CN2667475Y - 反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪，它的光路结构包括一套反射式前置光学系统、狭缝、分振幅分束干涉装置、凹面反射镜、柱面反射镜、面阵探测器、信号采集处理装置；由一片分束镜和一套多面组合反射镜组成的分振幅分束干涉装置位于光学狭缝之后，前置光学系统将目标成像于一维狭缝上；狭缝的像投射到分振幅分束干涉装置上，并被分成两束能量相等的具有一定交角的相干光；这两束光再经过凹面反射镜和柱面反射镜聚焦投射到一个面阵探测器上，在探测器表面形成干涉图案并被探测器接收。本实用新型的光学装置具有光谱波段宽、光谱分辨率高、光通量高、视场大、无色像差、图像信噪比高等特点。

Description

反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪的光路结构，属于空间遥感技术领域中成像光谱仪的设计技术范畴，特别涉及空间调制分振幅干涉型成像光谱仪的分束干涉装置的光学结构设计。

背景技术

干涉型成像光谱仪又称作傅里叶变换(Fourier Trans form)成像光谱仪。从光学原理上看，干涉型成像光谱仪目前主要可以划分为时间调制(Temporarily Modulated)型成像光谱仪和空间调制(Spatially Modulated)型成像光谱仪两大类。其中，前者以依靠动镜扫描的迈克尔逊型(Michelson)傅里叶变换成像光谱仪为代表；后者的典型代表主要有Sagnac分束式傅里叶变换成像光谱仪(或其变体)以及双折射晶体分束式(或偏振干涉式)傅里叶变换成像光谱仪等。目前国内外已就空间调制型傅里叶变换成像光谱仪进行了一些研究，例如，文献[1]、[2]、[3]介绍的采用Sagnac型分束干涉部件的空间调制型傅里叶变换成像光谱仪；文献[4，5]介绍的采用偏振型分束干涉器件的空间调制型傅里叶变换成像光谱仪；上述装置都采用了多个透射式光学部件。

在专利方面，中国专利No.99115952和No.99256131分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪；No.01213109、No.01213108以及No.99256129分别介绍了采用偏振型器件的干涉型成像光谱仪。上述发明装置的共同点是都包含多个透射式光学部件。

由于空间调制型傅里叶变换成像光谱仪采用了无动镜扫描的二维焦平面阵列探测器结构，因此在扫描速度、灵敏度、抗振动性等方面具有明显优势。但从原理上看，透射式光学元件或材料的采用不利于干涉型成像光谱仪总体性能的进一步提高。例如，单波段的光谱带宽受到光学材料的光谱透过范围的限制，这一点将导致整个仪器的波段数增加，从而加大整个系统结构的复杂程度；又例如，透射光学元件材料的非均匀性可能导致空间干涉条纹的质量劣化，从而降低所获取光谱图像的信噪比。

                                    参考文献

[1]R.G.Sellar，J.B.Rafert，The effects of aberrations on spatially modulated Fouriertransform spec-trometers.Opt.Engng.，1994，33(16)：3087～3092.

[2]R.G.ellar，J.B.Rafert，Fourier transform imaging spectrometer with a single toroidaloptic.Appl.Opt.，1995，34(16)：2931～2933.

[3]J.B.Rafert，R.G.Sellar，J.H.Blatt，Monolithic Fourier transform imaging spectrometer.Appl.Opt.，1995，34(31)：7228～7230.

[4]P.D.Hammer，E.P.J.Valero，D.L.Peterson，An imaging interferometer for terrestrialremote sensing.Proc.SPIE，1993.1937：244～255.

[5]W.H.Smith，P.D.Hammer，Digital array scanned interferometer：sensors and results.Appl.Opt.，1996，35(16)：2902～2909.

[6]张淳民 相里斌 赵葆常 杨建峰，超小型稳态偏振干涉成像光谱仪，中国专利：01213109。

[7]张淳民，稳态大视场偏振干涉成像光谱仪，中国专利：01213108。

[8]相里斌 杨建峰 阮萍 张淳民 王炜，偏振型干涉成像光谱仪，中国专利：99256129。

[9]相里斌 赵葆常 杨建峰 王炜 原新晶 高立民 王忠厚 袁艳，高灵敏度干涉成像光谱装置，中国专利：99256131。

[10]相里斌 赵葆常 杨建峰 原新晶 高立民 王忠厚 袁艳 王炜，一种干涉成像光谱技术及其装置，中国专利：99115952。

发明内容  为了克服现有空间调制型傅里叶变换成像光谱仪的透射式分束光路结构带来的问题，本发明提出一种由反射式光学元件组成的空间调制型分振幅干涉成像光谱仪。其特点是采用一片分束镜和一套多面组合反射镜作为分束干涉结构，在此基础上形成一种具有反射光路结构的空间调制分振幅干涉型成像光谱仪。本发明的光学装置具有光谱波段宽、光谱分辨率高、光通量高、视场大、无色像差、图像信噪比高等特点。

