CN108627248B - 一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，包括有准直镜，准直镜的前方光路上设置有滤光片、分束器，分束器反射和透射光路上分别依次设有扩视场棱镜、衍射光栅、数字微镜阵列、汇聚镜、探测器，所述分束器的分光/集光面为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一体化胶合集成、高光通量、超光谱分辨等性能的前提下，通过数字微镜阵列对定域面干涉图像强度进行二次调制，有效提升外差光谱仪的动态范围。本发明在时空联合成像工作模式下，或采用柱面汇聚镜与线阵探测器所组成的光谱仪系统应用时，基于对干涉信号的先验认知，可实现自适应光场调制的超光谱的探测。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪。
背景技术
在迈克尔逊干涉仪基础发展的外差干涉光谱仪，利用衍射光栅代替两臂的反射镜，集光栅衍射、扩视场及空间干涉技术于一身，具有光通量大、较窄光谱范围超光谱分辨、可一体化胶合集成等优点，尤其适用精细光谱信号的空间探测。
传统的外差干涉光谱仪入射光经准直镜进入干涉组件，通常将定域面的干涉条纹经过具有一定缩放比的成像镜头其将直接成像在探测器感光面上，因此超光谱外差光谱仪在上述优势的条件下也存在两点不足：1)采样定律决定了光谱带宽Δλ受限于面阵探测器像元列数N和光谱采样间隔δλ，即Δλ＝δλ×N/2；2)被测目标动态范围受限于干涉形式：一般成像传感器的动态范围定义为DR＝20log(Imax/Imin)，而干涉型光谱仪的理论干涉图响应值存在两倍关系，即零光程差点干涉强度为均值的两倍。对于8-bit探测器而言：应用于一般传感器，其动态范围为48.13dB；应用于干涉型光谱仪，其动态范围仅为20log(127)＝42dB。
随着对外差干涉技术研究的不断深入，其应用领域已从最初的窄波段超光谱分辨信息获取向新的一些应用领域发展：1)敏感波段超光谱信息获取，2)较宽的有效光谱波段探测，3)时空联合成像。然而，目前的国际形势下，我国在上述涉及的超光谱外差干涉技术诸多领域的进一步探索性的研究，一定程度上仍受限于探测器技术，且兼具敏感波段、低噪声和高量子效率的探测器引进仍存在技术壁垒。因此，迫切需要发展一种新型的自适应光调制、高动态范围和较低成本的超光谱外差干涉光谱仪。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，包括有扩展光源以及沿扩展光源光路方向上依次设有的准直镜、滤光片、外差干涉组件、数字微镜阵列、汇聚镜和探测器，所述的外差干涉组件为分束器，分束器的反射和透射光路上分别依次设有扩视场棱镜和衍射光栅，分束器的分光/集光面为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直镜将扩展光源转化为具有一定视场角的平行光，并通过滤光片对有效光谱波段选通后进入分束器，分束器将入射平行光分成透射和反射两路，两路光分别经扩视场棱镜调整波前并入射至两臂衍射光栅，依据光栅衍射方程，各波数的光以各自不同的衍射角从光栅面返回至分束器，再经分束器的分光/集光面进行光路集合，各波数的光在分束器的出射端形成具有不同夹角的出射波面，光栅闪耀波长的光出射波面形成参考波面，夹角为0，非闪耀波长的光依据不同波长调制成相应空间频率的干涉条纹，干涉条纹经数字微镜阵列二次调制，最后经汇聚镜成像在探测器的感光面上，当数字微镜阵列处于非调制状态时，数字微镜阵列微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱吸收，有效减少光谱仪内部的杂散光，最后，对干涉条纹进行数字微镜阵列与探测器像元坐标转换、干涉条纹重构、干涉预处理和光谱复原处理过程，得到被测目标的光谱信息。
所述的数字微镜阵列位于干涉条纹定域面，且与探测器的感光面共轭，外差干涉组件对入射光进行一次空间干涉调制，形成定域面干涉条纹，数字微镜阵列对定域面干涉条纹不同光程差的干涉光强进行二次调制。
所述的数字微镜阵列任意单个微元均可独立控制其翻转状态，即on调制状态和off非调制状态：处于on调制状态时，微元反射的光进入有效光路，通过改变不同微元的驻留时间，实现对不同光程差点干涉强度的二次调制；处于off非调制状态时，微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱吸收。
所述的汇聚镜将干涉条纹不同光程差的干涉信息汇聚成像至探测器的感光面，且汇聚镜的结构形式有以下3种：1)将干涉条纹按一定比例缩放至面阵探测器感光面的球透镜，2)将不同光程差点干涉信息同时汇聚至线阵探测器感光面的柱面镜，3)将所有光程差点干涉信息同时汇聚至点探测器感光面的球面镜。
