CN113218506A - 一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，被测目标经扫描反射镜进入前置望远系统，前置望远系统将目标辐射信息成像到干涉系统中，干涉系统分为宽谱段干涉系统和精细光谱干涉系统，通过切换反射镜进行选通。两个干涉系统均由多级微反射镜、分束器和平面镜组成，多级微反射镜的结构特点使其能够对入射光场的相位进行调制形成调制光场。被平面镜反射的初始光场和调制光场再次相遇后发生干涉。利用分色镜将干涉光场分成中波红外和长波红外两个波段，经各自的中继成像系统在探测器上形成干涉图像。本发明兼具宽光谱测量和高光谱分辨率功能，满足定性分析和定量监测的要求，同时满足大视场和高空间分辨率信息的远距离测量。

Description

一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪

技术领域

本发明属于成像光谱技术领域，具体涉及一种红外双谱段双干涉系统傅里叶变换成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术由于可以同时获取被测目标的空间和光谱信息，在国际上一直得到广泛关注并得到迅速的发展，目前已在光谱辐射特性研究、环境监测、气象观测、资源考察、军事目标侦察、植被考察监测、地震监测、减灾预报及生物医学诊断等许多方面得到了广泛应用。

近年来，随着科学技术水平的提高，军用与民用技术的进步，特别是环境安全、环境保护以及安全生产形势日益严峻，环境污染以及灾害事故频发，使得对用于突发化学品泄漏、环境和安全监测、有毒有害物质监控以及反恐防化等领域现场检测的环境适用性强、高稳定性、高可靠性的宽谱段大视场中长波红外成像光谱仪器提出了十分迫切的需求。

从目前国内外频发的危险品仓库爆炸事故的救援过程可以看出，准确及时地掌握现场情况已经成为挽救生命、减少伤亡以及保护财产安全最关键的环节之一，更显示出对现场检测仪器的需求的迫切性。这种现场的突出特点是范围大、环境危险、同时存在多污染核心点、特征污染物成份复杂且未知等，给救援带来了巨大困难。在爆炸事故中，目前主要采用了地面傅立叶变换红外光谱仪遥测及卫星遥感成像等手段获得现场的光谱与图像信息。所存在的问题是一台光谱仪器在同一时间内仅能进行单目标点的光谱探测，而机载或星载成像仪获取现场图像受到飞机或卫星的时间重返率限制，不能及时得到现场的瞬时信息。

迄今为止，国际上已经对兼具光谱测量和成像功能的成像光谱仪器进行了大量的研究和应用，在可见-近红外波段包括色散原理的光栅或棱镜成像光谱仪、干涉原理的时间调制或空间调制成像光谱仪；在中长波波段主要为基于干涉原理的时间调制或空间调制成像光谱仪。中长波检测仪器所存在的多方面技术瓶颈，使之难以满足日益增长的日常监测及环境突发事件监测领域的迫切应用需求。在仪器稳定性及对工作环境的要求方面，虽然国外的傅里叶变换红外成像光谱仪器对红外干涉系统进行了不断的优化，但目前干涉系统中动镜机构的存在仍然使仪器的稳定性、可靠性以及环境适应能力等受到很大影响。而国内的动镜干涉系统技术水平与发达国家存在差距，使得以上问题更加突出。空间调制傅里叶变换成像光谱仪则存在着光通量低的突出问题。在仪器的体积重量方面，由于传统动镜扫描干涉系统中驱动机构及采样参考系统的存在，使得系统的紧凑化和小型化进程受到限制。在仪器性能方面，光谱分辨率与视场角之间存在相互制约的矛盾，使得高光谱分辨率与大视场不能同时满足。

发明内容

本发明为了解决现有传统的红外成像光谱仪存在的一些原理性的缺陷，提出了一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，采用时空联合调制方式，避免了色散成像光谱仪不能高精度测量红外宽波段光谱的缺陷，以及分辨率与光通量之间的矛盾；避免了时间调制成像光谱仪因含有运动部件而存在的系统加工和控制困难、系统的重复性和可靠性难以保证以及系统的实时性差的问题；也避免了空间调制傅里叶变换成像光谱仪由于狭缝结构的存在导致的光通量低的问题。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，包括前置望远系统、干涉系统、红外成像系统、扫描反射镜、第一切换反射镜、第二切换反射镜和分色镜；

