專利名稱：彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像光譜儀，特別是一種快速、高通量、高光譜分辨率和高穩(wěn)定度的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜成像技術(shù)出現(xiàn)于20世紀80年代，能夠感知目標在空間域和光譜域的信息，獲得目標的兩維空間與一維光譜數(shù)據(jù)，形成三維數(shù)據(jù)立方體(data cube)。由于其卓越的信息獲取能力，二十多年來得到了飛速的發(fā)展，在航天航空遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、天文探測、大氣探測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測以及軍事領(lǐng)域都得到了十分廣泛的應(yīng)用，成為光學(xué)探測技術(shù)又一個強有力的手段。色散型成像光譜技術(shù)探測可見和紅外弱輻射相當困難，而作為成像光譜技術(shù)發(fā)展的前沿，干涉成像光譜儀具有光通量大、通道多、信噪比高等優(yōu)點，因而在遙感及其他多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；時間調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀大都基于邁克爾遜干涉技術(shù)實現(xiàn)，其突出特點是靈敏度高，依靠機械運動產(chǎn)生大光程差，進而擁有非常高的光譜分辨率，但這必然帶來了掃描及成像速度慢，抗振動能力不足等問題，且與之相配套的伺服系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)也非常復(fù)雜 ；空間調(diào)制型干涉成像光譜儀具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、對震動不敏感的優(yōu)點，但光譜分辨率較低，且?guī)缀醵疾捎镁€陣或面陣探測器，限制了其光譜成像波段范圍?；趶椆庹{(diào)制原理的干涉儀研制已有相關(guān)報道，但其光譜分辨率極低，僅有l(wèi)OOOcnT1,尚不能滿足現(xiàn)代光譜成像技術(shù)的需求，Buican Tudor N雖然對其提出了改進設(shè)想，但該設(shè)想的光通量不足1%，實用價值很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀成像速度慢，抗振動能力不足等缺點，提供一種無機械運動、光譜分辨率很高、調(diào)制速度極高且具有足夠光通量的快速、高通量、高光譜分辨率和高穩(wěn)定度的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:包括掃描反射鏡1、入射光瞳2、離軸三反望遠鏡、視場光闌5、彈光調(diào)制型干涉儀；其中:離軸三反望遠鏡包括球面鏡3和一對非球面鏡4、6 ;彈光調(diào)制型干涉儀包括起偏器7、靜態(tài)雙折射晶體8、彈光調(diào)制器9、檢偏器11、成像反射鏡12及探測器13，其中:彈光調(diào)制器又包括壓電石英驅(qū)動器、彈光晶體及高反射率膜；來自目標的入射光線經(jīng)掃描反射鏡反射后，經(jīng)入射光瞳選擇一定視場角范圍的光進入離軸三反望遠鏡，光線經(jīng)離軸三反望遠鏡反射、聚焦、縮束并準直后進入彈光調(diào)制干涉儀進行雙折射干涉調(diào)制:彈光調(diào)制干涉儀的起偏器和檢偏器對入射光進行起偏，然后由靜態(tài)雙折射晶體產(chǎn)生特定大小的靜態(tài)光程差，再由彈光調(diào)制器對入射的偏振光進行人工雙折射干涉調(diào)制，產(chǎn)生干涉條紋，最后成像反射鏡將調(diào)制后的干涉光聚焦至探測器的光敏面處完成光譜成像。經(jīng)過離軸三反望遠鏡后的光束可以是平行光、發(fā)散光或者會聚光。組成彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀的各個光學(xué)元件除入射光瞳和視場光闌外均采用全反射式光學(xué)元件，所有反射元件均鍍制高反射率膜。所述的掃描反射鏡為平面鏡，對目標進行逐點掃描。所述的成像反射鏡可以是球面反射鏡或離軸拋物面反射鏡，也可以是前述兩種反射鏡組合形成的成像反射鏡組。所述的彈光晶體前后通光表面鍍制的高反射率膜是交錯對稱的。所述的靜態(tài)雙折射晶體的通光方向為晶體的光軸方向，其產(chǎn)生的靜態(tài)光程差不小于彈光調(diào)制器調(diào)制光程差。所述的探測器可以是陣列探測器也可以是點探測器，放置于反射成像鏡的焦點處。所述的起偏器·與檢偏器相互正交放置，并分別與彈光調(diào)制器成±45°夾角。所述的掃描反射鏡的掃描速率與彈光調(diào)制干涉儀的調(diào)制速率匹配。