長波紅外空間調制干涉小型化方法
【專利摘要】長波紅外空間調制干涉小型化方法,其特征在于干涉組件由一個分光鏡、角錐反射鏡Ⅰ、角錐反射鏡Ⅱ和兩個孔徑光闌組成;分光鏡與入射平行光成135度放置;角錐反射鏡Ⅰ的頂點位置相對反射光光軸位置開始,沿反射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;角錐反射鏡Ⅱ的頂點位置相對透射光光軸位置開始,沿透射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;兩個孔徑光闌分別設置在兩個角錐反射鏡的頂點位置處,并且分別垂直于反射光光軸和透射光光軸放置。在光學參數(shù)一致的情況下,減小了分光鏡的尺寸,干涉組件的尺寸和光譜儀的整體尺寸得到有效控制,材料的生長難度和加工難度均降低,節(jié)約了成本。
【專利說明】長波紅外空間調制干涉小型化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于干涉光譜學領域,涉及一種長波紅外波段的空間調制干涉小型化方法。
【背景技術】
[0002]自20世紀60年代第一臺傅里葉變換成像光譜儀的出現(xiàn)以來,至今已有40多年的歷史。早期基于動鏡掃描的時間調制型傅里葉變換光譜儀技術已經(jīng)非常成熟,廣泛應用于航天及航空遙感領域。上世紀80年代,為了克服基于動鏡掃描的時間調制型傅里葉變換光譜儀中存在的缺點,人們開始對空間調制型傅里葉變換光譜儀進行研究。美國LawrenceLivermore國家實驗室進行了紅外波段,成像傅立葉變換(IFT)系統(tǒng)的研究,并做了相關的模擬試驗。在美國空軍的支持下,美國Florida技術研究所、Kestrel公司及Pillips實驗室成功完成了用于航空遙感的可見光超光譜傅里葉變換成像光譜儀(FTVHS),F(xiàn)TVHS核心部件采用了帶狹縫光闌的三角式干涉儀,以面陣CCD作為探測器件。進入本世紀,美國夏威夷大學采用全反射Sagnac干涉儀為核心部件研制成功了無狹縫的窗掃大孔徑空間調制成像光譜儀。國際科學應用公司提出了利用改進的Mach-Zehnder干涉儀作為高光通量靜態(tài)空間調制型傅里葉變換成像光譜儀的思路。日本的田名綱健雄等人提出了 Michelson空間調制型干涉儀的思路,法國Tosa公司采用該方案在遠紅外實現(xiàn)了窗掃大孔徑空間調制成像光譜儀初步實驗。
比較而言,Mach-Zehnder干涉儀不易裝調,工程化較為困難。圖1是Mach-Zehnder干涉儀光路原理圖,由圖可以看出,兩個分光鏡和兩個反射鏡均需要高精度的加工和安裝才能保證出射光程差的精度,加工裝調難度大。
Sagnac和Michelson空間調制型干涉儀同屬橫向剪切型干涉儀。圖2是橫向剪切型干涉儀原理圖,橫向剪切型干涉儀中的干涉組件相當于一個橫向剪切器,即無窮遠處光源發(fā)出的光(或者經(jīng)準直后的光線)經(jīng)干涉組件后,具有相同出射角度的光束被橫向剪切為兩部分,然后經(jīng)傅里葉透鏡聚焦到像面的同一點上;橫向剪切的作用相當于把一個光源S分解為兩個位于無窮遠處的虛擬光源S1、S2,并且這兩個光源之間的距離等于橫向剪切器(干涉組件)的橫向剪切量L。因此,產生相位差,在像面上產生干涉條紋。
Sagnac三角式干涉儀在甚長波紅外窗口上存在系統(tǒng)尺寸大,部件昂貴、成本聞,分光棱鏡加工和鍍膜困難等問題,目前在可見光和近紅外領域應用較多。圖3是Sagnac干涉儀光路原理圖。Sagnac干涉裝置是用兩個半五角棱鏡膠合來實現(xiàn)??梢钥闯?,光線經(jīng)過棱鏡的光路較長,使得棱鏡尺寸較大,由于可透長波紅外波段的材料有限且吸收率較高,經(jīng)過棱鏡的行程越長則吸收越大,光利用率越低;分束膜鍍制難度較大,需要將兩塊棱鏡膠合或者在兩者之間填充高折射率材料,增大了實現(xiàn)的難度。如果Sagnac干涉裝置采用的是反射鏡和分光鏡來實現(xiàn),其效果將導致光線的行程比采用兩個半五角棱鏡的光線行程更長,系統(tǒng)體積更大。
