CN108344508A - 一种宽光谱范围非对称空间外差光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，包括：入射狭缝、准直柱透镜、多波段滤波片阵列、分光棱镜、两块变周期闪耀光栅阵列、成像镜头以及二维面阵探测器。其中，多波段滤波阵列与变周期闪耀光栅阵列的子区域一一对应，两块变周期闪耀光栅阵列与分光棱镜的距离不同。入射光首先经狭缝进入光谱仪，由柱透镜对入射光进行准直，准直后的入射光经多波段滤波阵列滤波后形成一维光谱分布，再经分光棱镜分为两束光，两束光中不同波段的光分别由两块变周期闪耀光栅阵列的不同区域进行色散，色散后的光再次经过分光棱镜并形成干涉，最后由成像透镜将干涉条纹成像在二维面阵探测器上。本发明在保证高光谱分辨率的同时具有更大的光谱范围。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪器和干涉仪器设计领域，涉及一种宽光谱范围非对称空间外差光谱仪 的光学结构设计。
背景技术
空间外差光谱技术(SHS)是一种新型的空间调制干涉光谱技术，该技术综合了无动镜 剪切干涉技术及傅里叶变换光谱技术的优点，采用了两块衍射光栅代替迈克耳逊干涉仪中的 两个平面反射镜，通过调整衍射光栅的角度实现不同波长的零频干涉，在较小波段范围内可 以获得超高光谱分辨的能力，具有超分辨率、大通量、大视场和小尺寸等特点，在大气遥感、 天文观测等领域得到广泛的应用。
近年来，国外发展了一种非对称空间外差光谱(DASH)技术，该技术在空间外差光谱技 术的基础上，增加了单臂光栅到分束器的距离，不仅增加了光谱分辨率，而且还具备了高灵 敏度干涉仪的功能，可同时实现对目标源的高分辨率光谱探测和高灵敏度多普勒频移探测， 大大扩展了空间外差光谱技术的应用范围。
然而，不管是空间外差光谱技术还是非对称空间外差光谱技术，其高光谱分辨率均是以 牺牲光谱范围为代价的。在某些特殊的应用场景下，我们要求仪器既具备高光谱分辨率也具 备较宽的光谱范围。因此，需要寻求合适的方法在保证光谱分辨率的同时，扩展空间外差光 谱仪的光谱范围。
在天文观测领域，常常采用定差迈克耳逊干涉仪结合交叉色散技术获取宽光谱范围，以 获得更多谱段的恒星星震视向速度信息。虽然采用交叉色散技术同样可以拓展空间外差光谱 仪的光谱范围，但是这种方法需要在现有空间外场光谱仪的基础上增加交叉色散光学系统， 导致仪器的重量和体积大大增加，后续的数据处理过于复杂。
在大气风场探测领域，国外研究团队提出了一种基于二向色片的非对称空间外差光谱技 术，将目标源信号光分为两个波段分别进行处理，这种方法尽管在一定程度上扩展了光谱范 围，但扩展范围比较受限，仅实现了两个波段的拼接。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有非对称空间外差光谱仪光谱范围与光谱分辨率相 互矛盾等问题，提出一种新型的宽光谱范围非对称空间外差光谱仪。该光谱仪能够保证光谱 分辨率的同时扩展光谱范围。同时，还具有结构简单、体积小、重量轻、数据处理方便等优 点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱 仪，包括：
－入射狭缝1，用于导入信号光；
－准直柱透镜2，用于对入射狭缝1导入的信号光准直；
－多波段带通滤波阵列3，用于对准直柱透镜2准直后的信号光沿一维方向进行不同波 段的滤波；
－宽带分光棱镜4，用于对多波段带通滤波阵列3滤波后的信号光进行分光；
－分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51，其中不同周期的闪耀光栅对不同波 段的宽带分光棱镜4的透射信号光进行色散；
－分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列52，其中不同周期的闪耀光栅对不同波 段的宽带分光棱镜4的反射信号光进行色散；
－成像柱透镜组，用于对分别被变周期闪耀光栅阵列51与变周期闪耀光栅阵列52色散 后的两路信号光再次经过宽带分光棱镜4时形成的不同波段的干涉条纹进行缩小或放大成 像；
－二维阵列型探测器7，用于对成像柱透镜组缩小或放大成像后的不同波段信号光的干 涉条纹进行探测。
进一步的，信号光由入射狭缝1进入系统，经准直柱透镜2准直后垂直入射至多波段带 通滤波阵列3，通过滤波阵列不同子区域的信号光具有不同的光谱谱段，并由宽带分光棱镜 4分为两束光，其中透射光束中不同子区域的信号光入射至分光棱镜透射光路中的变周期闪 耀光栅阵列51中对应的光栅子区域并发生衍射，反射光束中不同子区域的信号光入射至分 光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列52中对应的光栅子区域并发生衍射，两束衍射光 中对应的各子区域再次通过宽带分光棱镜4并发生干涉，最后由成像柱透镜组成像在二维阵 列型探测器7的不同子区域上，并由二维阵列型探测器7的不同子区域分别探测不同波段信 号光的干涉条纹。
进一步的，所述多波段带通滤波阵列3中沿狭缝方向排列着若干波段的滤波子区域，各 滤波子区域与变周期闪耀光栅阵列中各不同周期的光栅子区域一一对应，且各滤波子区域的 带通波段由公式决定，其中Δλ为滤波子区域的带通波段，λ为中心波长， W为光栅宽度，θL为光栅的闪耀角，N为探测器沿垂直光栅栅线方向的像元数；
进一步的，所述宽带分光棱镜4对偏振不敏感，工作波段能够覆盖带通滤波片所有波段 总和；