扫描反射镜对待测目标进行扫描，获取待测目标的初始光场信息；

干涉系统包括用于进行全谱段光谱测量的宽谱段干涉系统和用于实现高分辨率光谱测量的精细光谱干涉系统；

第一切换反射镜与前置望远系统的光轴平行或成45°夹角，用于折转经前置望远系统出射的初始光场的光路，使初始光场进入由宽谱段干涉系统形成的宽谱段干涉光场或进入由精细光谱干涉系统形成的精细光谱干涉光场；

第二切换反射镜与干涉系统的出射光轴平行或成135°夹角，第一切换反射镜与第二切换反射镜配合，用于切换宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场的光路，使宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场进入分色镜；

分色镜与干涉系统的出射光轴成135°夹角，用于将重合在分色镜上的宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场的波长进行波段选择，使其成像在红外成像系统中对应的探测器上，形成干涉图像。

优选地，宽谱段干涉系统包括宽谱段多级微反射镜、宽谱段分束器和宽谱段平面镜，宽谱段分束器将进入宽谱段干涉系统的初始光场能量等分，形成两个相干的像场，分别反射到宽谱段平面镜、透射到宽谱段多级微反射镜上；

精细光谱干涉系统包括精细光谱多级微反射镜、精细光谱分束器、精细光谱平面镜，精细光谱分束器将进入精细光谱干涉系统的初始光场能量等分，形成两个相干的像场，分别反射到精细光谱平面镜、透射到精细光谱多级微反射镜上。

优选地，宽谱段多级微反射镜和精细光谱多级微反射镜均为阶梯型结构，均位于前置望远系统的像方焦面上，两者的阶梯高度不同，用于对初始光场进行分布式相位调制，形成调制光场。

优选地，宽谱段多级微反射镜的阶梯高度d₁满足下式：

d₁≤1/(4ν_max)＝λ_min/4 (1)

其中，ν_max为光信号的最大波数，

λ_min为最小波长；

精细光谱多级微反射镜的阶梯高度d₂满足下式：

d₂≤1/(4BW) (2)

其中，BW为待测目标发射光谱谱线带宽。

优选地，宽谱段平面镜和精细光谱平面镜均位于前置望远系统的像方焦面，宽谱段平面镜反射的初始光场与经宽谱段干涉系统形成的调制光场在宽谱段分束器相遇发生干涉，形成宽谱段干涉光场；

精细光谱平面镜反射的初始光场与经精细光谱干涉系统形成的调制光场在精细光谱分束器相遇发生干涉，形成精细光谱干涉光场。

优选地，红外成像系统包括用于获得干涉图像的，位于分色镜透射光路上的长波红外成像系统和位于分色镜反射光路上的中波红外成像系统。

优选地，中波红外成像系统包括依次同轴设置的中波红外中继成像子系统、中波红外滤光片轮和中波红外探测器；

长波红外成像系统包括依次同轴设置的长波红外中继成像子系统、长波红外滤光片轮和长波红外探测器。

优选地，中波红外中继成像子系统用于将位于中波段的宽谱段干涉光场或所述精细光谱干涉光场成像到中波红外探测器上；

长波红外中继成像子系统用于将位于长波段的宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场成像到长波红外探测器上。

