CN109764963B - 一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法，包括：1）设定棱镜型空间外差光谱仪的基准波长；2）确定色散棱镜参数；3）获取棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角；4）设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长λ0；5）波长为λ0的激光器发射光线；6）调整棱镜型空间外差光谱仪中平面反射镜，使其与光轴正交面的夹角为θ；7）利用棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集干涉图像；8）依据干涉图像完成棱镜型空间外差光谱仪基准波长的调试。这种方法能快速设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长，然后利用与棱镜型空间外差光谱仪基准波长一致的激光器来对该基准波长进行调试。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，具体是一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法。
背景技术
空间外差光谱技术是一种新型的可以实现超高光谱分辨率的光谱分析技术，具有超高光谱分辨率、高通量以及无运动部件等优点。基于空间外差光谱技术研制的空间外差光谱仪可以在某一确定的波长范围内获取超高的光谱分辨率，适合精细光谱的探测。
传统的空间外差光谱仪是用两个衍射光栅代替迈克尔逊干涉仪中的两个平面反射镜，两个衍射光栅G1、G2以与光轴正交面夹角θ倾斜放置，目标光束进入扩束准直装置后入射到分束器中，分束器把光束分两束强度相等的相干光，一束为反射光，入射到衍射光栅G1后返回；另一为透射光，入射到衍射光栅G2后返回，两束返回光在分束器汇合后形成定域干涉，并经过成像透镜L1、L2在CCD探测器上形成干涉条纹，对干涉条纹进行傅里叶变换即可获取目标光束的光谱信息，原理图如图1所示。
在传统的空间外差光谱仪中，某一波长的光线入射到衍射光栅后会按照原光路返回，两束出射光在波前的夹角为0，此时在CCD探测器上不会观测到干涉条纹，而是以直流量的形式存在，我们把这一个波长称为该空间外差光谱仪的基准波长。传统空间外差光谱仪的基准波长λ只跟衍射光栅的光学设计参数和衍射光栅与光轴正交面的夹角θ有关，具体的关系是：
其中m为衍射级次（一般m=1），1/d是光栅的刻线密度。
棱镜型空间外差光谱技术是用两个色散棱镜和两个平面反射镜代替传统空间外差光谱技术中的两个衍射光栅，目标物体的光经过分束器分为两束相干光后，通过色散棱镜经平面反射镜反射后返回，原理图如图2所示。棱镜型空间外差光谱仪是利用色散棱镜来进行分光，这与传统空间外差光谱仪光栅分光方式完全不同，因此空间外差光谱仪基准波长设置和调试方式不可以应用在棱镜型空间外差光谱仪上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法。这种方法能快速设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长，然后利用与棱镜型空间外差光谱仪基准波长一致的激光器来对该基准波长进行调试。
实现本发明目的的技术方案是：
一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法，与现有技术不同的是，包括如下步骤：
1）设计棱镜型空间外差光谱仪并确定棱镜型空间外差光谱仪的基准波长：所述棱镜型空间外差光谱仪包括立方体分束器、两个结构相同的第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、两个结构相同的第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2及CCD探测器，他们的结构关系是第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2代替传统空间外差光谱仪中的两个衍射光栅，第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2的直角边与立方体分束器的边分别平行，第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2分别相对第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2倾斜角度放置，激光器发出光线，经过扩束准直装置进行准直后入射到分束器中，分束器将准直入射光分为两束相干光，一束为反射光，一束为透射光，其中反射光进入第一色散棱镜P1并在出射时发生折射，折射光束经过第一平面反射镜M1反射后返回分束器，透射光进入第二色散棱镜P2并在出射时发生折射，折射光束经过第二平面反射镜M2反射后返回分束器，两束出射光发生干涉形成定域干涉条纹，并成像于CCD探测器上，对干涉条纹进行傅里叶变换即可恢复待测光线的光谱曲线，依据该棱镜型空间外差光谱仪设计需求假定所设计的棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0作为该棱镜型空间外差光谱仪基准波长、选定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜玻璃材质，假定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜顶角角度为α；
2）确定色散棱镜参数：依据步骤1）中色散棱镜玻璃材质确定色散棱镜波长λ与折
射率n之间的色散公式，获取基准波长下色散棱镜的折射率n，依据折射定律公式
，通过光线追迹分析，对在色散棱镜斜边出射的光束应用折射定律获取出射
光束折射角度γ；
3）获取棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角：依据色散棱镜、平面反射镜和光轴正交面之间的几何关系得到平面反射镜与光轴正交面夹角θ，即平面反射镜相对于光轴正交面倾斜放置的角度大小，平面反射镜与光轴正交面夹角θ在几何关系上满足公式（1）：
4）设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长：依据棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面的夹角为θ，确定该棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0；