附图说明

图1为本发明的反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪的光路结构示意。

图2为本发明分振幅分束干涉装置中采用三片反射镜时的分束干涉结构光路示意。

图3为本发明分振幅分束干涉装置中采用两片反射镜时的分束干涉结构光路示意。

图4为本发明的分束干涉产生等效光路原理示意。

图5为本发明的光程差产生原理示意。

图中主要结构为：1-反射式前置光学系统，2-狭缝，3-分振幅分束干涉装置，4-凹面反射镜，5-柱面反射镜，6-面阵探测器，7-信号采集处理装置，8-分束镜，9-平面反射镜，10-平面反射镜，11-平面反射镜。

具体实施方式  本发明叙述的反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪的分振幅分束干涉装置，其特点是在分束光路中采用一片分束镜和一套多面组合反射镜作为分束干涉结构，此多面组合反射镜由n片平面反射镜组合而成，其中n＞1。以n＝3和n＝2的情况分别对本发明的工作原理说明如下。

如图1所示，本发明装置由反射式前置光学系统1、狭缝2、分振幅分束干涉装置3、凹面反射镜4、柱面反射镜5、面阵探测器6以及信号采集处理装置7组成。其中凹面反射镜4和柱面反射镜5有共同的焦平面，此焦平面位于面阵探测器6上。

反射式前置光学系统1把远距离的线状物成像在入射狭缝2上，这相当于在空间遥感系统中，把垂直于推扫方向的远距离地面的一条线状物成像于干涉系统的入射狭缝上。由狭缝2出射的光传播至分振幅分束干涉装置3上，它们可以将一束入射光通过分振幅分束的方式分成两束满足光束相干条件的出射光。这两束分束光经凹面反射镜4聚焦反射至柱面反射镜5(其母线与狭缝方向垂直、焦平面与凹面反射镜4共轭)可在面阵探测器6上实现一维成像，该一维像与狭缝方向平行。面阵探测器6将采集的一维分布的光学干涉条纹以及另一维分布的光学灰度图像转换为电信号。信号采集处理装置7对所接收到的数据实施空域到频域的傅立叶变换，就可以求出沿狭缝方向分布的一维灰度图像的光谱分布。另一维灰度图案的光谱分布可以由推扫过程产生。

当分振幅分束干涉装置3由一片分束镜和三片平面反射镜组成时(n＝3)，系统的分束干涉结构光路如图2所示：由狭缝2出射的光传播至由分束镜8、平面反射镜9、平面反射镜10、平面反射镜11组成的分束干涉系统上，其中平面反射镜9和平面反射镜11应有一个微小的交角θ。分束镜8是一个镀膜的半反半透镜，其作用是将入射在其上的光一部分反射，其余的部分透射，由此将一束入射光通过分振幅分束的方式分成两束出射光。出射的反射光投射在平面反射镜9后被反射至平面反射镜10上，又再次被反射到分束镜8上，此时光线将被透射，出射至凹面反射镜4表面；被分束镜8分束的透射光投射在平面反射镜11上，反射在平面反射镜10后又被反射至分束镜8，此时光线将被反射，出射至凹面反射镜4表面。由于入射在凹面反射镜4表面的这两束光是由同一束光线经分振幅分束形成的，且两束光都经过了三次反射和一次透射后才会聚，因此它们满足光束的相干条件，即：有相互平行的扰动分量、相同的频率及稳定的位相差。

当分振幅分束干涉装置3由一片分束镜和两片平面反射镜组成时(n＝2)，系统的分束干涉结构光路如图3所示：由狭缝2出射的光传播至由分束镜8、平面反射镜9、平面反射镜10组成的分束干涉系统上，其中平面反射镜9和平面反射镜10之间的交角为90°-θ。分束镜8是一个镀膜的半反半透镜，其作用是将入射在其上的光一部分反射，其余的部分透射，由此将一束入射光通过分振幅分束的方式分成两束出射光。出射的反射光投射在平面反射镜9后被反射回分束镜8，此时光线将被透射，出射至凹面反射镜4表面；被分束镜8分束的透射光投射在平面反射镜10上后被反射回分束镜8，此时光线将被反射，出射至凹面反射镜4表面。由于入射在凹面反射镜4表面的这两束光是由同一束光线经分振幅分束形成的，且两束光都经过了两次反射和一次透射后才会聚，因此它们也满足光束的相干条件。

在本发明设计中分振幅分束干涉装置3均包含一片分束镜和一套多面组合反射镜，其中多面组合反射镜可以由n片平面反射镜组合而成(其中n＞1)。结构设计保证入射光在经分振幅分束装置后分成的两束光有相同的反射及透射次数，且出射的两束光具有一定的交角。

系统产生干涉条纹的等效光路图如图4所示，将狭缝2出射的光作为系统的实际光源，记为L，通过分束结构后光线被分成两束相干光，相当于由两个虚光源L₁，L₂发出的两束光，L₁、L₂的距离是a。它们通过光学元件(即发明装置中凹面反射镜7)后成像于焦平面(即发明装置中面阵探测器6)上。光学元件的焦距为f，狭缝面到光学元件的距离是r，狭缝面到焦平面的距离是b，被分束的两条光线交角应为2θ。则：