所述的探测器依据汇聚镜的3种结构形式分别为：1)面阵探测器，2)线阵探测器，3)点探测器。
所述的衍射光栅的刻线方向与面阵探测器或线阵探测器列方向一致。
所述数字微镜阵列动态范围DRdmd、探测器动态范围DRdet与光谱仪动态范围DRspe关系如下式所述，其中20log2是由于干涉型光谱仪信号自身存在极大值与平均值两倍的关系而产生的特定动态范围损失，
DRspe＝DRdmd+DRdet-(20log2)。
所述数字微镜阵列微元与探测器像元之间存在坐标变换关系，解析光谱步骤包含：(1)经联合调制的原始干涉条纹坐标变换，即探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换；(2)解调数字微镜阵列调制前的干涉信号；(3)干涉条纹预处理与光谱复原。
所述干涉条纹沿色散方向相对零程差点具有对称性，且干涉强度零程点极大值为平均强度的两倍，通过边缘首个光程差采样点处探测器像元的响应作为先验值，动态调整剩余光程差点对应数字微镜阵列微元的驻留时间，实现自适应光场调制、高动态范围目标光谱的探测，尤其适用于时空联合成像工作模式和柱面汇聚镜与线阵探测器组成的系统。
所述的自适应光场调制的高动态范围目标光谱探测过程包含：(1)判别探测器像元响应是否处于线性区域；(2)探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换，优化更新数字微镜阵列微元的驻留时间；(3)数字微镜阵列微元调制剩余光程差点的干涉强度；(4)探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换；(5)解调数字微镜阵列调制前的干涉信号；(6)干涉条纹预处理与光谱复原。
本发明的优点是：1、本发明基于传统空间外差光谱仪的原理，以此为基础引入数字微镜阵列进行干涉光强二次调制，理论上，其动态范围等于传统空间外差光谱仪动态范围与数字微镜阵列动态范围之和；在时空联合成像工作模式和柱面汇聚镜与线阵探测器组成的系统应用时，基于干涉条纹相对零程差点具有的对称性，且干涉强度极大值为平均强度的两倍，通过边缘首个光程差采样点处探测器像元的响应作为先验值，利用数字微镜阵列可实现自适应光场调制的超光谱探测。
2、本发明所采用衍射光栅、扩视场棱镜和准直镜等参数设计均可参考传统空间外差光谱仪的技术原理，仍具备传统空间外差光谱仪的高光通量、超光谱分辨等优点；
3、本发明核心调制组件为外差干涉仪组件和数字微镜阵列：外差干涉仪组件可一体化胶合集成、无运动部件；数字微镜阵列微元采用静电驱动，且独立控制其翻转状态，翻转时间在μs量级。因此，系统在具备高光通量、超光谱分辨的基础上，兼具静态高速、高动态范围探测等特点，适用于星载空间光学遥感应用。
附图说明
图1为本发明采用数字微镜阵列与外差干涉联合调制光谱仪的光学结构示意图。
图2为本发明采用柱面汇聚镜与线阵探测器组成系统的光学结构示意图。
图3为图2采用数字微镜阵列进行列像元调制解调干涉条纹的原理图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，包括有准直镜2，准直镜2的前方光路上设置有滤光片3、分束器4，分束器4的反射和透射光路上分别依次设有扩视场棱镜一、二501、502、衍射光栅一、二601、602、出射波前7、数字微镜阵列8、汇聚镜9、探测器10，所述分束器4的分光/集光面为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直镜2将扩展光源1转化为具有一定视场角的平行光束，经滤光片3进行有效光谱波段选择后入射至分束器4，被分束器4分成透射和反射两路的平行光束以一定角度θL入射到两臂衍射光栅，经光栅衍射后，不同波长的光以不同的衍射角从光栅面衍射返回至分束器4，再经分束器4半反半透进行光路集中，在分束器4的出射端、出射波前7处形成具有一定夹角的两个出射波面，闪耀波长的光出射波面为参考波面，夹角为0，非闪耀波长的光调制成一定空间频率的干涉条纹，干涉条纹强度经数字微镜阵列8二次调制，最后经汇聚镜成像在探测器10的感光面上。当数字微镜阵列处于非调制状态时，数字微镜阵列微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱11吸收，有效减少光谱仪内部的杂散光。最后，对干涉条纹进行数字微镜阵列与探测器像元坐标转换、干涉条纹重构、干涉预处理和光谱复原等处理过程，可得到被测目标的光谱信息。
各部件的构成方式是：