5）选用步骤4）确定的波长为λ0的激光器发射光线；
6）波长为λ0的激光器发射光线经过扩束准直装置后入射到棱镜型空间外差光谱仪，调整棱镜型空间外差光谱仪中平面反射镜，使其与光轴正交面的夹角为θ；
7）利用棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集干涉图像：当棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角角度小于夹角θ时， CCD探测器上采集到干涉图像的干涉条纹是向右倾斜的；若大于，则干涉图像的干涉条纹向左倾斜；
8）依据干涉图像完成棱镜型空间外差光谱仪基准波长的调试：当该棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集得到的干涉图像近似等于直流分量，不存在明暗相间的干涉条纹时，即该棱镜型空间外差光谱仪基准波长与激光器发射的光线波长一致，等于仪器系统设计需求的基准波长。
步骤1）中所述的色散棱镜玻璃材质为BK7玻璃，依据色散棱镜玻璃材质确定色散棱镜波长λ与折射率n之间的色散公式为公式（2）：
这种方法能快速设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长，然后利用与棱镜型空间外差光谱仪基准波长一致的激光器来对该基准波长进行调试。
附图说明
图1为传统空间外差光谱仪的原理示意图；
图2为棱镜型空间外差光谱仪的原理示意图；
图3为实施例中方法流程示意图；
图4为实施例中棱镜型空间外差光谱仪色散棱镜入射光与折射光的几何关系示意图；
图5为实施例中棱镜型空间外差光谱仪色散棱镜、平面反射镜和光轴正交面之间的几何关系示意图；
图6为实施例中棱镜型空间外差光谱仪基准波长调试装置示意图；
图7为实施例中基准波长下棱镜型空间外差光谱仪输出的干涉图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图3，一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法，包括如下步骤：
1）设计棱镜型空间外差光谱仪并确定棱镜型空间外差光谱仪的基准波长：所述棱镜型空间外差光谱仪包括立方体分束器、两个结构相同的第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、两个结构相同的第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2及CCD探测器，他们的结构关系是第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2代替传统空间外差光谱仪中的两个衍射光栅，第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2的直角边与立方体分束器的边分别平行，第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2分别相对第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2倾斜角度放置，激光器发出光线，经过扩束准直装置进行准直后入射到分束器中，分束器将准直入射光分为两束相干光，一束为反射光，一束为透射光，其中反射光进入第一色散棱镜P1并在出射时发生折射，折射光束经过第一平面反射镜M1反射后返回分束器，透射光进入第二色散棱镜P2并在出射时发生折射，折射光束经过第二平面反射镜M2反射后返回分束器，两束出射光发生干涉形成定域干涉条纹，并成像于CCD探测器上，对干涉条纹进行傅里叶变换即可恢复待测光线的光谱曲线，如图6所示，依据该棱镜型空间外差光谱仪设计需求假定所设计的棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0作为该棱镜型空间外差光谱仪基准波长、选定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜玻璃材质，假定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜顶角角度为α；
本例中，棱镜型空间外差光谱仪基准波长为λ0=0.6328um，并且色散棱镜顶角角度为30°，棱镜型空间外差光谱仪色散棱镜玻璃为BK7材质；
2）确定色散棱镜参数：依据步骤1）中色散棱镜玻璃材质确定色散棱镜波长λ与折
射率n之间的色散公式，获取基准波长下色散棱镜的折射率n，依据折射定律公式
，通过光线追迹分析，对在色散棱镜斜边出射的光束应用折射定律获取出射
光束折射角度γ，本例中，通过查阅该玻璃技术手册得到波长与折射率之间的关系为公式
（2）：
其中，系数K1=1.0396、K2=0.2318、K3=1.0105、L1=0.0060、L2=0.0200、L3=103.56069， 不同的玻璃材质在计算波长和折射率之间的关系时共用同一个色散公式，但具体的区分是，不同的玻璃选用的常系数是不同的，BK7玻璃材质选用的常系数是上述6个常量，将所述棱镜型空间外差光谱仪基准波长λ0=0.6328um代入公式（2）可以计算得出该波长下色散棱镜的折射率n=1.5151；
3）获取棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角：依据色散棱镜、平面反射镜和光轴正交面之间的几何关系得到平面反射镜与光轴正交面夹角θ，即平面反射镜相对于光轴正交面倾斜放置的角度大小，平面反射镜与光轴正交面夹角θ在几何关系上满足公式（1）：
θ=γ-α（1），本例中如图4所示，经分束器出射的光束垂直入射色散棱镜，光束传播方向不会发生变化；光束出射色散棱镜时，满足折射定律公式：
根据色散棱镜内部角度几何关系，入射光线与法线的夹角α等于色散棱镜的顶角，α=30°，
根据上述参量，代入公式，可以计算得到折射光线与法线的夹角，γ=49.24°，
对所述色散棱镜中入射光线做延长线，可以得出角度关系：θ=γ-α，进一步得出θ=19.24°，本例中，如图5所示，色散棱镜、平面反射镜和光轴正交面之间存在几何关系，通过计算可以证明平面反射镜与光轴正交面夹角就是θ角，
通过调整棱镜型空间外差光谱仪第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2，使其相对于光轴正交面倾斜θ=19.24°，则完成该棱镜型空间外差光谱仪基准波长λ0=0.6328um的设置；