α＝2rsin2θ                           (1)

本发明装置分光干涉结构光程差产生的原理由图5所示，任意P点产生的光程差δ为：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{a\ξ}}{b}----\left(2\right)$

则在面阵探测器6上产生的干涉强度为：

$I\left(\mathrm{\ξ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}B\left(v\right)\cos \left(2\mathrm{\πv\δ}\right)\mathrm{dv}----\left(3\right)$

其中：B(v)是光源强度，v为波数。

本发明装置采用分振幅分束干涉，分振幅干涉的特点是它可以使用扩展光源来获得较高的条纹亮度，同时又可获得清晰的条纹。因此在保证空间分辨率的条件下，可以增加狭缝宽度而不影响系统的光谱分辨率。

在干涉图形成过程中条纹的反衬度是一个重要的指标，以I表示干涉光的光强，以A表示干涉光的振幅，I＝A²。条纹反衬度γ为：

$\mathrm{\γ}=\frac{2\sqrt{I_1{I}_2}}{I_1+I_2}----\left(4\right)$

即：

$\mathrm{\γ}=\frac{2\frac{A_1}{A_2}}{1+{\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2}----\left(5\right)$

两束相干光的振幅越接近，反衬度越大，条纹越清晰。当A₁＝A₂时，即两束相干光振幅相等时，γ＝1。本装置分束干涉结构的设计可保证两束分束光的光强相等，因而可得到清晰条纹。

本发明装置的光谱分辨极限(即最小可分辨波数差δv)主要取决于成像系统的几何参数，即：

$\mathrm{\δv}=\frac{1}{2{\mathrm{\ξ}}_M\sin 2\mathrm{\θ}}----\left(6\right)$

其中ξ_M为探测器的最大线度，在我们的发明装置中，该参数可以认为是二维探测器面阵的某一方向上的宽度。由(6)式可知，具有大面阵尺寸的探测器有助于提高系统的光谱分辨极限。

实施举例：

本实施例为一个反射式分振幅干涉型成像光谱系统，其结构组成与图1、图2所示相同。前置光学系统1采用一个离轴抛物面反射式凹面物镜；狭缝2位于凹面物镜的焦点附近，因此凹面物镜可以把远距离的现状物成像到一维狭缝的入射面上。凹面反射镜4采用一个傅立叶凹面反射镜，该傅立叶凹面反射镜的焦点位于狭缝2的出射面附近。分束镜8采用宽波段透过率材料，平面反射镜9、平面反射镜10、平面反射镜11表面镀金以实现可见光到热红外的宽光谱反射特性。柱面反射镜5采用一个抛物柱面镜，它使狭缝的干涉图案成线状条纹聚焦到二维探测器阵列表面。设：

狭缝宽度：1＝0.5mm

前置望远镜焦距f1＝250mm

傅立叶反射镜焦距ft＝100mm

柱面反射镜焦距f2＝50mm

平面反射镜9和平面反射镜11的交角为0.1°

采用探测器型号为PV-320，其像元尺寸为d，探测器宽度为ξ_M，长度为η_M(沿狭缝方向)，且：

d＝48.5um

ξ_M＝11.6mm

η_M＝15.5mm

傅立叶反射镜的物方焦点与狭缝重合；傅立叶反射镜与柱面反射镜的像方焦点重合；二维探测器阵列位于二者共同的焦平面上.

则可以分别计算：

由探测器长度(沿狭缝方向)限制的总视场角：

ω≈η_M/ft＝15.5/100≈1.6rad≈91.7°

由狭缝宽度限制的空间分辨率(即瞬时视场)：

IFOV≈l/f1＝0.5/250≈2mrad

系统的光谱分辨率：

$\mathrm{\δv}=\frac{1}{2{\mathrm{\ξ}}_M\sin 2\mathrm{\θ}}=\frac{1}{2*11.6*{10}^{-1}*\sin (2*0.1)}=123.5{\mathrm{cm}}^{-1}$

Claims (2)

1.一种由反射式光学元件组成的反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪，其特征是在它的光路结构中包含一个由分束镜(8)和一套多面组合反射镜组成的分振幅分束干涉装置(3)，所述光学结构还包括一套反射式前置光学系统(1)、狭缝(2)、凹面反射镜(4)、柱面反射镜(5)、面阵传感器(6)和信号采集处理装置(7)；一维狭缝(2)位于其前方的前置光学系统(1)的焦平面上；分束镜(8)和多面组合反射镜组成的分振幅分束干涉装置(3)位于光学狭缝(2)之后；凹面反射镜(4)、柱面反射镜(5)、面阵探测器(6)位于干涉结构之后；狭缝方向垂直于纸面，柱面反射镜(5)的母线与狭缝方向垂直。

2.如权利要求1所述的反射式空间调制分振幅干涉成像光谱仪，其特征所述的一套多面组合反射镜由两个以上平面反射镜组成。

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