時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀及制作方法
【專利摘要】時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀及制作方法，涉及對地觀測成像光譜儀領(lǐng)域，解決現(xiàn)有成像光譜儀內(nèi)部含有與空間分辨率有關(guān)的狹縫，限制了進入系統(tǒng)的光通量且實時性差的問題，包括前置光學成像系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、后置成像縮束系統(tǒng)和焦平面探測器，干涉系統(tǒng)包括平面反射鏡、立方體分束器和多級階梯微反射鏡；目標光束經(jīng)前置光學成像系統(tǒng)入射至立方體分束器分成兩束光，一束光經(jīng)立方體分束器反射至平面反射鏡上成像為第一像點，另一束光經(jīng)立方體分束器透射至多級階梯微反射鏡某個階梯面成像為第二像點；第一像點和第二像點發(fā)出的光分別經(jīng)立方體分束器透射和反射后入射至后置成像縮束系統(tǒng)成像，焦平面探測器接收成像信息；本發(fā)明大大提高了系統(tǒng)的光通量。
【專利說明】時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對地遙感觀測領(lǐng)域，具體涉及一種時空聯(lián)合調(diào)制的紅外成像光譜儀的制作方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀是進行地面遙感探測的重要工具，它融合了光譜儀和多光譜成像儀的優(yōu)點，實現(xiàn)了對物體進行“圖譜合一”的探測。因此其廣泛的應用在空間遙感，軍事目標探測，地質(zhì)資源勘探，環(huán)境監(jiān)測，氣象分析等領(lǐng)域。按照工作原理的不同其主要分為色散型和傅里葉變換型兩類。色散型成像光譜儀可以直接獲得物體的光譜信息，它主要是以棱鏡或光柵作為分光元件，在探測器上接受每個光譜元的輻射信息。其發(fā)展比較早，在航空航天領(lǐng)域應用比較廣泛，但是光譜分辨率受狹縫的控制，因此其在探測紅外弱輻射方面比較困難。傅里葉變換成像光譜儀是先獲得物體的干涉圖然后對干涉圖做傅里葉變換變換獲得物體的光譜。按照對干涉圖的調(diào)制方式的不同，傅里葉變換成像光譜儀可分為時間調(diào)制型、空間調(diào)制型以及時空聯(lián)合調(diào)制型。時間調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀是基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，其采用驅(qū)動一個動鏡來產(chǎn)生光程差，因此需要一套精密的驅(qū)動裝置。而且完成一幅干涉圖的測量需要一個周期的時間，其實時性比較差?？臻g調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀其內(nèi)部不含可動部件，其利用空間位置的不同產(chǎn)生光程差可以實現(xiàn)對迅變物體的光譜測量，其實時性比較好。但空間調(diào)制傅里葉變成像光譜儀內(nèi)部含有與空間分辨率有關(guān)的狹縫，限制了進入系統(tǒng)的光通量。時空聯(lián)合調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀是基于像面干涉成像原理，獲得是經(jīng)干涉圖調(diào)制后的目標物體的全景圖像，其不含有狹縫和可動部件，因此具有光通量大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、重復性好、工作可靠的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀及制作方法。
[0004]時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀，包括前置光學成像系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、后置成像系統(tǒng)和焦平面探測器，所述干涉系統(tǒng)包括平面反射鏡、立方體分束器和多級階梯微反射鏡；目標光束經(jīng)前置光學成像系統(tǒng)入射至立方體分束器分成兩束光，一束光經(jīng)立方體分束器反射至平面反射鏡上成像為第一像點，另一束光經(jīng)立方體分束器透射至多級階梯微反射鏡某個階梯反射面成像為第二像點；
[0005]所述第一像點和第二像點發(fā)出的光分別經(jīng)立方體分束器透射和反射后入射至后置成像系統(tǒng)成像，所述焦平面探測器接收成像信息；
[0006]所述設(shè)定多級階梯微反射鏡的階梯高度為d，在第η個階梯反射面所對應的視場角范圍內(nèi)，目標物體在第η個階梯微反射面所成的像與目標物體在第η個階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差，用公式一表示為:
