专利名称：弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像光谱仪，特别是一种快速、高通量、高光谱分辨率和高稳定度的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪。
背景技术：
光谱成像技术出现于20世纪80年代，能够感知目标在空间域和光谱域的信息，获得目标的两维空间与一维光谱数据，形成三维数据立方体(data cube)。由于其卓越的信息获取能力，二十多年来得到了飞速的发展，在航天航空遥感、工业、农业、生物医药、天文探测、大气探测、环境与灾害监测以及军事领域都得到了十分广泛的应用，成为光学探测技术又一个强有力的手段。色散型成像光谱技术探测可见和红外弱辐射相当困难，而作为成像光谱技术发展的前沿，干涉成像光谱仪具有光通量大、通道多、信噪比高等优点，因而在遥感及其他多个领域具有广阔的应用前景；时间调制型傅里叶变换成像光谱仪大都基于迈克尔逊干涉技术实现，其突出特点是灵敏度高，依靠机械运动产生大光程差，进而拥有非常高的光谱分辨率，但这必然带来了扫描及成像速度慢，抗振动能力不足等问题，且与之相配套的伺服系统和温控系统也非常复杂 ；空间调制型干涉成像光谱仪具有结构简单、体积小、对震动不敏感的优点，但光谱分辨率较低，且几乎都采用线阵或面阵探测器，限制了其光谱成像波段范围。基于弹光调制原理的干涉仪研制已有相关报道，但其光谱分辨率极低，仅有lOOOcnT1,尚不能满足现代光谱成像技术的需求，Buican Tudor N虽然对其提出了改进设想，但该设想的光通量不足1%，实用价值很低。
发明内容
本发明旨在克服传统迈克尔逊干涉仪成像速度慢，抗振动能力不足等缺点，提供一种无机械运动、光谱分辨率很高、调制速度极高且具有足够光通量的快速、高通量、高光谱分辨率和高稳定度的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪。本发明的技术解决方案是:弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:包括扫描反射镜1、入射光瞳2、离轴三反望远镜、视场光阑5、弹光调制型干涉仪；其中:离轴三反望远镜包括球面镜3和一对非球面镜4、6 ;弹光调制型干涉仪包括起偏器7、静态双折射晶体8、弹光调制器9、检偏器11、成像反射镜12及探测器13，其中:弹光调制器又包括压电石英驱动器、弹光晶体及高反射率膜；来自目标的入射光线经扫描反射镜反射后，经入射光瞳选择一定视场角范围的光进入离轴三反望远镜，光线经离轴三反望远镜反射、聚焦、缩束并准直后进入弹光调制干涉仪进行双折射干涉调制:弹光调制干涉仪的起偏器和检偏器对入射光进行起偏，然后由静态双折射晶体产生特定大小的静态光程差，再由弹光调制器对入射的偏振光进行人工双折射干涉调制，产生干涉条纹，最后成像反射镜将调制后的干涉光聚焦至探测器的光敏面处完成光谱成像。经过离轴三反望远镜后的光束可以是平行光、发散光或者会聚光。组成弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪的各个光学元件除入射光瞳和视场光阑外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀制高反射率膜。所述的扫描反射镜为平面镜，对目标进行逐点扫描。所述的成像反射镜可以是球面反射镜或离轴抛物面反射镜，也可以是前述两种反射镜组合形成的成像反射镜组。所述的弹光晶体前后通光表面镀制的高反射率膜是交错对称的。所述的静态双折射晶体的通光方向为晶体的光轴方向，其产生的静态光程差不小于弹光调制器调制光程差。所述的探测器可以是阵列探测器也可以是点探测器，放置于反射成像镜的焦点处。所述的起偏器·与检偏器相互正交放置，并分别与弹光调制器成±45°夹角。所述的扫描反射镜的扫描速率与弹光调制干涉仪的调制速率匹配。本发明与现有技术相比较，其突出的实质性特点和显著效果是:I)利用弹光调制干涉仪代替了传统迈克尔逊干涉仪，干涉调制时间为数十μ S，使得光谱成像扫描速度比传统迈克尔逊提高了 3 4个数量级；2)除扫描镜外，系统无机械运动部件，避免了由精密直线扫描动镜所带来的一系列技术上的困难、抗振动能力强；3)系统无需分光成像，减少了整个光学系统像差，通过高速扫描反射镜进行逐点扫描的成像办法，避免了因阵列探测器带来的成像分辨率限制，极大的提高了光谱仪的成像分辨率；4)弹光调制器的多次反射光学结构兼顾了系统的光谱分辨率和光通量；5)系统原理和结构简单，便于加工，易于安装调试。
