專利名稱：一種寬譜段空間外差光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種寬譜段空間外差光譜儀。
背景技術(shù)：
一、空間外差光譜儀的基本原理的數(shù)學(xué)表達(dá)通過干涉儀入瞳的輻射經(jīng)準(zhǔn)直后變成平面波，經(jīng)分束器分束分別以Littrow角 θy入射到兩塊光柵上。根據(jù)光柵方程σ (sin θ L+sin^ ) = mD, (1)σ為波數(shù)，θ,，為光束入射角，β為光束出射角，m為衍射級次，D為光柵的刻線 密度。則不同波數(shù)σ的光以不同衍射角β從光柵上出射，在衍射后的出射光束中會存在 某一波數(shù)σ ^的光按照原入射光路返回，即對應(yīng)β ( σ J = θ y對應(yīng)兩塊光柵的出射波面經(jīng) 過分束板后是相互平行的，這個(gè)波數(shù)叫做外差波數(shù)。而其他波數(shù)σ對應(yīng)的出射波面會存在 一定夾角2Υ，Y角的大小可由β角解出。這樣對于一個(gè)入射波面，有兩個(gè)出射波面與其 對應(yīng)，這兩個(gè)波面會發(fā)生干涉，滿足公式I (χ) = f Β(σ) (1+cos (2 π (4 ( σ - σ 0) xtan θ L))，(2)沿著探測的χ方向就可以得到干涉圖，進(jìn)一步將干涉圖I(X)進(jìn)行傅里葉變換就可 以得到入射光的光譜B(O)。二、現(xiàn)有研究情況目前國內(nèi)開展過空間外差光譜儀研究的為中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 的葉松等人。其主要研究了采用普通閃耀光柵作為色散元件的傳統(tǒng)的窄譜段空間外差光譜 儀，如圖1。普通閃耀光柵閃耀角在20° 30°左右比較普遍；刻線密度一般在幾百到一兩 千gr/mm;—般用在一級衍射，即m= 1?？臻g外差光譜技術(shù)只在接近閃耀角θ ^的小角度 范圍內(nèi)成立，采用普通光柵只用一個(gè)級次，所以譜段就會很窄。國外相關(guān)研究曾提出采用中階梯光柵的可行性，因?yàn)橹须A梯光柵的閃耀角大，一 般在60° 70° ；刻線密度小，一般為幾十gr/mm;使用級次高，一般為幾十到上百級，即m =ηΧΙΟ 100，并且是幾十個(gè)衍射級次同時(shí)使用。然而，如何同時(shí)利用很多個(gè)級次將一系 列的窄譜段合成寬譜段，特別是對光學(xué)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)設(shè)計(jì)以及其后光路的處理等，僅處于理 論研究初期，尚不成熟。雖然使用普通光柵不存在級次混疊的問題，但是還是要解決復(fù)原光譜混疊的問題 (ο ^士 Δ σ的譜會混在一起)。已有研究采用兩種途徑第一，在入瞳前端加帶通濾光片輪， 使σ > 0^和σ < σ。的光分別先后進(jìn)入干涉儀，分別采集。第二，也將兩塊光柵分別傾 斜(這個(gè)傾斜角沒有嚴(yán)格限制)。對于應(yīng)用于星載遙感的儀器，其穩(wěn)定性和可靠性是非常重 要的指標(biāo)，不希望系統(tǒng)中存在運(yùn)動部件，否則這會給穩(wěn)定性和可靠性帶來風(fēng)險(xiǎn)。像機(jī)械掩膜 輪這樣的部件還要配驅(qū)動電機(jī)和精密控制系統(tǒng)，都會給儀器的體積、重量和功耗帶來壓力。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種寬譜段空間外差光譜儀，克服了現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)空間外差光 譜儀譜段很窄的缺陷。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種寬譜段空間外差光譜儀，包括干涉儀入瞳、準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束元件、閃耀光柵組 件、條紋成像系統(tǒng)和探測器陣列，其中分束元件的核心部件是50 50半反半透的消偏振分 光膜，與現(xiàn)有窄譜段空間外差光譜儀(背景技術(shù)所述)的區(qū)別主要是閃耀光柵組件是由 分別處于分束元件首次形成的反射光路上的第一中階梯光柵和透射光路上的第二中階梯 光柵組成；設(shè)經(jīng)過第一中階梯光柵中心并與準(zhǔn)直系統(tǒng)所在光路的光軸平行的直線為第一旋 轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過第二中階梯光柵中心并在同一平面內(nèi)與所述第一旋轉(zhuǎn)軸垂直的直線為第二旋轉(zhuǎn) 軸，且皆規(guī)定中階梯光柵的入射方向再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度為旋轉(zhuǎn)軸線的正方向，兩塊中階梯 光柵的角度、位置關(guān)系滿足(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射 到兩塊中階梯光柵上，(2)以常規(guī)的閃耀光柵組件與分光元件的位置關(guān)系為基準(zhǔn)，第一中階 梯光柵繞第一旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)α/4度，第二中階梯光柵繞第二旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)負(fù)α/4度，其中 α ^ 4sin θ L/(Dffy)，Wy為沿刻線方向光柵的尺寸，D為光柵刻線密度；所述條紋成像系統(tǒng)包 括前鏡組和后鏡組，前鏡組的后焦面與后鏡組的前焦面重合，該焦面重合位置設(shè)置有級次 選擇掩膜。