1)准直镜2，将扩展光源1转化为具有一定视场角的平行光束，且远心入射至分束器，准直镜2焦距、物方数字孔径由光谱仪光谱分辨能力及光栅有效照明区域决定。
2)滤光片3：放置于于准直镜2和分束器4之间的平行光路中，使有效光谱波段内的辐射高透过率进入调制光路内，同时将探测器响应范围内且有效光谱范围之外的辐射进行有效截止。
3)分束器4：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，且将衍射光栅出射的平行光束以等强度的透射和反射光进行集合，并在干涉条纹定域面形成干涉条纹；结构形式可以为分束棱镜或分束板，当分束器为分束板形式时，两臂光路需增加补偿光学平板玻璃进行光程补偿。
4)扩视场棱镜一、二501、502：减少入射至衍射光栅上平行光的视场角，以增大光谱仪所能接受的光通量，其折射率越大，扩视场能力越强。
5)衍射光栅一、二601、602：分别位于分束器4的反射和透射光路中，光栅刻线方向垂直于纸面，闪耀波长的光经衍射光栅后原光路返回，非闪耀波长的光依据不同波长以不同的衍射角返回至分束器。
6)出射波前7：经两臂光栅衍射后经分束器的分光/集光面进行光束集合，闪耀波长原光路返回的光，其出射波前夹角为0，定义为参考波面；非闪耀波长的光出射波面具有一定的夹角，并形成相应空间频率的干涉条纹。
7)数字微镜阵列8：将定域面干涉条纹进行二次强度调制：处于“on”调制状态时，通过改变不同微元的驻留时间，实现对干涉条纹不同光程差点位置处强度的二次调制；处于“off”非调制状态时，数字微镜阵列微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱吸收，有效减少光谱仪内部的杂散光。
8)汇聚镜9：将经数字微镜阵列8二次强度调制的干涉条纹汇聚成像在探测器感光面上，使得数字微镜阵列干涉条纹定域面与探测器感光面共轭。
9)探测器10：位于汇聚镜的后焦面上，且探测器像元与数字微镜阵列微元存在唯一的坐标转换关系。
10)光陷阱11：数字微镜阵列微元处于“off”非调制状态时，数字阵列微元将光反射进入消杂散光光路，光陷阱将其吸收，减少光谱仪内部杂散光。
引入数字微镜阵列8进行干涉光强二次调制，理论上，其动态范围等于原空间外差光谱仪系统动态范围与数字微镜阵列动态范围之和；在时空联合成像工作模式和柱面汇聚镜与线阵探测器组成的系统应用时，基于对干涉信号的先验认知，利用数字微镜阵列可实现自适应光场调制的超光谱探测。所采用衍射光栅、扩视场棱镜和准直镜等参数设计均可参考传统空间外差光谱仪的技术原理，仍具备传统空间外差光谱仪的高光通量、超光谱分辨等优点；光谱仪内核心调制组件为外差干涉仪组件和数字微镜阵列：1)外差干涉仪组件可一体化胶合集成、无运动部件；2)数字微镜阵列微元采用静电驱动独立控制其翻转状态，翻转时间在μs量级。故系统在具备高光通量、超光谱分辨的基础上，兼具静态高速、高动态范围探测等特点，适用于星载空间光学遥感应用。
该双通道空间外差光谱仪的光路结构是：
(1)位于准直镜2前焦面的扩展光源1出射的光经准直镜后形成具有一定视场角的平行光束入射至滤光片3；(2)滤光片3使有效光谱波段的辐射选通进入分束器4，并将探测器10响应范围内且有效光谱波段之外的辐射进行有效截止；(3)分束器4的分光/集光面将入射光束分为等强度的透射和反射光束；(4)扩视场棱镜501和502分别位于两臂衍射光栅601和602与分束器之间，且楔角相对光轴旋转90°非对称布置，用于减小入射至衍射光栅的视场角；(5)衍射光栅参数关系满足闪耀波长入射的光，其衍射角为0；非闪耀波长的光出射波前具有一定的夹角，且两臂出射波前7的方向与扩视场棱镜楔角一致，相对光轴相反，因而形成具有一定空间频率的干涉条纹；(6)数字微镜阵列8位于干涉条纹定域面处，在“on”调制状态时，通过改变不同微元的驻留时间，实现对干涉条纹不同光程差点位置处强度的二次调制；在“off”非调制状态时，数字微镜阵列微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱11吸收，有效减少光谱仪内部的杂散光；(7)汇聚镜9将数字微镜阵列调制后的干涉条纹汇聚成像在探测器10的感光面上，探测器的感光面位于汇聚镜的后焦面。
Claims (10)
