一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测方法及其装置与流程

本发明涉及光学微器件制备及遥感探测领域，特别涉及一种基于菲涅尔波带片的多通道光谱探测技术，具体地讲，涉及一种利用离轴菲涅尔波带片和卡塞格伦望远镜系统的多通道光谱探测方法及装置。

背景技术：

光谱仪又称分光仪，是用光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长强度的装置。常见的光谱仪，是将光线通过一个具有光栅的狭小缝隙，利用光栅来控制光谱仪器的分辨率。衍射光栅作为色散元件，经过特定设计，将不同波长的光以不同的角度反射出去，使得辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，分析系统在选定的波长上(或扫描某一波段)对分离出的各个波长的光，进行强度测定。目前，常见的色散分光技术包括，光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光等。这些方案，系统结构较复杂，装置体积和质量大。

技术实现要素：

发明目的：克服现有光谱探测技术中的不足，提供一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测方法及其装置，该菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜配套使用，可以充分利用卡塞格伦望远镜小视场、高增益特点，以及菲涅尔波带片光放大及分光的作用，提高弱信号光强度，并降低排除视场外背景光干扰。该多光谱探测装置简单轻便，方便维护和使用，具有很高实用价值。

本发明采用的技术方案是：一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测方法，将菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜系统结合，利用卡塞格伦望远镜收集光信号，传输 到菲涅尔波带片，经由菲涅尔波带片汇聚、分光，将不同波长的光波反射到探测器，实现多光谱探测。

上述技术方案中，所述的菲涅尔波带片采用离轴菲涅尔波带片，所述离轴菲涅尔波带片为在完整波带片上偏离中心截取的一部分。

上述技术方案中，所述的卡塞格伦望远镜系统包括卡塞格伦望远镜主镜和卡塞格伦望远镜副镜，所述将菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜系统结合是指将菲涅尔波带片置于卡塞格伦望远镜出射孔径上，调整卡赛格伦望远镜系统中副镜与主镜的几何参数，使主镜收集的光线经副镜反射后，以平行光垂直入射菲涅尔波带片。

上述技术方案中，在菲涅尔波带片光轴不同位置放置微反射镜系统，将会聚的光线传输到单像素探测器，或者将单像素探测器放置在菲涅尔波带片光轴上，直接探测会聚的目标光，实现多通道光谱同时探测。

实现上述基于菲涅尔波带片的多光谱探测方法的具体步骤包括：(1)设计菲涅尔波带片微结构，获得合适的探测波长的焦距和光放大倍率；(2)设计具有一定视场和增益的卡塞格伦望远镜，调整主镜和副镜，获得垂直出射孔径的平行光；(3)再利用电子束蒸发镀膜、电子束曝光和等离子体刻蚀技术完成微结构的制备；(4)将菲涅尔波带片装配在卡塞格伦望远镜的出射孔径，利用光阑或者直接裁剪使得菲涅尔波带片以离轴方式工作；(5)菲涅尔波带片光轴不同位置放置微反射镜系统，将会聚的光线传输到单像素探测器，或者将单像素探测器放置在菲涅尔波带片光轴上，直接探测会聚的目标光，实现多通道光谱同时探测。

菲涅尔波带片的半波带，要根据需要探测的目标光波长进行设计，半波带数目决定了光放大的倍率，半波带数目越大，菲涅尔波带片尺寸越大；菲涅尔波带 片的焦距与波长成反比，长波焦距短。

一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测装置，包括菲涅尔波带片、卡塞格伦望远镜系统和探测器，所述的菲涅尔波带片置于卡塞格伦望远镜出射孔径上；所述探测器放置在菲涅尔波带片光轴上，或者在菲涅尔波带片光轴的不同色散光会聚位置放置在能接收微反射镜系统，将会聚的光线传输到探测器。

上述技术方案中，所述的菲涅尔波带片采用离轴菲涅尔波带片，离轴菲涅尔波带片为在完整波带片上偏离中心截取的一部分。

上述技术方案中，所述的卡塞格伦望远镜包括卡塞格伦望远镜主镜和卡塞格伦望远镜副镜。

上述技术方案中，所述的探测器采用单像素探测器。

菲涅尔波带片对垂直入射的平行光具有强大的会聚及分光能力。对于具有N个半波带的波带片，焦点处的光强是自由光强的4N²倍，可以实现对微弱光信号的放大；

菲涅尔波带片对垂直入射的平行光具有很好的分光性能，但不同波长的光波的主焦点都在光轴上，从光轴方向观察时，不同波长的光波仍然混合在一起，不利于探测。在完整波带片上偏离中心的地方截取一部分(离轴菲涅尔波带片)，则不同波长的光波将在原完整菲涅尔波带片光轴上彼此分离的焦点会聚，可以实现不同波长的光波较好的分离(离轴分光)；

当平行光以一定角度入射时，菲涅尔波带片的会聚能力将降低，并且失去分光的作用；当光以漫散射的形式入射波带片时，波带片基本丧失会聚能力，并且也丧失了分光的作用。卡塞格伦望远镜系统与菲涅尔波带片组合使用，在收集光信号的同时，为菲涅尔波带片提供垂直入射的信号光；

