基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪

本发明涉及光谱仪器，尤其涉及一种基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪。

背景技术：

1、近年来，随着我国在工业生产生活中多领域的飞速发展，环境安全、环境保护以及安全生产形势日益严峻，环境污染以及灾害事故频发，对用于突发化学品泄漏、环境和安全监测、有毒有害物质监控以及反恐防化等领域现场监测的成像探测仪器的需求和性能要求都日益提高。而传统光谱成像探测技术仅能获取目标某一或特定几个波段的图像信息，信息载量低，无法实现对污染气团等目标的成分分析。傅里叶变换成像光谱技术作为一种结合了光学、电子学、微纳器件制造、图谱信息处理等技术于一体的高精尖技术，能够同时获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，在多个领域都有着广泛的应用。

2、目前傅里叶变换成像光谱仪器可以分为三个类别，分别为时间调制型、空间调制型以及时空联合调制型。其中时间调制型傅里叶变换成像光谱仪基于迈克尔逊干涉仪原理，通过干涉系统中的动镜结构扫描来实现光程差的积累，能够获得较高的光通量和光谱精度，但干涉系统内的可动部件及其扫描过程使仪器的实时性和稳定性收到了较大影响；空间调制型傅里叶变换成像光谱仪通过干涉系统的空间结构获得光程差，干涉系统内不含可动部件，稳定性较强，但其光谱分辨率相对较低，且系统内的狭缝使得仪器光通量下降；时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪综合了前两种仪器的优点，通常基于像面干涉成像原理，主要利用干涉系统内核心器件的空间位置不同来产生光程差，所以其最大光程差受到面阵探测器大小及宽带采样的采样间隔限制，无法实现很高的光谱分辨率，这极大影响了仪器的实际应用。

3、对此，一般有两种解决途径，第一种途径为在保持宽带采样的采样间隔极限下，提高采样点数，增大最大光程差，以达到提高光谱分辨率的目的，但受限于面阵探测器像元数量限制，此种方法对光谱分辨率的提升效果有限，而且随着采样点数的增加，单一干涉通道内的像元数减少，仪器的信噪比会受到一定影响，且仪器干涉系统核心器件的加工及装调难度也大大增加；第二种途径为增大采样间隔，缩小采样带宽，通过窄带采样，可以在不增加面阵探测器面积以及仪器采样点数的情况下实现光谱分辨率的提高，但过大的采样间隔会使得干涉核心器件的尺寸过大，不仅器件制作难度直线上升，且会明显影响零级以外干涉单元的成像效果，出现离焦等问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪。

2、本发明目的在于提供一种基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，沿光束传播方向依次包括：扫描反射镜、前置成像系统、分束器、阶跃式多级微反射镜、平面反射镜、中继成像系统以及面阵探测器；

3、待测目标发出的目标光场入射至所述扫描反射镜扫描，获得待测目标的初始光场信息，入射至所述前置成像系统后形成待测目标的多重像场；

4、所述多重像场经所述分束器分割为两束相干光束，分别入射至阶跃式所述多级微反射镜和所述平面反射镜上，经过多维相位调制后返回所述分束器；

5、最后经所述中继成像系统耦合传输至所述面阵探测器上，形成待测目标的干涉图像阵列。

6、优选的，阶跃式多级微反射镜包括m×n个子阶梯，m为纵向的子阶梯阶数，对应成像通道数；n为横向的子阶梯级数，对应单一成像通道中的干涉通道数；子阶梯高度d≤λmin/4。

7、优选的，阶跃式多级微反射镜镜纵向第m阶第n级子阶梯对应的干涉通道的光程差可表示为：

8、δ(m,n)＝2(nm-n)d；

9、所述光程差的采样间隔为δ＝2d。

10、优选的，阶跃式多级微反射镜可采用微光机电系统技术工艺制作。

11、优选的，前置成像系统包括准直镜、光阑阵列、多重成像透镜阵列；

12、目标光场入射至所述准直镜准直，获得平行光束；再通过所述光阑阵列将所述平行光束分为若干互不串扰的平行光场；所述平行光场经所述多重成像透镜阵列分割后，在像方焦面形成待测目标的多重像场。

13、优选的，分束器与光轴呈45°放置、分光比1:1。

14、优选的，在一个扫描周期内，所述待测目标可以通过所述扫描反射镜遍历所有m×n个干涉通道。

15、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

16、本发明通过前置成像系统中的准直镜、光阑阵列以及透镜阵列实现目标的多重成像，并在干涉系统中利用阶跃式多级微镜实现多重像场的多维相位调制，以及干涉级次的阶跃分布，提高了面阵探测器的空间维利用率，在实现了光谱分辨率提高的同时，不影响单个干涉通道的像元数量，且避免了由于多级微反射镜的采样间隔过大有可能带来的成像离焦和子阶梯侧面引入杂散光问题，保证了系统的成像效果。

技术特征：

1.基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于，沿光束传播方向依次包括：扫描反射镜、前置成像系统、分束器、阶跃式多级微反射镜、平面反射镜、中继成像系统以及面阵探测器；

2.根据权利要求1所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述阶跃式多级微反射镜包括m×n个子阶梯，m为纵向的子阶梯阶数，对应成像通道数；n为横向的子阶梯级数，对应单一成像通道中的干涉通道数；所述子阶梯高度d≤λmin/4。

3.根据权利要求2所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述阶跃式多级微反射镜镜纵向第m阶第n级子阶梯对应的干涉通道的光程差可表示为：

4.根据权利要求3所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述阶跃式多级微反射镜可采用微光机电系统技术工艺制作。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述前置成像系统包括准直镜、光阑阵列、多重成像透镜阵列；

6.根据权利要求5所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述分束器与光轴呈45°放置、分光比1:1。

7.根据权利要求6所述的基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：在一个扫描周期内，所述待测目标可以通过所述扫描反射镜遍历所有m×n个干涉通道。

技术总结
本发明涉及光谱仪器技术领域，尤其涉及一种基于阶跃式多级微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪。沿光束传播方向依次包括扫描反射镜、前置成像系统、分束器、阶跃式多级微反射镜、平面反射镜、中继成像系统及面阵探测器；待测目标发出的目标光场入射至扫描反射镜扫描，随后入射至前置成像系统后形成待测目标的多重像场；经分束器分割为两束相干光束，分别入射至阶跃式多级微反射镜和平面反射镜上，进行多维相位调制返回分束器；最后经中继成像系统耦合传输至面阵探测器上，形成待测目标的干涉图像阵列。优点在于提高光谱分辨率；提高了面阵探测器的空间维利用率；避免了由于多级微反射镜的采样间隔过大带来的成像离焦和子阶梯侧面引入杂散光问题。

技术研发人员：赵百轩,梁静秋,吕金光,郑凯丰,赵莹泽,陈宇鹏,秦余欣,王惟彪,盛开洋,郑美如
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15