1.一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：包括有扩展光源以及沿扩展光源光路方向上依次设有的准直镜、滤光片、外差干涉组件、数字微镜阵列、汇聚镜和探测器，所述的外差干涉组件为分束器，分束器的反射和透射光路上分别依次设有扩视场棱镜和衍射光栅，分束器的分光/集光面为50：50半反半透的消偏振分光膜；准直镜将扩展光源转化为具有一定视场角的平行光，并通过滤光片对有效光谱波段选通后进入分束器，分束器将入射平行光分成透射和反射两路，两路光分别经扩视场棱镜调整波前并入射至两臂衍射光栅，依据光栅衍射方程，各波数的光以各自不同的衍射角从光栅面返回至分束器，再经分束器的分光/集光面进行光路集合，各波数的光在分束器的出射端形成具有不同夹角的出射波面，光栅闪耀波长的光出射波面形成参考波面，夹角为0，非闪耀波长的光依据不同波长调制成相应空间频率的干涉条纹，干涉条纹经数字微镜阵列二次调制，最后经汇聚镜成像在探测器的感光面上，当数字微镜阵列处于非调制状态时，数字微镜阵列微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱吸收，最后，对干涉条纹进行数字微镜阵列与探测器像元坐标转换、干涉条纹重构、干涉预处理和光谱复原处理过程，得到被测目标的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的数字微镜阵列位于干涉条纹定域面，且与探测器的感光面共轭，外差干涉组件对入射光进行一次空间干涉调制，形成定域面干涉条纹，数字微镜阵列对定域面干涉条纹不同光程差的干涉光强进行二次调制。
3.根据权利要求2所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的数字微镜阵列任意单个微元均可独立控制其翻转状态，即on调制状态和off非调制状态：处于on调制状态时，微元反射的光进入有效光路，通过改变不同微元的驻留时间，实现对不同光程差点干涉强度的二次调制；处于off非调制状态时，微元反射的光进入消杂散光光路，且被光陷阱吸收。
4.根据权利要求1所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的汇聚镜将干涉条纹不同光程差的干涉信息汇聚成像至探测器的感光面，且汇聚镜的结构形式有以下3种：1)将干涉条纹按一定比例缩放至面阵探测器感光面的球透镜，2)将不同光程差点干涉信息同时汇聚至线阵探测器感光面的柱面镜，3)将所有光程差点干涉信息同时汇聚至点探测器感光面的球面镜。
5.根据权利要求4所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的探测器依据汇聚镜的3种结构形式分别为：1)面阵探测器，2)线阵探测器，3)点探测器。
6.根据权利要求5所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的衍射光栅的刻线方向与面阵探测器或线阵探测器列方向一致。
7.根据权利要求3所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述数字微镜阵列动态范围DRdmd、探测器动态范围DRdet与光谱仪动态范围DRspe关系如下式所述，其中20log2是由于干涉型光谱仪信号自身存在极大值与平均值两倍的关系而产生的特定动态范围损失，
DRspe＝DRdmd+DRdet-(20log2)。
8.根据权利要求7所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述数字微镜阵列微元与探测器像元之间存在坐标变换关系，解析光谱步骤包含：(1)经联合调制的原始干涉条纹坐标变换，即探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换；(2)解调数字微镜阵列调制前的干涉信号；(3)干涉条纹预处理与光谱复原。
9.根据权利要求8所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述干涉条纹沿色散方向相对零程差点具有对称性，且干涉强度零程点极大值为平均强度的两倍，通过边缘首个光程差采样点处探测器像元的响应作为先验值，动态调整剩余光程差点对应数字微镜阵列微元的驻留时间，实现自适应光场调制、高动态范围目标光谱的探测。
10.根据权利要求9所述的一种数字微镜阵列与外差干涉联合调制的光谱仪，其特征在于：所述的自适应光场调制的高动态范围目标光谱探测过程包含：(1)判别探测器像元响应是否处于线性区域；(2)探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换，优化更新数字微镜阵列微元的驻留时间；(3)数字微镜阵列微元调制剩余光程差点的干涉强度；(4)探测器像元坐标与数字微镜阵列微元坐标变换；(5)解调数字微镜阵列调制前的干涉信号；(6)干涉条纹预处理与光谱复原。
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