菲涅尔波带片是光谱探测的色散分光元件，具有体积小、质量轻、稳定性高等优点；入射光经菲涅尔波带片后发生衍射，信号光被相干放大，适合探测弱光目标；采用单像素探测器独立工作，实现多光谱同时探测，具有结构简单、成本低、信噪比高和稳定性好等优点。

本发明能对微弱目标光信号进行干涉放大，结构简单、紧凑，可靠性高，便于使用和维护。

附图说明

图1为菲涅尔波带片衍射原理图；

图2为平行光垂直入射波带片时轴向聚光及分光情况；

图3为离轴菲涅尔波带片示意图。图3中，11是一块完整的菲涅尔波带片，12是在完整的菲涅尔波带片的基础上，偏离中心位置截取的一块圆形的离轴菲涅尔波带片；

图4为离轴菲涅尔波带片分光示意图。图4中，平行光垂直入射离轴菲涅尔波带片，不同波长的光波会聚在原菲涅尔波带片光轴的不同位置，21～23是分别对应3个不同波长光波的光谱探测器；

图5为主焦面上光强分布；

图6为卡塞格伦望远镜示意图。图6中，通过合理调节副镜与主镜的距离，设置副镜参数，能使光线以平行光从系统射出，为后续光学元件如菲涅尔波带片提供了理想的垂直入射光；

图7为离轴菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜组合装置侧视图。图7中，31是卡塞格伦望远镜的主镜，32是卡塞格伦望远镜的副镜，离轴菲涅尔波带片12位于卡塞格伦望远镜出射孔径，h1是主镜顶与副镜顶的距离，h2是主镜顶点处的 厚度，h3是主镜边缘厚度，h4是主镜边缘宽度，D1是主镜边缘的外口径，D3是主镜上出射孔径的直径；

图8为卡塞格伦望远镜主镜俯视图。图8中，D2是主镜边缘的内口径；

图9为卡塞格伦望远镜副镜侧视图。图9中，h5是副镜边缘的厚度，h6是副镜中心的厚度，D4是副镜的口径；

图10为本发明结构原理示意图。图中标记与图7同。

具体实施方式

参见附图，本发明的一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测方法，将菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜系统结合，利用卡塞格伦望远镜收集光信号，传输到菲涅尔波带片，经由菲涅尔波带片汇聚、分光，将不同波长的光波反射到探测器，实现多光谱探测，所述的菲涅尔波带片采用离轴菲涅尔波带片，所述离轴菲涅尔波带片为在完整波带片上偏离中心截取的一部分，所述的卡塞格伦望远镜系统包括卡塞格伦望远镜主镜和卡塞格伦望远镜副镜，所述将菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜系统结合是指将菲涅尔波带片置于卡塞格伦望远镜出射孔径上，调整卡赛格伦望远镜系统中副镜与主镜的几何参数，使主镜收集的光线经副镜反射后，以平行光垂直入射菲涅尔波带片，在菲涅尔波带片光轴不同位置放置微反射镜系统，将会聚的光线传输到单像素探测器，或者将单像素探测器放置在菲涅尔波带片光轴上，直接探测会聚的目标光，实现多通道光谱同时探测。

一种基于菲涅尔波带片的多光谱探测装置，包括菲涅尔波带片、卡塞格伦望远镜系统和探测器，所述的菲涅尔波带片置于卡塞格伦望远镜出射孔径上；所述探测器放置在菲涅尔波带片光轴上，或者在菲涅尔波带片光轴的不同色散光会聚位置放置在能接收微反射镜系统，将会聚的光线传输到探测器，所述的菲涅尔波 带片采用离轴菲涅尔波带片，离轴菲涅尔波带片为在完整波带片上偏离中心截取的一部分，所述的卡塞格伦望远镜包括卡塞格伦望远镜主镜和卡塞格伦望远镜附镜，所述的探测器采用单像素探测器。

本发明的基于离轴菲涅尔波带片和卡塞格伦望远镜的多通道光谱探测技术，是利用卡塞格伦望远镜大口径、高增益的特点，为离轴菲涅尔波带片提供垂直入射的信号光，通过波带片的光放大和分光后，不同波长的光波被会聚在不同的位置，从而实现多光谱同时探测。

离轴菲涅尔波带片的半波带周期，根据滤光波波长进行设计，波带片的波带数N，根据装置光放大的需求设计，出射光强IN是入射光强的4N²倍。

离轴菲涅尔波带片的形状可以是圆形、方形或者任意多边形，根据卡塞格伦望远镜出射孔径或者所使用的光阑等因素确定。

为了实现多通道光谱探测，可以采用如下步骤：

(1)仿真计算，设计合理的菲涅尔波带片微结构；

(2)利用传统半导体工艺加工制备菲涅尔波带片；

(3)设计制作并装配调试卡塞格伦望远镜系统；

(4)装配菲涅尔波带片和卡塞格伦望远镜组合装置，并在菲涅尔波带片的焦点位置设置探测器。

波带片有多种制作方法，较为常用的方法是镀膜、电子束曝光和刻蚀，这种技术是在透明基底上先镀金属膜，然后电子束曝光形成光刻胶掩膜，再利用刻蚀的方法除去相间波带部分的金属膜，将波带片直接刻出来；同步辐射光刻技术更为精密，但技术复杂成本高，常采用金为制作材料，特点是利用扇形条来支撑波带环；也可以用聚焦离子束直接刻蚀来制备波带片；对精度要求不高的试验用波 带片一般采用照相法实现，它成本低廉，通过绘图软件(如Auto CAD)绘制波带片，然后打印再拍摄成像于底片而得。