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，其突出的實質(zhì)性特點和顯著效果是:I)利用彈光調(diào)制干涉儀代替了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀，干涉調(diào)制時間為數(shù)十μ S，使得光譜成像掃描速度比傳統(tǒng)邁克爾遜提高了 3 4個數(shù)量級；2)除掃描鏡外，系統(tǒng)無機械運動部件，避免了由精密直線掃描動鏡所帶來的一系列技術(shù)上的困難、抗振動能力強；3)系統(tǒng)無需分光成像，減少了整個光學(xué)系統(tǒng)像差，通過高速掃描反射鏡進行逐點掃描的成像辦法，避免了因陣列探測器帶來的成像分辨率限制，極大的提高了光譜儀的成像分辨率；4)彈光調(diào)制器的多次反射光學(xué)結(jié)構(gòu)兼顧了系統(tǒng)的光譜分辨率和光通量；5)系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，易于安裝調(diào)試。


圖1是本發(fā)明彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是本發(fā)明彈光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明彈光調(diào)制晶體多次反射原理示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖并舉實施例，介紹本發(fā)明詳細技術(shù)方案，本實施例僅是一個例子，本發(fā)明的技術(shù)不限于本實施例。如圖1所示，彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀包括:掃描反射鏡1、入射光瞳2、離軸三反望遠鏡、視場光闌5及彈光調(diào)制型干涉儀，其中:離軸三反望遠鏡包括球面鏡
3、非球面鏡4、6 ;彈光調(diào)制型干涉儀包括起偏器7、檢偏器11、靜態(tài)雙折射晶體8、彈光調(diào)制器9、成像反射鏡12及探測器13。來自目標的入射光被掃描反射鏡I反射后經(jīng)過視場光闌2，再由離軸三反望遠鏡反射、聚焦、縮束并準直，然后經(jīng)由彈光調(diào)制干涉儀進行雙折射干涉調(diào)制，最后經(jīng)由成像反射鏡12聚焦至探測器13的光敏面上成像。掃描反射鏡I為平面反射鏡，它對目標進行逐點掃描，其掃描速率與系統(tǒng)干涉調(diào)制周期相匹配，其瞬時視場角根據(jù)成像分辨率的需求確定。掃描反射鏡I對目標進行全視場掃描后形成光譜一圖像數(shù)據(jù)立方體，進行光譜重建后即可獲得整個待測目標的光譜圖像。入射光瞳2和視場光闌5分別限制經(jīng)過光束的孔徑和視場角、消除雜散光并限制入射光強。使用軸對稱結(jié)構(gòu)的一級或多級光闌，并進行氧化發(fā)黑等處理后，可以控制進入成像光譜儀光束的方向，消除視場角外的雜散光。離軸三反望遠鏡，主要優(yōu)點包括:不存在任何色差，可用于寬譜段成像，特別適用于長焦距相機和光譜成 像相機；通光口徑很大，光在自由空間傳播，光學(xué)系統(tǒng)無中心遮攔，不必通過光學(xué)玻璃，易于解決由材料引起的問題；且結(jié)構(gòu)緊湊，所需光學(xué)元件少，便于用反射鏡折疊光路，且可采用超薄鏡坯(如SiC)或輕量化技術(shù)，大大減小反射鏡的質(zhì)量；反射離軸系統(tǒng)更具有無遮攔、光學(xué)傳遞函數(shù)MTF值高的優(yōu)越性，整個望遠鏡對鬼像不敏感，并具有較穩(wěn)定偏振性能。如圖2所示，彈光調(diào)制器9包括壓電石英驅(qū)動器14、彈光晶體15及高反射率膜10。其中，壓電石英驅(qū)動器14外形為長方體，其切割方向優(yōu)選xyt (-18.5° )，該切割方向很好的保證了振動頻率的單一性，保證工作的長時間穩(wěn)定；彈光晶體15為八角形，在其前、后通光表面相互交錯地鍍制高反射率膜10，當光線以特定的入射角度進入晶體內(nèi)部后，即可實現(xiàn)數(shù)十次的全反射(如圖3所示)，從而使調(diào)制光程差比傳統(tǒng)單次入射提高了數(shù)十倍，并減少了不必要的反射光能損失。為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，進入彈光晶體15的準直光束直徑應(yīng)小于4mm，平行度應(yīng)優(yōu)于lOmrad。由于整個儀器的諧振工作特性，使得其對外界振動不敏感，從而保證了儀器具有很高的抗振動能力。如圖4所示，本實施例中彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀的具體參數(shù)為:波段范圍為0.85μπι 16μπι;光譜分辨力優(yōu)于4CHT1 ;掃描范圍在±60°范圍內(nèi)；望遠鏡相對孔徑為f/6.5 ;望遠鏡視場角為0.71。;干涉調(diào)制時間為10 μ s 次全視場掃描成像時間<300ms ;光能利用率>25%。