优选地，中波红外滤光片轮包括一个位于中波红外波段的中波全带宽滤光片和至少一个位于中波红外波段的中波窄带滤光片；

长波红外滤光片轮包括一个位于长波红外波段的长波全带宽滤光片和至少一个位于长波红外波段的长波窄带滤光片。

优选地，扫描反射镜沿垂直于宽谱段多级微反射镜和精细光谱多级微反射镜的阶梯的方向进行扫描，宽谱段多级微反射镜的阶梯的方向与精细光谱多级微反射镜的阶梯的方向相同。

优选地，还包括用于扩大仪器检测覆盖范围的俯仰与方位轴系，俯仰轴系的覆盖范围为±30°，方位轴系的覆盖范围为360°。

优选地，宽谱段多级微反射镜和精细光谱多级微反射镜均为大阶梯数密集多级微反射镜，通过以下步骤制备：

步骤1、在第一基底表面涂覆光刻胶，利用第一掩膜版在第一基底的表面得到光刻胶掩膜图形；

步骤2、制备第一沉积膜层，第一沉积膜层的厚度为第一大阶梯数密集多级微反射镜阶梯级数N与阶梯高度H的乘积的一半，即NH/2；

步骤3、去除光刻胶，得到具有两个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构；

步骤4、在第一基底和第二基底的表面涂覆光刻胶，用第二掩膜版进行二次光刻，形成所需掩膜胶图形；

步骤5、制备第二沉积膜层，第二沉积膜层的厚度为NH/2²；

步骤6、去除第二基底的表面的光刻胶，得到具有四个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明采用时空联合调制方式，避免了时间调制原理成像光谱仪对应用环境的严格限制及所产生的稳定性、可靠性问题，也克服了空间调制原理仪器狭缝对通光口径的制约。

2、本发明的工作谱段覆盖中波与长波红外谱段，可包含多种有毒有害气体及有机物指纹谱。

3、本发明的光谱分辨率具有宽光谱和精细光谱一体化同时测量功能，宽光谱测量用于目标光谱的定性测量，其光谱分辨率可满足现场定性测量需要，精细光谱测量的光谱分辨率用于特定光谱目标的定量分析，具有更高的光谱分辨能力。

4、本发明的测量范围可实现360°×60°，视场角大，覆盖范围广，一次扫描俯仰方向覆盖绝大多数楼房、厂房等建筑物，具有更高的空间分辨能力和更大的测量视场。同时，将微光机电系统器件及工艺技术引入成像光谱仪器中，可增加系统的结构精度，并利于仪器的小型化与轻量化。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光路示意图；

图2是本发明一个实施例的两个干涉系统的多级微反射镜结构示意图；

图3是本发明一个实施例的多级微反射镜的制备流程图；

图4是本发明一个实施例的光谱仪制作流程图；

图5是本发明另一个实施例的光谱仪制作流程图。

附图标记：

扫描反射镜1、前置望远系统2、

宽谱段干涉系统3、宽谱段多级微反射镜31、宽谱段分束器32、宽谱段平面镜33、

精细光谱干涉系统4、精细光谱多级微反射镜41、精细光谱分束器42、精细光谱平面镜43、

第一切换反射镜5、第二切换反射镜6、分色镜7、

长波红外成像系统8、长波红外中继成像子系统81、长波红外滤光片轮82、长波红外探测器83、

中波红外成像系统9、中波红外中继成像子系统91、中波红外滤光片轮92、中波红外探测器93、

第一掩膜版101、第二掩膜版102、第一基底103、光刻胶104、第一沉积膜层105、第二沉积膜层106。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，干涉系统由多级微反射镜、平面镜以及分束器组成，通过多级微反射镜替代时间调制仪器的动镜机构产生光程差，实现干涉图像的空间离散采样。下面将对本发明提供的一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，通过具体实施例来进行详细说明。

参见图1，前置望远系统2将利用扫描反射镜1获取的待测目标辐射信息的初始光场成像到干涉系统中，干涉系统分为宽谱段干涉系统3和精细光谱干涉系统4，通过第一切换反射镜5对宽谱段干涉系统3和精细光谱干涉系统4进行选通。

初始光场经宽谱段干涉系统3和精细光谱干涉系统4内的分束器分别成像到该各自系统内的多级微反射镜和平面镜上。宽谱段平面镜33反射的初始光场和被宽谱段多级微反射镜31反射的调制光场经过宽谱段分束器32再次相遇后发生干涉，形成宽谱段干涉光场；精细光谱平面镜43反射的初始光场和精细光谱多级微反射镜41反射的调制光场经过精细光谱分束器42再次相遇后发生干涉，形成精细光谱干涉光场。

分色镜7将宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场分成中波红外和长波红外两个谱段，使其分别成像在各自谱段对应的红外成像系统的探测器上，形成干涉图像。

在本发明的一个优选实施例中，第一切换反射镜5和第二切换反射镜6用于实现宽谱段干涉系统3和精细光谱干涉系统4之间的切换。

当第一切换反射镜5处于开启状态时，光束进入由宽谱段分束器32、宽谱段平面镜33和宽谱段多级微反射镜31构成的宽谱段干涉系统3，此时第二切换反射镜6处于闭合状态，如图1中实线所示。

