于分束窗位置处的光刻胶，露出分束窗位置处的半导体基底表面，如图 13b所示。接着采用湿法腐蚀或干法刻蚀技术，去除分束窗位置处的半导体基底材料，形成镂空结构，如图13c所示。最后去除栅棱位置处的光刻胶，便形成栅条结构，如图13d所示。将聚酯薄膜固定在栅条结构上，利用栅棱对聚酯薄膜进行支撑，利用分束窗实现聚酯薄膜的分束，最终完成栅条薄膜分束器的制作。
本实施方式中，栅网分束器的制作方法可分为一体制作方法和分体制作方法。一体制作方法1：超精密机械加工方法。在一体材料上用切割、研磨、抛光等技术实现；制作方法2：采用MEMS技术制作方法。在一体材料上进行通过光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等方法等。例如，单晶材料的各向异性腐蚀方法、 RIE刻蚀方法、ICP刻蚀加表面抛光修饰方法等，以及将相关MEMS方法相结合的制作方法。
实施例1：对图8s所示的栅网分束器进行制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光(100)单晶硅片。其制备方法为：
1、在清洁后的双面抛光单晶硅表面生长或蒸镀二氧化硅及氮化硅等介质薄膜或复合膜作为掩蔽膜；
2、定向光刻，露出边槽图形，通过刻蚀去除边槽图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽，腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；边槽形状除图示之外，也可以由多个矩形或正方形按一定距离排列而成。
3、进行第二次光刻，露出分束窗图形，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。去除光刻胶，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，此时分束窗达到最终的厚度。
4、去除掩蔽膜，蒸镀分束膜，完成器件制备。
实施例2：对于横向和纵向栅棱结构均为图9f的双面栅棱分束器，可以用上述方法制作，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面腐蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻腐蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。
实施例3：对结构为栅网分束器如图8k的形状进行制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光硅片。其制作工艺流程如下：
1、在清洁后的双面抛光单晶硅表面蒸镀铝膜或热生长二氧化硅或蒸镀氮化硅等金属薄膜或介质薄膜或复合膜作为掩蔽膜；
2、光刻，露出边槽图形，通过刻蚀去除边槽图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。采用ICP或RIE技术边槽，腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；边槽形状除图示之外，也可以由多个矩形或正方形或圆形或椭圆或其它多边形形状，按一定距离排列而成。
3、进行第二次光刻，露出分束窗图形，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出单晶硅表面。去除光刻胶，采用ICP或RIE技术同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，此时分束窗达到最终的厚度。
4、除掩蔽膜，蒸镀分束膜，完成器件制备。
实施例4：
对于横向和纵向栅棱结构均为图9b的双面栅棱分束器，可以用上述方法制备，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面刻蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻刻蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。
实施例5：
对结构为栅网分束器如图8o的形状制作，材料为高平面度和高平行度的双面抛光(110)单晶硅片。其制作工艺流程与实施例1相似。
实施例6：
对结构为与栅网分束器如图8o的形状相对应的双面栅棱分束器，材料与实施例5相同，其制作方法与实施例5相似，所不同的是，需要制备双面掩蔽膜，通过双面光刻与双面刻蚀来实现，上、下表面图形相同。在第一次光刻刻蚀时，上下表面边槽腐蚀深度之和为分束窗的最终厚度值。
其他材料或结构的栅网与栅条分束器也可以通过以上方法实现，还可以通过MEMS的湿法腐蚀与干法刻蚀以及两种方法交替进行来实现，在制作中可以采用与某一常规晶向成所需夹角的单晶材料作为基片，腐蚀出带有倾角的结构；也可以通过倾斜旋转的方法，刻蚀出带有倾角的结构；也可设计补偿图形，使得到的结构更加精准。
本实施方式中，还可以选择下述三种方式制作：一、可以选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，在带有支撑材料或无支撑材料的分束窗表面制备栅棱结构，栅棱结构可通过MEMS技术，如X射线光刻、深紫外光刻、蒸镀及光刻以及剥离、电铸等工艺实现金属与非金属材料、半导体材料、有机物等多种材料的栅棱。利用X射线光刻等技术的灵活性，通过光束角度的控制，可以实现多种结构形态的栅棱结构。在栅棱制作完成后，对于带有分束窗支撑结构的基底，需去除支撑结构。镀分束膜，完成分束器制作。
二、选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，将分束窗结构与栅棱结构材料粘接在一起，然后用超精密机械加工或MEMS技术形成栅棱结构，再去除分束窗表面的粘接剂，以及分束窗支撑体。镀分束膜，完成分束器制作。
三、可以选择分束窗与栅棱为同种或不同材料，用超精密机械加工或MEMS 技术将分束窗结构与栅棱结构分别制作，然后将它们用粘接或其它连接方式结合在一起。
结合图14说明本实施方式，本实施方式中，横向阶梯相位反射镜4和纵向阶梯相位反射镜5是在玻璃、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阶梯结构，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14a所示，通过掩模、曝光和显影，去除一半基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，如图14b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14c所示，再去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成两个台阶结构，如图14d所示。接着再次对该台阶结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出台阶宽度一半的表面，如图14e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14f所示。最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成四个台阶结构，如图14g所示。循环该过程，每次掩模的宽度是上一次掩模宽度的一半，每次膜层的厚度是上一次膜层厚度的一半，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。