圖4是常規(guī)的高通量橫向剪切型Michelson靜態(tài)干涉儀干涉組件光路原理圖。平行光束經(jīng)分光鏡分光,分別經(jīng)2個角錐反射鏡反射,兩個角錐反射鏡中一個角錐反射鏡頂點位置放置在光軸上,另一個角錐反射鏡頂點相對光軸橫向移動1/2個橫向剪切量,使得兩束出射光線產生一個橫向剪切量的相位差,從而使得兩束光線經(jīng)傅里葉透鏡后產生達到光譜分辨率所需要的光程差。該方法為本發(fā)明的最接近現(xiàn)有技術,解決了 Sagnac干涉儀棱鏡尺寸大、棱鏡膠合與分束膜的鍍制工藝難度大等問題,但是,實際設計尺寸仍然太大,分束鏡需要使用較大的特殊晶體材料,對光學加工的要求較高。
【發(fā)明內容】
[0003]為解決常規(guī)的Michelson靜態(tài)橫向剪切型干涉儀的角錐反射鏡和分光鏡尺寸偏大的問題,本發(fā)明提供一種長波紅外空間調制干涉小型化方法,以減小角錐反射鏡和分光鏡的尺寸,實現(xiàn)干涉儀的小型化。
本發(fā)明的長波紅外空間調制干涉小型化方法,其特征在于:干涉組件由一個分光鏡、角錐反射鏡1、角錐反射鏡II和兩個孔徑光闌組成;分光鏡與入射平行光成135度放置;角錐反射鏡I的頂點位置相對反射光光軸位置開始,沿反射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;角錐反射鏡II的頂點位置相對透射光光軸位置開始,沿透射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;兩個孔徑光闌分別設置在兩個角錐反射鏡的頂點位置處,并且分別垂直于反射光光軸和透射光光軸放置。
本發(fā)明的干涉方法是:場景掃描經(jīng)望遠系統(tǒng)準直后的光線進入干涉組件,由分光鏡按照相同振幅分為兩束,一束為反射光,另一束為透射光;反射光經(jīng)角錐反射鏡I反射,再經(jīng)過分光鏡透射出干涉組件;透射光經(jīng)角錐反射鏡II反射,再被分光鏡反射出干涉組件;兩束光線組合形成具有一個剪切量的相干光,通過傅里葉透鏡聚焦,成像到紅外探測器像面上,形成干涉條紋,再利用傅里葉變換處理器進行快速傅里葉變換得到景物的光譜信息。
本發(fā)明的有益效果是:在光學參數(shù)一致的情況下,通過對兩個角錐反射鏡同時偏移和對孔徑光闌位置的合理設置,減小了分光鏡的尺寸,干涉組件的尺寸和光譜儀的整體尺寸得到有效控制。由于分光鏡多采用高透過率的ZnSe材料,分光鏡尺寸的減小,降低了材料的生長難度和加工難度,節(jié)約了成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0004]圖1 Mach-Zehnder干涉儀光路原理圖;
圖2 Sagnac干涉儀光路原理圖;
圖3橫向剪切型干涉儀原理圖;
圖4常規(guī)的高通量橫向剪切型Michelson靜態(tài)干涉儀光路原理圖;
圖5本發(fā)明的小型化長波紅外空間調制干涉成像光譜儀示意圖;
圖6孔徑光闌設置在望遠系統(tǒng)后的小型化長波紅外空間調制干涉儀的尺寸示意圖;
圖7孔徑光闌設置在傅里葉透鏡前的小型化長波紅外空間調制干涉儀的尺寸示意圖;圖8孔徑光闌設置在角錐反射鏡頂點位置的小型化長波紅外空間調制干涉儀的尺寸示意圖;
圖9孔徑光闌設置在望遠系統(tǒng)后的小型化長波紅外空間調制干涉儀干涉組件的尺寸