图1是本发明弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪的结构原理示意图；图2是本发明弹光调制器的结构图；图3是本发明弹光调制晶体多次反射原理示意图；图4是本发明实施例的结构原理示意图。
具体实施例方式以下结合附图并举实施例，介绍本发明详细技术方案，本实施例仅是一个例子，本发明的技术不限于本实施例。如图1所示，弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪包括:扫描反射镜1、入射光瞳2、离轴三反望远镜、视场光阑5及弹光调制型干涉仪，其中:离轴三反望远镜包括球面镜
3、非球面镜4、6 ;弹光调制型干涉仪包括起偏器7、检偏器11、静态双折射晶体8、弹光调制器9、成像反射镜12及探测器13。来自目标的入射光被扫描反射镜I反射后经过视场光阑2，再由离轴三反望远镜反射、聚焦、缩束并准直，然后经由弹光调制干涉仪进行双折射干涉调制，最后经由成像反射镜12聚焦至探测器13的光敏面上成像。扫描反射镜I为平面反射镜，它对目标进行逐点扫描，其扫描速率与系统干涉调制周期相匹配，其瞬时视场角根据成像分辨率的需求确定。扫描反射镜I对目标进行全视场扫描后形成光谱一图像数据立方体，进行光谱重建后即可获得整个待测目标的光谱图像。入射光瞳2和视场光阑5分别限制经过光束的孔径和视场角、消除杂散光并限制入射光强。使用轴对称结构的一级或多级光阑，并进行氧化发黑等处理后，可以控制进入成像光谱仪光束的方向，消除视场角外的杂散光。离轴三反望远镜，主要优点包括:不存在任何色差，可用于宽谱段成像，特别适用于长焦距相机和光谱成 像相机；通光口径很大，光在自由空间传播，光学系统无中心遮拦，不必通过光学玻璃，易于解决由材料引起的问题；且结构紧凑，所需光学元件少，便于用反射镜折叠光路，且可采用超薄镜坯(如SiC)或轻量化技术，大大减小反射镜的质量；反射离轴系统更具有无遮拦、光学传递函数MTF值高的优越性，整个望远镜对鬼像不敏感，并具有较稳定偏振性能。如图2所示，弹光调制器9包括压电石英驱动器14、弹光晶体15及高反射率膜10。其中，压电石英驱动器14外形为长方体，其切割方向优选xyt (-18.5° )，该切割方向很好的保证了振动频率的单一性，保证工作的长时间稳定；弹光晶体15为八角形，在其前、后通光表面相互交错地镀制高反射率膜10，当光线以特定的入射角度进入晶体内部后，即可实现数十次的全反射(如图3所示)，从而使调制光程差比传统单次入射提高了数十倍，并减少了不必要的反射光能损失。为实现系统功能，进入弹光晶体15的准直光束直径应小于4mm，平行度应优于lOmrad。由于整个仪器的谐振工作特性，使得其对外界振动不敏感，从而保证了仪器具有很高的抗振动能力。如图4所示，本实施例中弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪的具体参数为:波段范围为0.85μπι 16μπι;光谱分辨力优于4CHT1 ;扫描范围在±60°范围内；望远镜相对孔径为f/6.5 ;望远镜视场角为0.71。;干涉调制时间为10 μ s 次全视场扫描成像时间<300ms ;光能利用率>25%。本实施例中，弹光调制器9的弹光晶体材料为ZnSe，外形为宽33.2mm、厚32mm、IOmm倒角的八角形；压电石英晶体为50.8cmX26.lcmX6.4cm的矩形；起偏器7与检偏器11为消光比为200:1，且ZnSe为衬底的全息刻蚀偏振片；成像反射镜12为曲率不同的5个成像反射镜12a — 12e构成的再聚焦镜组，该镜组可较好地与红外探测器的视场角相匹配，并可起到一定的消像差的作用；离轴三反望远镜的视场角在±25°范围内；入射光瞳直径优选100 300mm ;扫描瞬时视场角优选0.1° 1.5° ;经过成像反射镜12e反射的光线进入分光器16分光后，分别投射到探测器13a和探测器12b，分别用于接收可见光和红外光，探测器13a和探测器12b为HgCdTe点探测器，需要特别说明的是，本实施例中的分光器16仅仅为探测不同波长的光线所设置，不是本发明弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪的必要组成；所有反射镜均镀制金全反膜，并加保护层；干涉仪的谐振工作电压>1000V ;准直光束入射角7°，反射次数25次，配合静态双折射晶体8后，其调制光程差>2.5_。