当第一切换反射镜5处于开启、第二切换反射镜6处于闭合状态时，宽谱段分束器32将由前置望远系统2出射的初始光场进行能量等分，形成两个相干的像场，一个反射到宽谱段平面镜33上，另一个透过宽谱段分束器32透射到宽谱段多级微反射镜31上。

当第一切换反射镜5处于闭合状态时、第二切换反射镜6处于开启状态时，如图1中虚线所示，光束进入由精细光谱分束器42、精细光谱平面镜43和精细光谱多级微反射镜41构成的精细光谱干涉系统4，精细光谱分束器42将进入精细光谱干涉系统4的初始光场能量等分，形成两个相干的像场，分别反射到精细光谱平面镜43、透射到精细光谱多级微反射镜41上。

将宽谱段多级微反射镜31和精细光谱多级微反射镜41置于前置望远系统2的两个像方焦面上，因其具有不同的阶梯高度，能够对初始光场进行分布式相位调制，形成调制光场。

在本发明的一个优选实施例中，参考图2示出的多级微反射镜结构，对于宽谱段干涉系统3，在通过离散光程差对干涉图像进行采样时，干涉系统的采样频率f₁大于光信号的最大高波数ν_max的2倍，即f₁≥2ν_max。因此，宽谱段干涉系统3的最大采样间隔应满足Δ₁≤1/(2ν_max)＝λ_min/2。此时，宽谱段多级微反射镜31的阶梯高度d₁应满足如下要求，

d₁≤1/(4ν_max)＝λ_min/4 (1)；

即，当系统工作在中长波红外波段时，光谱范围位于3-5μm和8-12μm波段，宽谱段多级微反射镜31的阶梯高度应满足d₁≤0.75μm。

对于精细光谱干涉系统4，为实现高的光谱分辨率，需要增加干涉系统的采样长度。为了保证干涉图在采样过程中不丢失信息，干涉系统的采样频率f₂大于被测目标发射光谱谱线带宽BW为的2倍，即f₂≥2BW。因此，精细光谱干涉系统4的最大采样间隔应满足Δ₂≤1/(2BW)，精细光谱多级微反射镜41的阶梯高度d₂应满足如下要求：

d₂≤1/(4BW) (2)；

即当中长波光谱范围内待测目标发射谱线的光谱带宽为BW＝200cm^-1，此时精细光谱多级微反射镜41的阶梯高度应满足d₂≤12.5μm。

继续参见图1，宽谱段平面镜33和精细光谱平面镜43均位于前置望远系统2的像方焦面上，用于将经由宽谱段分束器32和精细光谱分束器42入射的初始光场，反射回宽谱段分束器32和精细光谱分束器42。

在本发明的一个优选实施例中，红外成像系统包括位于分色镜7透射光路上的长波红外成像系统8和位于分色镜7反射光路上的中波红外成像系统9。

长波红外成像系统8包括长波红外中继成像子系统81、长波红外滤光片轮82和长波红外探测器83，中波红外成像系统9包括中波红外中继成像子系统91、中波红外滤光片轮92、中波红外探测器93。

由于分色镜7具有波长选择功能，将宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场中，中波红外谱段的部分反射到中波红外中继成像子系统91中，将长波红外波段的部分透射到长波红外中继成像子系统81中。

从长波红外中继成像子系统81或中波红外中继成像子系统91出射的光束经过对应的长波红外滤光片轮82或中波红外滤光片轮92进行滤波，最后成像在长波红外探测器83或中波红外探测器93上，形成干涉图像。

长波红外滤光片轮82包括一个位于长波红外波段的长波全带宽滤光片和至少一个位于长波红外波段的长波窄带滤光片；中波红外滤光片轮92包括一个位于中波红外波段的中波全带宽滤光片和至少一个位于中波红外波段的中波窄带滤光片。

对于宽谱段干涉系统3，按照成像光谱仪进行全谱段光谱探测的原则，将第一切换反射镜5切换到宽谱段干涉系统3，并将长波红外滤光片轮82和中波红外滤光片轮92旋转到全带宽滤光片位置。宽谱段多级微反射镜31对光程差的采样间隔足够密，其Nyquist频率大于光谱波段内的最高频率，覆盖整个光谱范围内的光谱测量。