圖;圖10孔徑光闌設置在傅里葉透鏡前的小型化長波紅外空間調制干涉儀干涉組件的尺寸圖;
圖11孔徑光闌設置在角錐反射鏡頂點位置的小型化長波紅外空間調制干涉儀干涉組件的尺寸圖;
圖12單個角錐反射鏡頂點相對光軸偏移1/2個橫向剪切量的干涉組件最優(yōu)尺寸示意
圖; 圖13兩個角錐反射鏡同時相對光軸位置偏移1/4個橫向剪切量的干涉組件最優(yōu)尺寸示意圖;
圖14角錐反射鏡頂點偏移量對角錐反射鏡口徑尺寸影響的尺寸示意圖。
圖中:1.分光鏡,2.角錐反射鏡I,3.角錐反射鏡II,4.反射鏡I,5.反射鏡II,6.分光鏡I,7.分光鏡II,8.望遠系統(tǒng),9.干涉組件,10.傅里葉透鏡,11.探測器,12.傅里葉變換處理器,13.孔徑光闌。
【具體實施方式】
[0005]以下結合附圖及實施例,對本發(fā)明作進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明,并不限定本發(fā)明。
如圖5所示,本實施例為本發(fā)明方法應用于采用320X 256元探測器的長波紅外空間調制干涉成像系統(tǒng)小型化的例子。包括望遠系統(tǒng)8,傅里葉透鏡10,紅外探測器11,傅里葉變換處理器12,其特征在于:干涉組件9由一個分光鏡1、角錐反射鏡I 2、角錐反射鏡II 3和兩個孔徑光闌13組成;分光鏡I與入射平行光成135度放置;角錐反射鏡I 2的頂點位置相對反射光光軸位置開始,沿反射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;角錐反射鏡II 3的頂點位置相對透射光光軸位置開始,沿透射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;角錐反射鏡I 2和角錐反射鏡II 3可采用兩個直角屋脊反射鏡或兩個角錐體棱鏡進行替換;兩個孔徑光闌13分別設置在角錐反射鏡I和角錐反射鏡II的頂點位置處,并且分別垂直于透射光光軸和反射光光軸放置。
本發(fā)明的干涉方法是:場景掃描經(jīng)望遠系統(tǒng)8準直后的光線進入干涉組件9,由分光鏡I按照相同振幅分為兩束,一束為反射光,另一束為透射光;反射光經(jīng)角錐反射鏡I 2反射,再經(jīng)過分光鏡透射出干涉組件;透射光經(jīng)角錐反射鏡II 3反射,再被分光鏡反射出干涉組件;從干涉組件出射的兩束光線組合形成一個具有剪切量的相干光,通過傅里葉透鏡10聚焦,成像于紅外探測器11像面上,形成干涉條紋,再利用傅里葉變換處理器12進行快速傅里葉變換得到景物的光譜信息。
上述的橫向剪切量L和干涉儀光譜分辨率,由以下公式計算;
Z =Cl)
y
Av-^-(2)
2?£
公式中,£為橫向剪切量,R為紅外探測器的最大光譜分辨本領,對于320X256元探測器,以320象素方向為光譜維,i?=0.5iV= 0.5 x 320 =160 , N為干涉圖的單邊采樣點總數(shù),I為所能探測的最短波長,如波段8~12 μ m,即為8 μ m,y為像面最大光譜分辨本領的邊長度,/£為傅里葉透鏡焦距,Α?為光譜分辨家ε力探測器像元尺寸,。由以上兩式可知,使用320X256元、像元尺寸30 μ m,響應波段8~12 μ m的長波紅外探測器時可以達到的光譜分辨率優(yōu)于ScnT1。當選定了探測器后,剪切量£由需要達到的光譜分辨率和傅里葉透鏡焦距決定。
本發(fā)明方法具有使干涉組件小型化的技術效果:
首先,如圖8所示,孔徑光闌13設置在本發(fā)明所述的角錐反射鏡I 2與角錐反射鏡II 3頂點位置時,分光鏡I的尺寸有所減小。比較孔徑光闌設置在望遠系統(tǒng)8后的圖6和孔徑光闌設置在傅里葉透鏡10前的圖7,在相同的光學參數(shù)前提條件下,孔徑光闌設置在角錐反射鏡的頂點位置時,望遠系統(tǒng)、干涉組件和傅里葉透鏡尺寸都得到了控制,為最優(yōu)化位置,干涉儀尺寸得到控制。圖9、圖10和圖11分別表示在相同光學參數(shù)下,孔徑光闌13分別位于望遠系統(tǒng)8后、傅里葉透鏡10前、角錐反射鏡I 2和角錐反射鏡II 3頂點位置時的干涉組件尺寸圖。三幅圖分別標出了分光鏡I的有效尺寸??梢钥闯?,孔徑光闌設置在角錐反射鏡頂點位置時,分光鏡尺寸比設置在望遠系統(tǒng)后,或者設置在傅里葉透鏡前的都小,為最優(yōu)化位置。
其次,角錐反射鏡I 2和角錐反射鏡II 3頂點偏移量對干涉儀尺寸的影響。圖12所示的是角錐反射鏡I 2頂點相對反射光光軸垂直方向偏移1/2個橫向剪切量L時的干涉組件最優(yōu)尺寸,圖13所示的是角錐反射鏡I 2與角錐反射鏡II 3分別沿反射光與入射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4個橫向剪切量L時的干涉組件最優(yōu)尺寸。在光學參數(shù)一致情況下,單個角錐反射鏡頂點相對光軸偏移的干涉組件尺寸,和兩個角錐反射鏡同時相對光軸位置偏移時的干涉組件尺寸,分別受高度A和紀影響,計算公式為:
【權利要求】
1.長波紅外空間調制干涉小型化方法,包括:望遠系統(tǒng)⑶、傅里葉透鏡(K))、紅外探測器(11)和傅里葉變換處理器(12),其特征在于:干涉組件(9)由一個分光鏡⑴、角錐反射鏡I (2)、角錐反射鏡II⑶和兩個孔徑光闌(13)組成;分光鏡⑴與入射平行光成135度放置;角錐反射鏡I⑵的頂點位置相對反射光光軸位置開始,沿反射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;角錐反射鏡II⑶的頂點位置相對透射光光軸位置開始,沿透射光光軸垂直方向逆時針偏移1/4橫向剪切量的位移量;兩個孔徑光闌(13)分別設置在角錐反射鏡I⑵和角錐反射鏡II⑶的頂點位置處,并且分別垂直于反射光光軸和透射光光軸放置。
2.根據(jù)權利要求1所述的長波紅外空間調制干涉小型化方法,其特征在于:本發(fā)明的干涉方法是場景掃描經(jīng)望遠系統(tǒng)準直后的光線進入干涉組件⑶,由分光鏡⑴按照相同振幅分為兩束,一束為反射光,另一束為透射光;反射光經(jīng)角錐反射鏡I⑵反射,再經(jīng)過分光鏡透射出干涉組件;透射光經(jīng)角錐反射鏡II⑶反射,再被分光鏡反射出干涉組件;兩束光線組合形成具有一個剪切量的相干光,通過傅里葉透鏡(1Φ聚焦,成像到紅外探測器(11)像面上,形成干涉條紋,再利用傅里葉變換處理器(12)進行快速傅里葉變換得到景物的光譜信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的長波紅外空間調制干涉小型化方法,其特征在于:分光鏡⑴使用高透過率的ZnSe材料,鍍有分光膜的面位于入射平行光的入射面,透過波段8?12μπι,透射/反射率為1/1 ;鍍有增透膜的面位于入射平行光的出射面,透過波段8?12 μ m,透過率大于97%。
4.根據(jù)權利要求1所述的長波紅外空間調制干涉小型化方法,其特征在于:角錐反射鏡I⑵和角錐反射鏡II⑶可采用兩個直角屋脊反射鏡或兩個角錐體棱鏡進行替換。
【文檔編號】G01J3/26GK103674243SQ201310469722
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】付艷鵬, 鄭為建, 李訓牛, 王海洋, 金寧, 雷正剛, 曾怡, 張衛(wèi)峰, 竇建云 申請人:昆明物理研究所