[0007]公式一、δ= 2nd ；[0008]設(shè)定多級階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)的焦距為f’，則相鄰像點間的距離為a，獲得相鄰目標物體點間的距離用公式二表示為:
[0009]公式二、Ah= Ha/f’ ；
[0010]設(shè)定多級階梯微反射鏡的對角線長度為h，前置成像系統(tǒng)的視場角用公式三表示為:
【權(quán)利要求】
1.時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀，包括前置光學成像系統(tǒng)(I)、干涉系統(tǒng)(2)、后置成像系統(tǒng)(3)和焦平面探測器(4)，其特征是，所述干涉系統(tǒng)(2)包括平面反射鏡(5)、立方體分束器(6)和多級階梯微反射鏡(7);目標光束經(jīng)前置光學成像系統(tǒng)(I)入射至立方體分束器(6)分成兩束光，一束光經(jīng)立方體分束器(6)反射至平面反射鏡(5)上成像為第一像點，另一束光經(jīng)立方體分束器(6)透射至多級階梯微反射鏡(7)某個階梯反射面成像為第二像點； 所述第一像點和第二像點發(fā)出的光分別經(jīng)立方體分束器(6)透射和反射后入射至后置成像系統(tǒng)(3)成像，所述焦平面探測器(4)接收成像信息； 所述設(shè)定多級階梯微反射鏡的階梯高度為山在第η個階梯反射面所對應的視場角范圍內(nèi)，目標物體在第η個階梯微反射面所成的像與目標物體在第η個階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差，用公式一表示為: 公式一、δ = 2nd ； 設(shè)定多級階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)(I)的焦距為f’，則相鄰像點間的距離為a，獲得相鄰目標物體點間的距離用公式二表示為: 公式二、Ah = Ha/f ； 設(shè)定多級階梯微反射鏡(7)的對角線長度為h，前置成像系統(tǒng)(I)的視場角用公式三表示為: 公式三
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀，其特征在于，所述的多級階梯微反射鏡(7)的單個階梯高度范圍在lnm-50 μ m之間，采用MOEMS技術(shù)或光學加工方法制作，所述多級微反射鏡(7)的階梯高度誤差小于階梯高度的5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀，其特征在于，其特征在于，所述焦平面探測器(4)對接收的成像信息經(jīng)一個窗掃模式采集后，對采集的多幀圖像進行剪切和拼接，獲得目標物體的干涉圖，對干涉圖進行傅里葉變換，獲得目標的光譜圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換紅外成像光譜儀的制作方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、選擇基底，并對基底的表面進行拋光處理，獲得拋光處理后的基底；根據(jù)分析計算在拋光后的基底上用精密機械加工方法或基于MOEMS技術(shù)的光刻與腐蝕方法制作相互垂直的參考線作為第一光軸參考基準線(12)和第二光軸參考基準線(13)； 步驟二、在所述的第一光軸參考基準線(12)和第二光軸參考基準線(13)的垂直中心制作立方體分束器的定位基準，并安裝微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)，在第二光軸參考基準線(13)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)左側(cè)安裝多級階梯微反射鏡的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(16)，在第二光軸參考基準線(13)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)右側(cè)依次安裝后置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(18)和焦平面探測器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(19)，在第一光軸參考基準線(12)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)的上側(cè)安裝前置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(14)，在一光軸參考基準線(12)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)的下側(cè)安裝平面反射鏡的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(17)； 步驟三、在基底之外，在所述的第一光軸參考基準線(12)和第二光軸參考基準線(13)的兩端分別安放四個激光器，調(diào)整第一激光器(8)和第二激光器(9)發(fā)出的光與第一光軸參考線(12)重合，調(diào)整第三激光器(10)和第四激光器(11)發(fā)出的光與第二光軸參考線(13)重合； 步驟四、在基底上第一光軸參考基準線(12)和第二光軸參考基準線(13)的交匯處制作紅外分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15);將立方體分束器(6)安裝到紅外分束器的微型調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)上，然后在第四激光器(11)的前面固定光闌(20)，利用第四激光器(11)和光闌(20)調(diào)節(jié)立方體分束器(6)的位置和角度，固定紅外立方體分束器(6)； 步驟五、將多級微反射鏡(7)安裝到多級階梯微反射鏡的固定機構(gòu)(16)上。