权利要求
1.弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:包括扫描反射镜(I)、入射光瞳(2)、离轴三反望远镜、视场光阑(5)、弹光调制型干涉仪；其中:离轴三反望远镜包括球面镜(3)和一对非球面镜(4、6);弹光调制型干涉仪包括起偏器(7)、静态双折射晶体(8)、弹光调制器(9)、检偏器(11)、成像反射镜(12)及探测器(13)，其中:弹光调制器(9)又包括压电石英驱动器、弹光晶体及高反射率膜；来自目标的入射光线经扫描反射镜反射后，经入射光瞳选择一定视场角范围的光进入离轴三反望远镜，光线经离轴三反望远镜反射、聚焦、缩束并准直后进入弹光调制干涉仪进行双折射干涉调制:弹光调制干涉仪的起偏器和检偏器对入射光进行起偏，然后由静态双折射晶体产生特定大小的静态光程差，再由弹光调制器对入射的偏振光进行人工双折射干涉调制，产生干涉条纹，最后成像反射镜将调制后的干涉光聚焦至探测器的光敏面处完成光谱成像。
2.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:经过离轴三反望远镜后的光束为平行光、或为发散光、或为会聚光。
3.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:该弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪中除入射光瞳和视场光阑外，各个光学元件均采用全反射式光学元件，并且均镀制高反射率膜。
4.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的扫描反射镜为平面镜，对目标进行逐点扫描。
5.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的成像反射镜是球面反 射镜或离轴抛物面反射镜，或是前述两种反射镜组合形成的成像反射镜组。
6.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的弹光晶体前后通光表面镀制的高反射率膜是交错对称的。
7.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的静态双折射晶体的通光方向为晶体的光轴方向，其产生的静态光程差大于或等于弹光调制器调制光程差。
8.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的探测器可以是阵列探测器，或是点探测器，放置于反射成像镜的焦点处。
9.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的起偏器与检偏器相互正交放置，并分别与弹光调制器成±45°夹角。
10.根据权利要求1所述的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于:所述的扫描反射镜的扫描速率与弹光调制干涉仪的调制速率匹配。
全文摘要
本发明公开了一种能够实现高速扫描的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪，包括扫描镜、入射光瞳、由球面镜、非球面镜及视场光阑组成的离轴三反望远镜、弹光调制型干涉仪。来自目标的入射光线经扫描反射镜反射后，经入射光瞳进入离轴三反望远镜，光线经离轴三反望远镜反射、聚焦、缩束并准直后进入弹光调制干涉仪进行双折射干涉调制，最后通过逐点扫描完成光谱成像。本发明公开的弹光调制型傅里叶变换干涉成像光谱仪具有成像扫描速度高、抗振动能力强、不受探测器像元限制及光谱分辨率和光通量高等优点。
文档编号G01J3/45GK103234635SQ20131009607
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者陈友华, 陈媛媛, 王召巴, 王志斌, 王立福, 张瑞, 王艳超, 魏海潮 申请人:中北大学