上述級次選擇掩膜最好選擇可控光學(xué)快門，這樣就可以完全通過電路編程控制每 個(gè)區(qū)域的透光和阻光狀態(tài)，體積小、功耗低，響應(yīng)速度也要比機(jī)械掩膜快，無任何運(yùn)動部件。上述可控光學(xué)快門的最佳形式是存在四象限獨(dú)立控制分區(qū)，能夠通過同步控制兩 組對角象限區(qū)域的透光或阻光狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)衍射級次選擇功能。上述條紋成像系統(tǒng)最好為4f系統(tǒng)，所述級次選擇掩膜位于該4f系統(tǒng)的頻譜面位置處。上述分束元件可以選擇分束板或分束棱鏡等具體形式。上述準(zhǔn)直系統(tǒng)可以選擇透射式系統(tǒng)或反射式系統(tǒng)。上述干涉儀入瞳前方的望遠(yuǎn)系統(tǒng)可以選擇透射式系統(tǒng)或反射式系統(tǒng)。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型借用已有的設(shè)備和光路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬譜段空間外差光譜儀，克服 了現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)空間外差光譜儀譜段很窄的缺陷。2、四象限光學(xué)快門掩膜完全通過電路編程控制每個(gè)區(qū)域的透光和阻光狀態(tài)，體積 小、功耗低，響應(yīng)速度也要比機(jī)械掩膜快。最重要的是不需要機(jī)械掩膜那樣的驅(qū)動電機(jī)和精 密控制電路，只要保證掩膜安裝精度，整個(gè)工作過程不再需要位置調(diào)整。系統(tǒng)也不需要像窄 譜段系統(tǒng)那樣的帶通濾光片。這樣的靜態(tài)寬譜段空間外差光譜儀無任何運(yùn)動部件，系統(tǒng)同 時(shí)具備高穩(wěn)定性、高光譜分辨率、寬譜段覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，非常適合星載空間環(huán)境遙感和大氣探 測的應(yīng)用。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)窄譜段的空間外差光譜儀原理示意圖；圖2為本實(shí)用新型寬譜段空間外差光譜儀原理示意圖(未旋轉(zhuǎn)X1軸、X2軸時(shí))；[0027]圖3為掩膜面上的衍射級次示意；圖4為機(jī)械掩膜的兩個(gè)工作狀態(tài)；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中的四象限光學(xué)快門的兩個(gè)工作狀態(tài)；其中，a圖所示狀 態(tài)為四象限光學(xué)快門的AC透光，BD阻光，b圖所示狀態(tài)為四象限光學(xué)快門的AC阻光，BD透光。附圖標(biāo)號說明1-干涉儀入瞳，2-準(zhǔn)直系統(tǒng)，3-閃耀光柵，31-中階梯光柵，4-分束元件，5_條紋 成像系統(tǒng)，6-探測器，7-級次選擇掩膜。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的基本原理是望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集觀測目標(biāo)的光譜輻射，并將其成像到干 涉儀入瞳處，經(jīng)過干涉儀入瞳的目標(biāo)輻射經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后成為平行光束，被分束器分成透射 和反射兩路，以Littrow角(Θ J分別入射到兩塊中階梯光柵上，經(jīng)中階梯光柵色散后不同 波長的光束以不同的衍射角從光柵上反射回分束器上。再經(jīng)分束器半反半透，在干涉儀出 口匯成出射光束。這樣對于一個(gè)入射波面來說，存在兩個(gè)有一定夾角的出射波面，這兩個(gè)波 面之間具有相干性。條紋成像系統(tǒng)L1將出射光束會聚，在掩膜面上得到由兩個(gè)階梯光柵色 散產(chǎn)生的對應(yīng)不同波長和衍射級次的干涉儀入瞳的像。掩膜透過所需的衍射級次，擋掉不 需要的級次。條紋成像系統(tǒng)L2再將透過掩膜的光束變成平行光束，來自兩塊中階梯光柵的 光束在L2后焦面上發(fā)生干涉，干涉圖被探測器陣列接收。對干涉圖進(jìn)行二維傅里葉變換和 數(shù)據(jù)復(fù)原處理，就得到目標(biāo)輻射的光譜。