结合图15说明本实施，阶梯相位反射镜可以在硅(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阶梯结构；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，去除半个基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，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，再去除掩模部分的光刻胶，便形成两个台阶结构，如图15b 所示。接着再次对具有两个台阶结构的基底进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出该台阶宽度一半的基底表面，如图15c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上一次刻蚀深度一半的刻蚀深度的刻蚀，最后去除掩模部分的光刻胶，便形成四个台阶结构，如图15d所示。循环该过程，每次掩模的宽度是上一次掩模宽度的一半，每次刻蚀深度是上一次刻蚀深度的一半，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。
结合图16说明本实施方式，阶梯相位反射镜可以在硅(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阶梯结构；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16a所示，通过掩模、曝光和显影，去除半个基底宽度的光刻胶，露出半个基底宽度的基底表面，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，再去除掩模部分的光刻胶，便形成两个台阶结构，如图16b所示。接着再次对该台阶结构进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出台阶宽度一半的表面，如图16c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，最后去除掩模部分的光刻胶和膜层，便形成四个台阶结构，如图15d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阶梯相位反射镜结构。
结合图17说明本实施方式，阶梯相位反射镜可以利用铝(Al)、铜(Cu) 等金属材料作为基底，通过切削的方法形成阶梯结构，首先对铝(Al)、铜(Cu) 等金属基底进行抛光，如图17a所示，然后利用机械刀具对图17b中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成两个台阶结构，如图17c所示。继续利用机械刀具对图17d中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成三个台阶结构，如图17e所示。再次利用机械刀具对图17f中的阴影部分进行切削，经过清洗和抛光，便形成四个台阶结构，如图17g所示。循环该过程，便可以获得需要的阶梯相位反射镜结构。
阶梯相位反射镜结构制作完成之后，在阶梯结构表面蒸镀金(Au)、铝(Al) 等高反射率材料的反射膜层，最终形成阶梯相位反射镜。阶梯相位反射镜各个反射镜单元的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm。
结合图18说明本实施方式，本实施方式所述的微成像镜阵列为多重成像系统，将被测目标成像到两个阶梯相位反射镜上形成两个多重图像阵列。
微成像镜阵列2工作于红外波段，可以是折射型微成像镜阵列，也可以是衍射型微成像镜阵列。折射型微透镜阵列采用硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料作为基底，利用光刻热熔工艺制作。首先在硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料的基底上旋涂一层光刻胶，如图18a所示，通过掩模、曝光和显影，去除部分光刻胶，形成光刻胶的矩形阵列，然后加温对光刻胶进行热熔，由于表面张力各个光刻胶矩形块的表面形成球面，从而光刻胶矩形阵列变为光刻胶透镜阵列，如图18b所示。利用离子刻蚀工艺对光刻胶透镜阵列及其基底进行刻蚀，如图18c所示，当刻蚀深度大于光刻胶的厚度时停止刻蚀，此时便将光刻胶透镜阵列转移到基底材料上，得到微成像镜阵列，如图18d所示。
结合图19说明本实施方式，衍射型微透镜阵列是采用台阶结构对折射型微成像镜阵列进行量化，当量化位数达到一定数目时，便可以满足系统的性能要求。衍射型微成像镜阵列是采用硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料作为基底，利用光刻刻蚀工艺制作。首先在硅、锗、硒化锌、硫化锌等红外光学材料的基底上旋涂一层光刻胶，如图19a所示。通过掩模、曝光和显影，去除部分光刻胶，露出部分基底表面，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19b所示，再去除掩模部分的光刻胶，便形成两个台阶结构的透镜阵列，如图19c所示。接着再次对具有两个台阶结构的基底进行涂胶、掩模、曝光和显影，在每个台阶上均露出部分基底表面，如图19d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，如图19e所示。最后去除掩模部分的光刻胶，便形成四个台阶结构的透镜阵列，如图19f所示。循环该过程，便可以获得满足量化位数的微成像镜阵列。
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，基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照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.基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜(1)、微成像镜阵列(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、中继成像镜(6)和面阵探测器(7)；