采用第一激光器(8)及其前面的光闌(20)對多級微反射鏡(7)進行調(diào)節(jié)，當多級微反射鏡(7)反射的光通過光闌(20)的小孔時，固定多級微反射鏡(7);固定多級微反射鏡(7)，將平面反射鏡(5)放置在平面反射鏡固定機構(gòu)(17)上，將光闌(20)移至第四激光光源(11)的前面固定，調(diào)節(jié)平面反射鏡(5)及光闌(20)的位置，當平面反射鏡(5)反射的光通過光闌(20)的小孔中心時，固定平面反射鏡(5)； 步驟六、將前置成像系統(tǒng)(1)放到前置成像系統(tǒng)的固定機構(gòu)(14)上；將光闌(20)移至第一激光光源(8)前面，并對前置成像系統(tǒng)(1)進行調(diào)節(jié)；將后置成像系統(tǒng)(3)放到后置成像系統(tǒng)的固定機構(gòu)(18)上，采用第二激光光源(9)及光闌(20)對后置成像系統(tǒng)(3)進行調(diào)節(jié)； 步驟七、去除四個激光器及光闌(20)，然后將焦平面探測器(4)安放到基底上焦平面探測器的固定機構(gòu)(19)上，調(diào)節(jié)焦平面探測器(4)的位置，當在焦平面探測器(4)上清晰的獲得多級微反射鏡(7)和平面反射鏡(5)的像時，固定焦平面探測器(4)； 步驟八、將四個激光器和光闌(20)去除，將焦平面探測器(4)安裝到焦平面探測器的固定機構(gòu)(19)上；調(diào)節(jié)焦平面探測器的位置，當在焦平面探測器(4)上清晰地獲得多級階梯微反射鏡和平面鏡的像時固定焦平面探測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述立方體分束器(6)采用紅外材料ZnSe或者KBr制作，由兩塊直角三棱鏡拼接而成，并在拼接面蒸鍍有紅外半反半透膜；平面反射鏡(5)采用硅片制作，并且在表面鍍紅外高反膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述的多級階梯微反射鏡(7)的單個階梯高度范圍在lnm-50 μ m之間，采用MOEMS技術(shù)或光學加工方法制作，所述多級階梯微反射鏡(7)的階梯高度誤差小于階梯高度的5%。
7.采用光學加工技術(shù)加工并裝配前置光學成像系統(tǒng)(I)和后置成像系統(tǒng)(3);所述前置成像系統(tǒng)(I)和后置成像系統(tǒng)(3)為透射式球面結(jié)構(gòu)，材料為硅和鍺，所述前置成像系統(tǒng)(I)和后置成像系統(tǒng)(2)中的光學元件表面均鍍紅外增透膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述設(shè)定多級階梯微反射鏡的階梯高度為d，在第η個階梯反射面所對應的視場角范圍內(nèi)，目標物體在第η個階梯微反射面所成的像與目標物體在第η個階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差，用公式一表示為: 公式一、δ = 2nd ； 設(shè)定多級階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)(I)的焦距為f’，則相鄰像點間的距離為a，獲得相鄰目標物體點間的距離用公式二表示為: 公式二、Ah = Ha/f ； 設(shè)定多級階梯微反射鏡(7)的對角線長度為h，前置成像系統(tǒng)(I)的視場角用公式三表示為: 公式三、
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的時空聯(lián)合調(diào)制傅里葉變換紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述微型調(diào)節(jié)機構(gòu)為六維的微型調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)XYZ三個方向平移及俯仰旋轉(zhuǎn)橫滾三個角度分量的微調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G01J3/02GK104006885SQ201410086295
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】梁中翥, 梁靜秋, 王維彪, 呂金光, 田超, 秦余欣 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所