以下通过本发明的具体实施例，结合附图对本发明作更进一步的说明。

波带片是由一组透光与不透光同心圆环交替间隔组成的特殊的光栅，圆环半径满足其中，ρn是第n个圆环的半径，f是波带片的主焦距：

f＝ρn²/nλ＝ρ1²/λ(1)

当垂直入射的并非单色光时，将出现色散现象，光波越长，其焦距越短：

f'＝λf/λ'(2)

菲涅耳半波带任何相邻两带的对应部分所发的次波到达主焦点时的光程差为λ/2，不用波带片或任何光阑时(即N→∞)，主焦点的合振幅为A∞＝a1/2，若只让奇数半波带透光，合振幅与光强为：

如图1所示，观察屏上P0点处的光振幅，由菲涅尔‐基尔霍夫衍射公式得：

式中∑1是波带片透光的圆环面积，r01是∑1上某点P到P0的距离，U是波带片上光的复振幅，U(P0)是光在观察点P0的复振幅。P0点离∑1足够远，满足r01>>λ，于是k>>1/r01，得：

光波入射波带片所在xoy平面，假设方向余弦为(cosα,cosβ,cosγ)，则：

假设∑1面z＝0，在柱坐标系下，积分公式(5)可以改写为：

其中，x＝rcosθ，y＝rsinθ。如果取观察点P0(r0,θ0,z0)＝P0(0,0,z0)，式(6)可以简化为：

其中，

根据式(6)，通过MATLAB编程，计算菲涅尔波带片对平行光及漫散射光的会聚和分光能力。在计算中假设工作波长是254nm，以254nm设计波带片参数，主焦距f＝0.2m，波带数N＝4000，同时考察波长为300nm和400nm的两种光波。图2为254nm、300nm及400nm平行光垂直入射波带片时，各自在光轴的不同位置聚焦，焦点光强具有10⁷量级。已知f254nm＝0.2m，由式(2)得，f300nm＝0.169m，f400nm＝0.127m。菲涅耳半波带任何相邻两带的对应部分所发的次波到达主焦点时的光程差为λ/2，不用波带片或任何光阑时(即N→∞)，主焦点的合振幅为A∞＝a1/2，若只让奇数半波带透光，合振幅为AN≈Na1/2。已知I∞＝|U²＝1，从而IN＝N²I∞＝1.6×10⁷I∞。模拟结果与理论吻合，可见菲涅耳波带片对垂直入射的光波具有很好的会聚及分光作用。

波带片对垂直入射的平行光具有很好的分光性能，但不同光波的主焦点都在光轴上，所以从光轴方向观察时，不同光波仍然混合在一起，300nm和400nm光强形成背景噪声，不能实现三种光波的彻底分离。如果在完整波带片上偏离中心的地方截取一部分(图3)，则不同光波将在原光轴上彼此分离的焦点会聚(图4)。

假设以A(a,0,0)为圆心，以b为半径在波带片(位于oxy平面)上截取一 部分，则式(4)转化为：

选取f＝0.2m，N＝62800，λ＝254nm，则R＝ρ62800≈5.6cm，假设a＝3R/4，b＝R/4，利用式(8)计算得图5所示结果。可见，离轴波带片对垂直入射光波同样具有强大的会聚能力，但分光更加彻底。

菲涅尔波带片对杂散光没有会聚放大能力，可以将波带片与图6所示望远镜系统结合对信号光进行聚集，望远镜出射光为平行光，波带片置于望远镜出射孔径上。对卡塞格伦望远镜进行设计，如图7和图8所示，主镜的设计参数如下：

■面型：圆锥系数k＝‐1，抛物面，顶点半径300mm(f＝150mm)

■主镜顶与副镜顶的距离：h1＝138.326mm

■顶点处的厚度：h2＝20mm

■外口径：D1＝206mm

■出射孔径口径(中心开孔)：D3＝20mm

■厚度：h3＝36.7mm

■边缘宽度：h4＝3mm

如图7和图9所示，副镜的设计参数如下：

■面型：圆锥系数k＝‐1.5625，双曲面，顶点半径22.5mm(a＝40mm，b＝30mm)

■口径：D4＝15.54mm

■中心厚度：h6＝6.32mm

■底部厚度：h5＝5mm

调整卡塞格伦望远镜副镜与主镜的距离，能使光线经副镜反射后，近乎平行 地射向出射孔径。将离轴波带片置于望远镜出射孔径处，便构成了卡塞格伦望远镜与菲涅尔波带片组合的多光谱探测接收天线。它具有小视场、大口径、增益较高的特点。