进一步的，所述分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51中不同光栅子区域具有 不同的周期和相同的闪耀角，各光栅子区域的光栅周期由公式决定，其中d为光 栅周期，λ为中心波长，θL为光栅的闪耀角；
进一步的，所述分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列52与分光棱镜透射光路中 的变周期闪耀光栅阵列51是完全相同的两块光栅阵列，这两块光栅阵列离分光棱镜的距离 不同，但与棱镜出射面的夹角完全相同；在光路配置中，两块光栅阵列中周期相同的光栅子 区域一一对应，以保证经同样周期光栅衍射的两束信号光发生干涉。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与常见的非对称空间外差光谱技术相比，本发明所述的宽光谱范围非对称空间外差 光谱仪在保证光谱分辨率的同时具有更宽的光谱范围，且光谱范围既可以连续拼接，也可以 针对特定的应用进行分立谱段的拼接，目标源的适用范围更广，应用领域更多。
2、与常见的非对称空间外差光谱技术相比，本发明所述的宽光谱范围非对称空间外差 光谱仪由于光谱范围更广，因此可针对更多的目标源谱线进行探测，采集样本数更多，对目 标源多普勒频移的探测精度更高。
3、与采用交叉色散扩展光谱范围的方法相比，本发明仅需要对闪耀光栅进行分区设计， 无需另外增加交叉色散部件，具有结构简单、体积小、重量轻、数据处理方便等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中一种宽光谱范围非对称空间外差光谱仪示意图及当入射光波长为 闪耀波长时通过宽光谱范围非对称空间外差光谱仪的光路图；
图中：1为入射光阑；2为准直柱透镜；3为多波段带通滤波阵列；4为宽带分光棱镜；51为分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列；52为分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列，61为第一成像柱透镜，62为第二成像柱透镜，7为二维阵列式探测器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本 发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以 实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
本发明的实施例1，是一个光谱范围由4个连续波段拼接而成,光谱分辨本领大于20000， 分束后两光路的光程差为20mm的非对称空间外差光谱仪，如图1所示。本发明实施例1所 述非对称空间外差光谱仪包括：入射光阑1、准直柱透镜2、多波段带通滤波阵列3、宽带分 光棱镜4、分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51、分光棱镜反射光路中的变周期闪 耀光栅阵列52、成像柱透镜组、二维阵列式探测器7。成像柱透镜组包括第一成像柱透镜61 和第二成像柱透镜62，其中，入射光阑1的口径为200μm，数值孔径为0.25，准直柱透镜 焦距为40mm，多波段带通滤波阵列依次排列着4个波段的滤波子区域，带通波段分别是600nm～615nm，615nm～630nm，630nm～645nm，645nm～660nm。变周期闪耀光栅阵列对应 有4个子光栅区域，各子光栅区域的尺寸均为20mm×5mm，光栅闪耀角均为10.7°，但光栅 周期不同。每个子光栅区域的光栅周期可由公式计算得到，分别为1.61μm、 1.66μm、1.69μm和1.74μm，对应的闪耀波长分别为600nm、615nm、630nm和645nm。分 光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51和分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列 52离分光棱镜的距离差为10mm，成像镜头的成像比例为1：1，探测器像素为1248×1248， 像素尺寸为16μm。
信号光由入射狭缝1进入系统，经柱透镜2准直后垂直入射至多波段带通滤波阵列3， 通过滤波阵列6个不同子区域的信号光分别为600nm～615nm，615nm～630nm，630nm～645nm， 645nm～660nm的光谱谱段，并由宽带分光棱镜4分为两束光，其中透射光束中6个不同子 区域的信号光入射至分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51中周期分别为1.61μm、 1.66μm、1.69μm和1.74μm的光栅子区域并发生衍射，反射光束中6个不同子区域的信号光 入射至分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列52中周期分别为1.61μm、1.66μm、1.69μm 和1.74μm的光栅子区域并发生衍射，两束衍射光中对应的各子区域再次通过宽带分光棱镜 4并发生干涉，最后由第一成像柱透镜61和第二成像柱透镜62成像在二维阵列型探测器7 上，由二维阵列型探测器7的不同子区域分别探测不同波段信号光的干涉条纹。