本實(shí)施例選擇四象限可控光學(xué)快門作為衍射級次選擇掩膜，因而形成靜態(tài)寬譜段 空間外差光譜儀。它由干涉儀入瞳、準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束器、中階梯光柵、條紋成像系統(tǒng)、級次選 擇掩膜和探測器組成。1)干涉儀入瞳位于望遠(yuǎn)系統(tǒng)后焦面和準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，作用是控制入射到 干涉儀能量的多少和視場角。2)準(zhǔn)直系統(tǒng)將通過干涉儀入瞳的光束變成平行光束?？梢允峭干涫较到y(tǒng)、也可 以是反射式系統(tǒng)。幻分束器其核心為是50 50半反半透的消偏振分光膜，將入射平行光束等強(qiáng) 度分成透射和反射兩束，并且每一束平行光的偏振特性都與入射平行光相同。具體結(jié)構(gòu)可 以是分束板、也可以是分束棱鏡。4)中階梯光柵一種大閃耀角的反射式光柵，依靠高衍射級次實(shí)現(xiàn)很高的光譜分 辨能力。本系統(tǒng)中采用兩塊中階梯光柵相對于分束器對稱放置，使分束器出射的兩束平行 光以Littrow角(Θ J入射到兩塊中階梯光柵上，光柵刻線方向近似垂直于紙面，兩塊光柵 分別繞紙面內(nèi)X1軸向里和繞紙面內(nèi)&軸向外轉(zhuǎn)動α /4角度。經(jīng)過光柵色散后，不同波長 的光束以不同的衍射角β從光柵上出射。相同波長的光束被兩塊光柵衍射后衍射角相同， 但是沿著垂直紙面的方向會存在α的夾角。5)條紋成像系統(tǒng)L1 將從兩塊階梯光柵上反射回的不同衍射角的平行光束會聚到 其后焦面的掩膜上。6)掩膜選擇干涉所需要的衍射級次。位置處于L1的后焦面和L2的前焦面上。[0040]7)條紋成像系統(tǒng)L2:將通過掩膜的光束變成平行光束，并在其后焦面上形成 Fizeau形式的干涉圖。8)探測器陣列位于條紋成像系統(tǒng)L2的后焦面上，作用是接收干涉圖。其中四象限可控光學(xué)快門是一種空間光調(diào)制器件，可以通過電信號控制其透光和 阻光狀態(tài)。四象限可控光學(xué)快門存在四個(gè)獨(dú)立控制的分區(qū)，通過同步控制AC區(qū)和BD區(qū)的 透光和阻光狀態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)衍射級次選擇功能。相對機(jī)械掩膜，四象限可控光學(xué)快門沒有 運(yùn)動部件，體積小、重量輕。整個(gè)儀器沒有運(yùn)動部件、穩(wěn)定性好、可靠性高，適合航天遙感應(yīng) 用。該靜態(tài)寬譜段空間外差光譜儀的光路結(jié)構(gòu)是(1)干涉儀入射孔徑位于準(zhǔn)直系統(tǒng)前焦面上；( 軸上光束以45°角入射到分束 元件的分束膜上，形成透射和反射兩路光。透射光束光軸與準(zhǔn)直鏡光軸重合，反射光束光軸 垂直于準(zhǔn)直鏡光軸。(3)兩塊中階梯光柵的位置關(guān)系滿足首先使光柵刻線垂直于透射光 束光軸與反射光束光軸確定的平面，即光柵主截面在該平面內(nèi)，并滿足反射和透射光束均 以Littrow角入射到兩塊中階梯光柵上。然后以常規(guī)的(背景技術(shù)中的)閃耀光柵組件與 分光元件的位置關(guān)系為基準(zhǔn)，將第一中階梯光柵繞第一旋轉(zhuǎn)軸(即&軸)再旋轉(zhuǎn)α /4度， 第二中階梯光柵繞第二旋轉(zhuǎn)軸(即&軸)再旋轉(zhuǎn)負(fù)α /4度；(4)條紋成像系統(tǒng)光軸與準(zhǔn)直 系統(tǒng)光軸垂直，與原(首次)反射光束的光軸重合。條紋成像系統(tǒng)可分為前鏡組和后鏡組， 前鏡組的后焦面與后鏡組的前焦面重合，該焦面重合位置設(shè)置有級次選擇掩膜。面陣探測 器位于后鏡組的后焦面上?？臻g外差光譜技術(shù)只在接近閃耀角θ L的小角度范圍內(nèi)成立，采用普通光柵只用 一個(gè)級次，所以譜段就會很窄。采用普通閃耀光柵作為色散元件，不會遇到衍射級次重疊的 問題，所以在公式(2)中沒有出現(xiàn)含α角的項(xiàng)。而使用中階梯光柵需解決級次重疊的問題， 所以將兩塊光柵分別傾斜α/4，利用很多個(gè)級次，每個(gè)級次都有一個(gè)Littrow波數(shù)0(lm，可 由由一些列的窄譜段合成寬譜段。從而干涉公式也就變成I(x) =J B ( σ ) (1+cos (2 π (4 ( σ - σ J xtan θ L+ α y σ )) (3)α的取值總的來講有兩方面考慮，第一，根據(jù)中階梯光柵的特征參數(shù)。第二，根據(jù) 儀器設(shè)計(jì)使用的光譜范圍、條紋成像系統(tǒng)和探測器參數(shù)。具體的講，傾斜角α/4必須足夠 大，使一系列的Littrow波數(shù)Qtlm在y方向至少分開一個(gè)干涉條紋，應(yīng)滿足α ^ 4sin θ L/ (Dffy)，D為光柵刻線密度，Wy為沿刻線方向光柵的尺寸。α的取值上限要根據(jù)具體的光譜 范圍、探測器像尺寸和條紋成像系統(tǒng)參數(shù)確定，α彡l/(omaxdpix)，。max為系統(tǒng)應(yīng)用的光譜 范圍的最大波數(shù)，dpix為探測器的像元尺寸。目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常取α =M/(2omaxdpix), M為條紋成像系統(tǒng)的放大倍率。
