[發明專利]基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置及其探測方法

在審

• 申請號: 201711012750.0
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107748009A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 邱卓然;邱守義
• 申請（專利權）人: 邱卓然
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/45
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 朱沉雁

技術領域

本發明屬于光學探測領域，具體涉及一種基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置及其探測方法。

背景技術

干涉型成像光譜儀通過探測目標場景各點的干涉條紋重構光譜信息，具有多通道、高通量的優點，尤其適合于紅外波段光譜探測。干涉光譜技術利用光譜數據和其干涉信號之間傅里葉變換關系，通過探測干涉信號反演光譜信息。根據傅里葉變換的特性，要提高復原光譜的分辨率，必須增加干涉條紋的光程差，干涉成像光譜儀需要增加推掃的行程，會增加儀器設計的復雜度，增加采集術數據冗余度。

上世紀90年出現的空間外差光譜技術，將干涉光譜技術和色散光柵結合，在不增加干涉條紋長度的前提下能夠獲取高分辨率的光譜信息。但是空間外差光譜技術無法對目標進行成像探測，只適合于點光源探測；且點光源光束經過干涉系統后擴展為面陣光直接投射到面陣探測上，導致探測器獲取的光通量較低，降低了系統的信噪比，對于弱輻射目標，特別是天文目標的光譜探測，將增加探測器響應靈敏度的負擔。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置及其探測方法，能夠獲取高信噪比的目標場景的干涉條紋，并能獲取高分辨率的光譜信息，擴展干涉成像光譜儀的應用領域。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置，包括沿光路方向依次放置的前端光學系統、濾光片、雙矩形光柵剪切器、后端成像物鏡、面陣探測器和信號處理系統；其中，前端光學系統包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡、視場光闌和準直物鏡，前置成像物鏡的像面和準直物鏡的前焦面重合，視場光闌位于準直物鏡的前焦面；雙矩形光柵剪切器由垂直于光軸的第一矩形光柵和第二矩形光柵組成，第一矩形光柵和第二矩形光柵平行，且第一矩形光柵和第二矩形光柵的刻線方向相同；面陣探測器的靶面位于后端成像物鏡的后焦面上；信號處理系統與探測器相連；所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。

光路走向如下：探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，由視場光闌確定探測視場范圍并消除雜散光，隨后經過準直物鏡，形成準直光束；前端光學系統形成的準直光束經過濾光片，消除其它波段光束，只允許探測波段光束經過濾光片；隨后探測波段的平行光束經過第一矩形光柵，在±1衍射級生成兩束不同衍射角的平行光束，隨后±1衍射平行光束經過第二矩形光柵后形成同一視場角的兩束平行光束，兩束平行光束之間存在橫向剪切，隨后剪切光束經過后端成像物鏡成像在面陣探測器的靶面上；面陣探測器將光信號轉化為電信號，電信號進入信號處理系統。

所述第一矩形光柵的占空比為0.5；對探測譜段中心波長的光束正入射時，其相位延遲量為π或者3π；第二矩形光柵的參數規格與第一矩形光柵的參數規格相同。

一種基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置的探測方法，包含以下步驟：

第一步，探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，由視場光闌確定探測視場范圍并消除雜散光，隨后經過準直物鏡，形成準直光束；

第二步，前端光學系統形成的準直光束經過濾光片，消除其它波段光束，只允許探測波段光束經過濾光片；

第三步：經過濾光片的平行光束經過第一矩形光柵，在±1衍射級生成兩束不同衍射角的平行光束，隨后±1衍射平行光束經過第二矩形光柵后形成同一視場角的兩束平行光束，兩束平行光束之間存在橫向剪切，橫向剪切量的大小與光束波長相關；

第四步：經過雙矩形光柵剪切器橫向剪切的兩束平行光經過后端成像物鏡成像到面陣探測器的靶面上，并引入隨波長變換的光程差，在探測器靶面上得到攜帶有干涉條紋的目標場景圖像，干涉條紋光程差方向與第一矩形光柵的刻線方向垂直，通過旋轉雙矩形光柵剪切器或者旋轉整套系統對探測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標干涉圖像，并轉化成電信號進入信號處理系統；

第五步，信號處理系統從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的干涉數據，對干涉數據進行傅里葉變換等處理后，得到探測目標的光譜數據立方體，從而得到目標各點的高分辨率光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：（1）能夠獲取探測譜段內高分辨率的光譜信息；（2）系統內部無狹縫，具有高光通量、高空間法分辨率的優點；（3）系統結構簡單、緊湊，體積小。

附圖說明

圖1為本發明基于矩形光柵色散剪切的干涉成像光譜裝置的結構示意圖。