对于精细光谱干涉系统4，将第一切换反射镜5切换到精细光谱干涉系统4，并将长波红外滤光片轮82和中波红外滤光片轮92轮旋转到各不同波长的窄带滤光片位置。精细光谱多级微反射镜41对光程差的采样间隔较大，形成较长的采样长度，实现较高的光谱分辨率。采样间隔越大，系统的光谱带宽就越小。通过两个滤光片轮切换便实现各个频带内光谱的高分辨率的光谱测量。

在本发明的一个优选实施例中，宽谱段多级微反射镜31和精细光谱多级微反射镜41的阶梯的方向相同，将扫描反射镜1沿垂直于宽谱段多级微反射镜31和精细光谱多级微反射镜41的阶梯的方向进行扫描，使待测目标依次通过所有阶梯的相位调制，产生干涉图像帧序列，即三维数据立方。

在本发明的另一个实施例中，设多级微反射镜的阶梯高度为d(对于宽谱段干涉系统3阶梯高度d₁≤1/(4f_c)，对于精细光谱干涉系统4阶梯高度d₂≤1/(4BW))，波数为ν的单色波被第n个阶梯调制后的位相调制量为：

由傅里叶变换光谱学原理，第n个干涉级次的干涉图像的函数形式为：

其中，B(v)为待测目标的光谱；

将所记录的干涉图像剪切为对应各个特定干涉级次的图像单元，并将相同级次的图像单元按时间顺序进行拼接便可以获得一幅图像；

将相同物点的图像单元按阶梯顺序进行拼接便可以获得物点不同级次的干涉图像，最后通过傅里叶变换得到待测目标上相应物点的光谱信息。

B(v)＝2d∑_nI(n)exp[-j2πνn2d] (5)。

在本发明的一个优选实施例中，红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪还设有俯仰与方位轴系用于扩大仪器的覆盖范围。其中俯仰轴系的覆盖范围为±30°，方位轴系的覆盖范围为360°。

在全景扫描过程中，方位电机带动光谱仪整体360°连续旋转，既实现了对被测景物的连续多幅干涉成像，又实现了360°全方向覆盖。在俯仰方向上可根据实际需求选择条带俯仰角度，即当完成一个360°方位条带扫描后，根据输入指令俯仰电机带动俯仰扫描镜转动至给定区域开始连续扫描。这种工作方式是连续的，因此获得的光谱图像数据在空间上可以实现无缝拼接。

在重点目标凝视监测过程中，本发明的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪通过驱动俯仰、方位轴系的伺服机构，使其对重点目标进行凝视成像，从而达到对重点目标高时间分辨率的频谱数据监控。这种工作方式是阶跃的，获得的图像数据为多个重点目标图像光谱信息。

在本发明的一个优选实施例中，宽谱段多级微反射镜31和精细光谱多级微反射镜41均为大阶梯数密集多级微反射镜，通过以下步骤制备，参见图3：

步骤一、在第一基底103表面涂覆光刻胶104，通过光刻技术利用第一掩膜版101在第一基底103上得到光刻胶掩膜图形，第一掩膜版101的明暗条纹的宽度各为第一大阶梯数密集多级微反射镜有效阶梯表面总宽度L的一半；

步骤二、采用成膜工艺将膜层材料沉积于第一基底103表面，得到第一沉积膜层105，其厚度为第一大阶梯数密集多级微反射镜阶梯级数N与阶梯高度H的乘积的一半，即NH/2；

步骤三、去除光刻胶104，得到具有两个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构；

步骤四、以第一沉积膜层105作为第二基底，在第一基底103和第二基底的表面涂覆光刻胶104，利用第二掩膜版102进行第二次光刻，形成所需光刻掩膜胶图形，第二掩膜版102的明暗条纹的宽度各为L/2²；

步骤五、将膜层材料沉积于二次光刻后第二基底的表面，形成第二沉积膜层106，第二沉积膜层106的厚度为NH/2²；

步骤六、去除第二基底上的光刻胶104，得到具有四个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构。

依照以上步骤制作各阶梯膜层，直至达到所需级数，第n块光刻版明条纹和暗条纹的宽度各为L/2ⁿ，第n次沉积的膜层厚度为NH/2ⁿ，制作完成所需级数的大阶梯数密集多级微反射镜后，在该结构的阶梯表面上蒸镀或溅射红外高反射膜及保护膜，得到完整的大阶梯数密集多级微反射镜结构。

图4示出了本发明一个优选实施例的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪制作的流程图，结合图1并参见图：