4）设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长：依据棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面的夹角为θ，确定该棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0；
5）选用步骤4）确定的波长为λ0的激光器发射光线，本例中根据棱镜型空间外差光谱仪基准波长λ0=0.6328um，选择发射光线波长是0.6328um的氦氖激光进行调试；
6）参照图6，波长为λ0的激光器发射光线经过扩束准直装置后入射到棱镜型空间外差光谱仪，调整棱镜型空间外差光谱仪中平面反射镜，使其与光轴正交面的夹角为α；
7）利用棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集干涉图像，当棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角角度小于夹角θ时， CCD探测器上采集到干涉图像的干涉条纹是向右倾斜的；若大于，则干涉图像的干涉条纹向左倾斜；
8）依据干涉图像完成棱镜型空间外差光谱仪基准波长的调试：当该棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集得到的干涉图像近似等于直流分量，不存在明暗相间的干涉条纹时，即该棱镜型空间外差光谱仪基准波长与激光器发射的光线波长一致，等于仪器系统设计需求的基准波长。
本例中，氦氖激光器放置在扩束准直装置前，使其发射的光线进入扩束准直装置中，得到准直光束。
经过扩束准直的光束入射到所述棱镜型空间外差光谱仪。
粗调节棱镜型空间外差光谱仪中的第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2倾斜角度，使其相对于光轴正交面倾斜θ=19.24°。
通过棱镜型空前外差光谱仪CCD探测器采集到当前的干涉图像，由于存在调节误差，CCD探测器采集到的干涉图像并不是直流分量。
细调节棱镜型空间外差光谱仪中的第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2倾斜角度并观测CCD探测器，采集到的干涉条纹会发生变化，当CCD探测器没有明暗相间的干涉条纹而是出现直流分量时，如图7所示，则完成所述棱镜型空间外差光谱仪基准波长的调试。
Claims (1)
1.一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法，其特征是，包括如下步骤：
1)设计棱镜型空间外差光谱仪并确定棱镜型空间外差光谱仪的基准波长：所述棱镜型空间外差光谱仪包括立方体分束器、两个结构相同的第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、两个结构相同的第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2及CCD探测器，他们的结构关系是第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2、第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2代替传统空间外差光谱仪中的两个衍射光栅，第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2的直角边与立方体分束器的边分别平行，第一平面反射镜M1与第二平面反射镜M2分别相对第一色散棱镜P1与第二色散棱镜P2倾斜角度放置，激光器发出光线，经过扩束准直装置进行准直后入射到分束器中，分束器将准直入射光分为两束相干光，一束为反射光，一束为透射光，其中反射光进入第一色散棱镜P1并在出射时发生折射，折射光束经过第一平面反射镜M1反射后返回分束器，透射光进入第二色散棱镜P2并在出射时发生折射，折射光束经过第二平面反射镜M2反射后返回分束器，两束出射光发生干涉形成定域干涉条纹，并成像于CCD探测器上，对干涉条纹进行傅里叶变换即可恢复待测光线的光谱曲线，依据该棱镜型空间外差光谱仪设计需求假定所设计的棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0作为该棱镜型空间外差光谱仪基准波长、选定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜玻璃材质，假定该棱镜型空间外差光谱仪中色散棱镜顶角角度为α，所述的色散棱镜玻璃材质为BK7玻璃，依据色散棱镜玻璃材质确定色散棱镜波长λ与折射率n之间的色散公式为公式(2)：
2)确定色散棱镜参数：依据步骤1)中色散棱镜玻璃材质确定色散棱镜波长λ与折射率n之间的色散公式，获取基准波长下色散棱镜的折射率n，依据折射定律公式nsinα＝sinγ，通过光线追迹分析，对在色散棱镜斜边出射的光束应用折射定律获取出射光束折射角度γ；
3)获取棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面之间的夹角：依据色散棱镜、平面反射镜和光轴正交面之间的几何关系得到平面反射镜与光轴正交面夹角θ，即平面反射镜相对于光轴正交面倾斜放置的角度大小，平面反射镜与光轴正交面夹角θ在几何关系上满足公式(1)：
θ＝γ-α (1)；
4)设置棱镜型空间外差光谱仪基准波长：依据棱镜型空间外差光谱仪平面反射镜与光轴正交面的夹角为θ，确定该棱镜型空间外差光谱仪的基准波长为λ0；
5)选用步骤4)确定的波长为λ0的激光器发射光线；
6)波长为λ0的激光器发射光线经过扩束准直装置后入射到棱镜型空间外差光谱仪，调整棱镜型空间外差光谱仪中平面反射镜，使其与光轴正交面的夹角为θ；
7)利用棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集干涉图像；
8)依据干涉图像完成棱镜型空间外差光谱仪基准波长的调试：当该棱镜型空间外差光谱仪CCD探测器采集得到的干涉图像近似等于直流分量，不存在明暗相间的干涉条纹时，即该棱镜型空间外差光谱仪基准波长与激光器发射的光线波长一致，等于仪器系统设计需求的基准波长。
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| CN201910061534.8A CN109764963B (zh) | 2019-01-23 | 2019-01-23 | 一种棱镜型空间外差光谱仪基准波长设置及调试方法 |
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