携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜(1)被准直为平行光束，微成像镜阵列(2)将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道，在其像方焦面上形成阵列成像；
分束器(3)将阵列成像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)上，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对像场进行相位调制后再次经分束器发生干涉并形成多个并行的干涉通道；所述成像通道与干涉通道一一对应，所述成像通道的光场在各干涉通道中并行传输，所述中继成像镜(6)将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器(8)形成干涉图像阵列；
其特征是；
设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜(5)中各行反射镜单元的宽度为a，每个干涉通道(9)的孔径为a×a，微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构；
横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，微成像镜阵列(2)的每个成像镜单元的像方视场为Φ1，且微成像镜单元的数目为M×N；每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1＝a；
横向阶梯相位反射镜4的阶梯厚度增量为h，则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh，横向阶梯相位反射镜(4)的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合，第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM-m-n0M+m0)h；则微成像镜阵列(2)每个成像镜单元的焦深Z满足Z≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh}；ν为光波的波数；
设定微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的像方数值孔径为NA1，中继成像镜(6)的物方数值孔径为NA2，则中继成像镜的物方数值孔径满足NA2＝NA1；
所述中继成像镜6的物方视场为Φ2，则中继成像镜(6)的物方视场Φ2与阶梯相位反射镜的宽度a和级数之间的关系满足
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所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，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所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于；
微成像镜阵列(2)将入射光场分割成多个并行的成像通道，横向阶梯相位反射镜(4)与纵向阶梯相位反射镜(5)将入射光场分割为多个并行的干涉通道，每一个成像通道的像方视场对应于横向阶梯相位反射镜的一个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜的一个列反射镜单元交互形成的交叠的方形区域，使成像通道与干涉通道一一对应。
4.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于；
微成像镜阵列(2)采用多重像方远心光路结构，使各成像通道所对应的成像光束的主光线与两个阶梯相位反射镜的反射面保持正入射关系，所述中继成像镜(6)采用物方远心光路结构，中继成像镜(6)与红外面阵探测器(7)的冷屏光阑相匹配，将中继成像镜(6)的像方焦面设置于红外面阵探测器(7)的冷屏光阑位置，中继成像镜(6)的物方数值孔径与微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的的像方数值孔径相匹配，中继成像镜(6)出射光瞳与红外面阵探测器的冷屏光阑相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，
其特征在于，所述微成像镜阵列(2)由前组微成像镜阵列(2-1)、后组微成像镜阵列(2-2)和光阑阵列(2-3)组成，且前组微成像镜阵列(2-1)的每个微成像镜单元位于后组微成像镜阵列(2-2)对应微成像镜单元的物方焦面上，光阑阵列(2-3)位于前组微成像镜阵列(2-1)的各个微成像镜单元前，且光阑阵列位置(2-3)为准直镜(1)的出射光瞳位置。
6.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于，横向阶梯相位反射镜(4)的某一行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的某一列反射镜单元相对于分束器(3)镜像重合，且具有不同的厚度分布。阶梯相位反射镜由多个反射镜单元组成，每一个反射镜单元对应一个厚度值，不同厚度的反射镜单元顺序排列成阶梯结构。
7.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于，阶梯相位反射镜各个反射镜单元的平面度要求≤λ/20，表面粗糙度要求≤3nm，反射镜单元厚度h≤λ/4。
8.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于；准直镜的出射光瞳位置位于微成像镜阵列上，横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)位于微成像镜阵列的像方焦面上，同时，所述横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器处于镜像位置，且阶梯方向互相正交。
9.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于；
干涉图像阵列中含有M×N个干涉图像单元，设每一个干涉图像单元由p×p个像素接收，则面阵探测器共需要pM×pN个像元。对于获得的具有pM×pN个像元的干涉图像阵列，需要将其进行图像分割，形成M×N个像元数为p×p的图像单元，然后将其排列为p×p×(M×N)的干涉图像三维数据立方；将p×p平面上的各个物点沿着第三维方向作离散傅里叶变换，便可以获取p×p×(M×N)的图谱三维数据立方体。
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