采用激光作为入射光，将前置望远系统2置于扩束后的光路中，使扩束后的激光覆盖前置望远系统2的口径；

将宽谱段分束器32沿与光轴45°方向放置在前置望远系统2的出射光路中，调节宽谱段分束器32的位置，使其接收全口径入射的光束，无光束溢出；

将宽谱段平面镜33和宽谱段多级微反射镜31分别放置在宽谱段分束器32的反射光路中和透射光路中，中心对准；

调节宽谱段多级微反射镜31与宽谱段平面镜33的空间位置，使激光光束聚焦在宽谱段平面镜33的中线位置和宽谱段多级微反射镜31的中间阶梯的中心；

将第一切换反射镜5沿与光轴成135°方向插入到前置望远系统2与宽谱段分束器32之间，调节第一切换反射镜5的位置使其接收全口径光束，无光束溢出；

将精细光谱分束器42沿与光轴成135°方向放置在第一切换反射镜5的反射光路中，调节精细光谱分束器42的位置使其接收全口径光束，无光束溢出；

将精细光谱平面镜43和精细光谱多级微反射镜41分别放置在精细光谱分束器42的反射光路中和透射光路中，中心对准；

调节精细光谱平面镜43与精细光谱多级微反射镜41的空间位置，直至激光光束聚焦在精细光谱平面镜43的中线位置和精细光谱多级微反射镜41的中间阶梯的中心；

将第二切换反射镜6沿与光轴成135°方向插入到精细光谱平面镜43与宽谱段平面镜33的出射光路中；

分别切入和切出第一切换反射镜5，调节第二切换反射镜6的位置和角度，直到由宽光谱干涉系统3和精细光谱干涉系统4出射的光束在第二切换反射镜6处重合；

将分色镜7沿与光轴成135°方向放置在第二切换反射镜6的出射光路中；

将中波红外中继成像子系统91和将长波红外中继成像子系统81分别放置在分色镜7的反射光路与透射光路中，中心对准；

将中波红外探测器93和长波红外探测器83分别放置在中波红外中继成像子系统91像面和长波红外中继成像子系统81像面处，调节使之成像；

将中波红外滤光片轮92和长波红外滤光片轮82分别插入到中波红外中继成像子系统91与中波红外探测器93之间，长波红外中继成像子系统81与长波红外探测器83之间，调节位置使其接收全口径光束，无光束溢出；

将扫描反射镜1放置在前置望远系统2物方焦面上，移除激光光束。

通过上述方式搭建的光谱仪利用静态双干涉系统的设置方式，使其具备很强的环境适应性，稳定性好、抗震动能力强，集成度高，便于运载；并且在光谱测量功能方面，兼具宽光谱测量和高光谱分辨率功能，同时满足定性分析和定量监测的要求；在图像获取方面，满足大视场和高空间分辨率信息的远距离测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，包括前置望远系统、干涉系统、红外成像系统，其特征在于，还包括扫描反射镜、第一切换反射镜、第二切换反射镜和分色镜；

所述扫描反射镜对待测目标进行扫描，获取所述待测目标的初始光场信息；

所述干涉系统包括用于进行全谱段光谱测量的宽谱段干涉系统和用于实现高分辨率光谱测量的精细光谱干涉系统；

所述第一切换反射镜与所述前置望远系统的光轴平行或成45°夹角，用于折转经所述前置望远系统出射的所述初始光场的光路，使所述初始光场进入由所述宽谱段干涉系统形成的宽谱段干涉光场或进入由所述精细光谱干涉系统形成的精细光谱干涉光场；

所述第二切换反射镜与所述干涉系统的出射光轴平行或成135°夹角，所述第二切换反射镜与所述第一切换反射镜配合，用于切换所述宽谱段干涉光场或精细光谱干涉光场的光路，使所述宽谱段干涉光场或所述精细光谱干涉光场进入所述分色镜；

所述分色镜与所述干涉系统的出射光轴成135°夹角，用于将重合在所述分色镜上的所述宽谱段干涉光场或所述精细光谱干涉光场的波长进行波段选择，使其成像在所述红外成像系统对应的探测器上，形成干涉图像。