權(quán)利要求1.一種寬譜段空間外差光譜儀，包括干涉儀入瞳、準(zhǔn)直系統(tǒng)、分束元件、閃耀光柵組件、 條紋成像系統(tǒng)和探測器陣列，其中分束元件的核心部件是50 50半反半透的消偏振分光 膜。其特征在于所述閃耀光柵組件是由分別處于分束元件首次形成的反射光路上的第一 中階梯光柵和透射光路上的第二中階梯光柵組成；設(shè)經(jīng)過第一中階梯光柵中心并與準(zhǔn)直系 統(tǒng)所在光路的光軸平行的直線為第一旋轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過第二中階梯光柵中心并在同一平面內(nèi)與 所述第一旋轉(zhuǎn)軸垂直的直線為第二旋轉(zhuǎn)軸，且皆規(guī)定中階梯光柵的入射方向再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90度為旋轉(zhuǎn)軸線的正方向，兩塊中階梯光柵的角度、位置關(guān)系滿足(1)分束元件首次分出 的反射和透射光束均以Littrow角入射到兩塊中階梯光柵上，( 以常規(guī)的閃耀光柵組件 與分光元件的位置關(guān)系為基準(zhǔn)，第一中階梯光柵繞第一旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)α/4度，第二中階梯 光柵繞第二旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)負(fù)α/4度，其中α彡如in θ y (DWy)，Wy*沿刻線方向光柵的尺 寸，D為光柵刻線密度；所述條紋成像系統(tǒng)包括前鏡組和后鏡組，前鏡組的后焦面與后鏡組 的前焦面重合，該焦面重合位置設(shè)置有級次選擇掩膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述級次選擇掩膜為 可控光學(xué)快門。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述可控光學(xué)快門存 在四象限獨(dú)立控制分區(qū)，能夠通過同步控制兩組對角象限區(qū)域的透光或阻光狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)衍 射級次選擇功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述條紋成 像系統(tǒng)為4f系統(tǒng)，所述級次選擇掩膜位于該4f系統(tǒng)的頻譜面位置處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述分束元件為分束 板或分束棱鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述準(zhǔn)直系統(tǒng)為透射 式系統(tǒng)或反射式系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬譜段空間外差光譜儀，其特征在于所述干涉儀入瞳前方 的望遠(yuǎn)系統(tǒng)為透射式系統(tǒng)或反射式系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種寬譜段空間外差光譜儀，克服了現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)空間外差光譜儀譜段很窄的缺陷。本實(shí)用新型中的閃耀光柵組件是由分別處于分束元件首次形成的反射光路上的第一中階梯光柵和透射光路上的第二中階梯光柵組成；兩塊中階梯光柵的角度、位置關(guān)系滿足(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射到兩塊中階梯光柵上，(2)以常規(guī)的閃耀光柵組件與分光元件的位置關(guān)系為基準(zhǔn)，第一中階梯光柵繞第一旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)α/4度，第二中階梯光柵繞第二旋轉(zhuǎn)軸再旋轉(zhuǎn)負(fù)α/4度。本實(shí)用新型具有高穩(wěn)定性、高光譜分辨率、寬譜段覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，非常適合星載空間環(huán)境遙感和大氣探測的應(yīng)用。
文檔編號G01J3/02GK201897503SQ20102063106
公開日2011年7月13日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者馮玉濤, 白清蘭 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所