系统的光谱分辨本领可由公式4WsinθL/λ确定，其中W为光栅的有效宽度，θL为光栅的闪耀角，λ为入射光波长。在这里取W＝20mm，θL＝10.7°，λ分别为600nm、615nm、 630nm和645nm，则每个光栅子区域对应的光谱分辨本领为24755、24153、23577和23028； 每个光栅子区域对应的自由光谱范围由公式确定，其中N为探测器沿垂直 光栅栅线方向的像元数，在这里取W＝20mm，θL＝10.7°，N＝1248，λ分别为600nm、615nm、 630nm和645nm，则每个光栅子区域对应的光谱范围分别为15.12nm、15.89nm、16.64nm 和17.48nm，显然均大于15nm。通过与多波段带通滤波阵列相配合，最终非对称空间外差 光谱仪的光谱范围为600nm～660nm的连续谱段。
另一方面，非对称空间外差光谱仪还可以用来探测目标源的多普勒频移，系统探测到的 谱线相移信息与目标源的多普勒速度关系可由公式进行反演，其中c为光 速，λ为目标源波长，为谱线相移，ΔL为分束后两光路的光程差。由于非对称空间外差 光谱仪通过光谱范围拼接而具备更宽的自由光谱范围，因此，系统针对的目标谱线范围更广， 当ΔL＝20mm，目标谱线的波长分别为600nm、615nm、630nm和645nm时，则目标源的多 普勒速度与目标谱线的相移关系分别为:和 的单位为弧度。若采用多谱线同时测量，则可以增加测量样本数，提高多普勒测速精度。
实施例2
本发明的实施例2，是一个光谱范围由6个分立波段拼接而成，光谱分辨本领大于60000， 光程差为30mm的非对称空间外差光谱仪。如图1所示，本发明实施例2所述非对称空间外 差光谱仪包括：入射光阑1、准直柱透镜2、多波段带通滤波阵列3、宽带分光棱镜4、分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51、分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列52、第一成像柱透镜61、第二成像柱透镜62、二维阵列式探测器7。其中，入射光阑1的口 径为400μm,数值孔径为0.12，准直柱透镜焦距为150mm，多波段带通滤波阵列依次排列着 6个波段的滤波子区域，带通波段分别是390nm～393nm，450nm～454nm，530-536nm, 580nm～587nm，630nm～638nm，700m～710nm。变周期闪耀光栅阵列对应有6个子光栅区域， 各子光栅区域的尺寸均为36mm×6mm，光栅闪耀角均为18.5°，但光栅周期不同。每个子光栅 区域的光栅周期可由公式计算得到，分别为0.61μm、0.75μm、0.83μm、0.91μm、 0.98μm和1.1μm，对应的闪耀波长分别为390nm、450nm、530nm、580nm、630nm和700nm。 分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列51和分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵 列52离分光棱镜的距离差为15mm，成像镜头的成像比例为1：1，探测器像素为2048×2048， 像素尺寸为20μm。
信号光由入射狭缝1进入系统，经柱透镜2准直后垂直入射至多波段带通滤波阵列3， 通过滤波阵列6个不同子区域的信号光分别为390nm～393nm，450nm～454nm，530～536nm, 580nm～587nm，630nm～638nm，700m～710nm的光谱谱段，并由宽带分光棱镜4分为两束光， 其中透射光束中6个不同子区域的信号光入射至分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列 51中周期分别为0.61μm、0.75μm、0.83μm、0.91μm、0.98μm和1.1μm的光栅子区域并发 生衍射，反射光束中6个不同子区域的信号光入射至分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅 阵列52中周期分别为0.61μm、0.75μm、0.83μm、0.91μm、0.98μm和1.1μm的光栅子区域 并发生衍射，两束衍射光中对应的各子区域再次通过宽带分光棱镜4并发生干涉，最后由第 一成像柱透镜61和第二成像柱透镜62成像在二维阵列型探测器7上，由二维阵列型探测器 7的不同子区域分别探测不同波段信号光的干涉条纹。
系统的光谱分辨本领可由公式4WsinθL/λ确定，其中W为光栅的有效宽度，θL为光栅的闪耀角，λ为入射光波长。在这里取W＝36mm，θL＝18.5°，λ分别为390nm、450nm、 530nm、580nm、630nm和700nm，则每个光栅子区域对应的光谱分辨本领为117158、101537、 86211、78779、72526和65274；每个光栅子区域对应的自由光谱范围由公式确定，其中N为探测器沿垂直光栅栅线方向的像元数，在这里取W＝36mm，θL＝18.5°， N＝2048，λ分别为390nm、450nm、530nm、580nm、630nm和700nm，则每个光栅子区域 对应的光谱范围分别为3.4nm、4.5nm、6.3nm、7.5nm、8.9nm和10.9nm。通过与多波段带 通滤波阵列相配合，最终非对称空间外差光谱仪总的光谱范围为390nm～393nm， 450nm～454nm，530-536nm,580nm～587nm，630nm～638nm和700m～710nm这6个分立光谱 谱段的拼接。