2.根据权利要求1所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述宽谱段干涉系统包括宽谱段多级微反射镜、宽谱段分束器和宽谱段平面镜，所述宽谱段分束器用于将进入所述宽谱段干涉系统的所述初始光场能量等分，形成两个相干的像场，分别反射到所述宽谱段平面镜、透射到所述宽谱段多级微反射镜上；

所述精细光谱干涉系统包括精细光谱多级微反射镜、精细光谱分束器和精细光谱平面镜，所述精细光谱分束器用于将进入所述精细光谱干涉系统的所述初始光场能量等分，形成两个相干的像场，分别反射到所述精细光谱平面镜、透射到所述精细光谱多级微反射镜上。

3.根据权利要求2所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述宽谱段多级微反射镜和所述精细光谱多级微反射镜均为阶梯型结构，分别位于所述前置望远系统的两个像方焦面，两者的阶梯高度不同，用于对所述初始光场进行分布式相位调制，形成调制光场。

4.根据权利要求3所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述宽谱段多级微反射镜的阶梯高度d₁满足下式：

d₁≤1/(4ν_max)＝λ_min/4 (1)

其中，ν_max为光信号的最大波数，

λ_min为最小波长；

所述精细光谱多级微反射镜的阶梯高度d₂满足下式：

d₂≤1/(4BW) (2)

其中，BW为所述待测目标发射的光谱谱线带宽。

5.根据权利要求3所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述宽谱段平面镜反射的所述初始光场与经所述宽谱段干涉系统形成的所述调制光场在所述宽谱段分束器相遇发生干涉，形成所述宽谱段干涉光场；

所述精细光谱平面镜反射的所述初始光场与经所述精细光谱干涉系统形成的所述调制光场在所述精细光谱分束器相遇发生干涉，形成所述精细光谱干涉光场。

6.根据权利要求1所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述红外成像系统包括用于获得所述干涉图像的，位于所述分色镜透射光路上的长波红外成像系统和位于所述分色镜反射光路上的中波红外成像系统。

7.根据权利要求6所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述中波红外成像系统包括依次同轴设置的中波红外中继成像子系统、中波红外滤光片轮和中波红外探测器；

所述长波红外成像系统包括依次同轴设置的长波红外中继成像子系统、长波红外滤光片轮和长波红外探测器。

8.根据权利要求7所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述中波红外中继成像子系统用于将位于中波段的所述宽谱段干涉光场或所述精细光谱干涉光场成像到所述中波红外探测器上；

所述长波红外中继成像子系统用于将位于长波段的所述宽谱段干涉光场或所述精细光谱干涉光场成像到所述长波红外探测器上。

9.根据权利要求7所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述中波红外滤光片轮包括一个位于中波红外波段的中波全带宽滤光片和至少一个位于所述中波红外波段的中波窄带滤光片；

所述长波红外滤光片轮包括一个位于长波红外波段的长波全带宽滤光片和至少一个位于所述长波红外波段的长波窄带滤光片。

10.根据权利要求4所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述扫描反射镜沿垂直于所述宽谱段多级微反射镜和所述精细光谱多级微反射镜的阶梯的方向进行扫描，所述宽谱段多级微反射镜的阶梯的方向与所述精细光谱多级微反射镜的阶梯的方向相同。

11.根据权利要求1所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪还包括用于扩大仪器检测覆盖范围的俯仰轴系与方位轴系，所述俯仰轴系的覆盖范围为±30°，所述方位轴系的覆盖范围为360°。

12.根据权利要求2所述的红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，所述宽谱段多级微反射镜和所述精细光谱多级微反射镜均为大阶梯数密集多级微反射镜，通过以下步骤制备：

步骤1、在第一基底表面涂覆光刻胶，利用第一掩膜版在所述第一基底的表面得到光刻胶掩膜图形；

步骤2、制备第一沉积膜层，所述第一沉积膜层的厚度为第一大阶梯数密集多级微反射镜阶梯级数N与阶梯高度H的乘积的一半，即NH/2；

步骤3、去除所述光刻胶，得到具有两个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构；

步骤4、在所述第一基底和第二基底的表面涂覆所述光刻胶，用第二掩膜版进行二次光刻，形成所需掩膜胶图形；

步骤5、制备第二沉积膜层，所述第二沉积膜层的厚度为NH/2²；

步骤6、去除所述第二基底的表面的光刻胶，得到具有四个阶梯面的大阶梯数密集多级微反射镜结构。

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