本實施例中，彈光調(diào)制器9的彈光晶體材料為ZnSe，外形為寬33.2mm、厚32mm、IOmm倒角的八角形；壓電石英晶體為50.8cmX26.lcmX6.4cm的矩形；起偏器7與檢偏器11為消光比為200:1，且ZnSe為襯底的全息刻蝕偏振片；成像反射鏡12為曲率不同的5個成像反射鏡12a — 12e構(gòu)成的再聚焦鏡組，該鏡組可較好地與紅外探測器的視場角相匹配，并可起到一定的消像差的作用；離軸三反望遠鏡的視場角在±25°范圍內(nèi)；入射光瞳直徑優(yōu)選100 300mm ;掃描瞬時視場角優(yōu)選0.1° 1.5° ;經(jīng)過成像反射鏡12e反射的光線進入分光器16分光后，分別投射到探測器13a和探測器12b，分別用于接收可見光和紅外光，探測器13a和探測器12b為HgCdTe點探測器，需要特別說明的是，本實施例中的分光器16僅僅為探測不同波長的光線所設(shè)置，不是本發(fā)明彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀的必要組成；所有反射鏡均鍍制金全反膜，并加保護層；干涉儀的諧振工作電壓>1000V ;準直光束入射角7°，反射次數(shù)25次，配合靜態(tài)雙折射晶體8后，其調(diào)制光程差>2.5_。
權(quán)利要求
1.彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:包括掃描反射鏡(I)、入射光瞳(2)、離軸三反望遠鏡、視場光闌(5)、彈光調(diào)制型干涉儀；其中:離軸三反望遠鏡包括球面鏡(3)和一對非球面鏡(4、6);彈光調(diào)制型干涉儀包括起偏器(7)、靜態(tài)雙折射晶體(8)、彈光調(diào)制器(9)、檢偏器(11)、成像反射鏡(12)及探測器(13)，其中:彈光調(diào)制器(9)又包括壓電石英驅(qū)動器、彈光晶體及高反射率膜；來自目標的入射光線經(jīng)掃描反射鏡反射后，經(jīng)入射光瞳選擇一定視場角范圍的光進入離軸三反望遠鏡，光線經(jīng)離軸三反望遠鏡反射、聚焦、縮束并準直后進入彈光調(diào)制干涉儀進行雙折射干涉調(diào)制:彈光調(diào)制干涉儀的起偏器和檢偏器對入射光進行起偏，然后由靜態(tài)雙折射晶體產(chǎn)生特定大小的靜態(tài)光程差，再由彈光調(diào)制器對入射的偏振光進行人工雙折射干涉調(diào)制，產(chǎn)生干涉條紋，最后成像反射鏡將調(diào)制后的干涉光聚焦至探測器的光敏面處完成光譜成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:經(jīng)過離軸三反望遠鏡后的光束為平行光、或為發(fā)散光、或為會聚光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:該彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀中除入射光瞳和視場光闌外，各個光學(xué)元件均采用全反射式光學(xué)元件，并且均鍍制高反射率膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的掃描反射鏡為平面鏡，對目標進行逐點掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的成像反射鏡是球面反 射鏡或離軸拋物面反射鏡，或是前述兩種反射鏡組合形成的成像反射鏡組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的彈光晶體前后通光表面鍍制的高反射率膜是交錯對稱的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的靜態(tài)雙折射晶體的通光方向為晶體的光軸方向，其產(chǎn)生的靜態(tài)光程差大于或等于彈光調(diào)制器調(diào)制光程差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的探測器可以是陣列探測器，或是點探測器，放置于反射成像鏡的焦點處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的起偏器與檢偏器相互正交放置，并分別與彈光調(diào)制器成±45°夾角。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，其特征在于:所述的掃描反射鏡的掃描速率與彈光調(diào)制干涉儀的調(diào)制速率匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速掃描的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀，包括掃描鏡、入射光瞳、由球面鏡、非球面鏡及視場光闌組成的離軸三反望遠鏡、彈光調(diào)制型干涉儀。來自目標的入射光線經(jīng)掃描反射鏡反射后，經(jīng)入射光瞳進入離軸三反望遠鏡，光線經(jīng)離軸三反望遠鏡反射、聚焦、縮束并準直后進入彈光調(diào)制干涉儀進行雙折射干涉調(diào)制，最后通過逐點掃描完成光譜成像。本發(fā)明公開的彈光調(diào)制型傅里葉變換干涉成像光譜儀具有成像掃描速度高、抗振動能力強、不受探測器像元限制及光譜分辨率和光通量高等優(yōu)點。
文檔編號G01J3/45GK103234635SQ20131009607
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者陳友華, 陳媛媛, 王召巴, 王志斌, 王立福, 張瑞, 王艷超, 魏海潮 申請人:中北大學(xué)