另一方面，非对称空间外差光谱仪还可以用来探测目标源的多普勒频移，系统探测到的 谱线相移信息与目标源的多普勒速度关系可由公式进行反演，其中c为光 速，λ为目标源波长，为谱线相移，ΔL为分束后两光路的光程差。由于非对称空间外差 光谱仪通过光谱范围拼接而具备更宽的自由光谱范围，因此，系统针对的目标谱线范围更广， 当ΔL＝30mm，目标谱线的波长分别为390nm、450nm、530nm、580nm、630nm和700nm时， 则目标源的多普勒速度与目标谱线的相移关系分别为: 和 的单位为弧度。若采用多谱线同时测量，则可以增 加测量样本数，提高多普勒测速精度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于，包括：
－入射狭缝(1)，用于导入信号光；
－准直柱透镜(2)，用于对入射狭缝(1)导入的信号光准直；
－多波段带通滤波阵列(3)，用于对准直柱透镜(2)准直后的信号光沿一维方向进行不同波段的滤波；
－宽带分光棱镜(4)，用于对多波段带通滤波阵列(3)滤波后的信号光进行分光；
－分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列(51)，其中不同周期的闪耀光栅对不同波段的宽带分光棱镜(4)的透射信号光进行色散；
－分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列(52)，其中不同周期的闪耀光栅对不同波段的宽带分光棱镜(4)的反射信号光进行色散；
－成像柱透镜组，用于对分别被分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列(51)与分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列(52)色散后的两路信号光再次经过宽带分光棱镜(4)时形成的不同波段的干涉条纹进行缩小或放大成像；
－二维阵列型探测器(7)，用于对成像柱透镜组缩小或放大成像后的不同波段信号光的干涉条纹进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：信号光由入射狭缝(1)进入系统，经准直柱透镜(2)准直后垂直入射至多波段带通滤波阵列(3)，通过滤波阵列不同子区域的信号光具有不同的光谱谱段，并由宽带分光棱镜(4)分为两束光，其中透射光束中不同子区域的信号光入射至分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列(51)中对应的光栅子区域并发生衍射，反射光束中不同子区域的信号光入射至分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列(52)中对应的光栅子区域并发生衍射，两束衍射光中对应的各子区域再次通过宽带分光棱镜(4)并发生干涉，最后由成像柱透镜组成像在二维阵列型探测器(7)的不同子区域上，并由二维阵列型探测器(7)的不同子区域分别探测不同波段信号光的干涉条纹。
3.根据权利要求1所述的一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：所述多波段带通滤波阵列(3)中沿狭缝方向排列着若干波段的滤波子区域，各滤波子区域与变周期闪耀光栅阵列中各不同周期的光栅子区域一一对应，且各滤波子区域的带通波段由公式决定，其中Δλ为滤波子区域的带通波段，λ为中心波长，W为光栅宽度，θL为光栅的闪耀角，N为探测器沿垂直光栅栅线方向的像元数。
4.根据权利要求1所述的一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：所述宽带分光棱镜(4)对偏振不敏感，工作波段能够覆盖带通滤波片所有波段总和。
5.根据权利要求1所述的一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：所述分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列(51)中不同光栅子区域具有不同的周期和相同的闪耀角，各光栅子区域的光栅周期由公式决定，其中d为光栅周期，λ为中心波长，θL为光栅的闪耀角。
6.根据权利要求1所述的一种宽光谱范围的非对称空间外差光谱仪，其特征在于：所述分光棱镜反射光路中的变周期闪耀光栅阵列(52)与分光棱镜透射光路中的变周期闪耀光栅阵列(51)是完全相同的两块光栅阵列，这两块光栅阵列离分光棱镜的距离不同，但与棱镜出射面的夹角完全相同；在光路配置中，两块光栅阵列中周期相同的光栅子区域一一对应，以保证经同样周期光栅衍射的两束信号光发生干涉。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109470236A (zh) * | 2018-11-26 | 2019-03-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种星敏感器 |
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-
2018
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| CN114384539A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-04-22 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于背景光同步差分的吸收谱线相移测速方法 |
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