[发明专利]基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置及其探测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学探测领域，具体涉及一种基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置及其探测方法。

背景技术

干涉型成像光谱仪通过探测目标场景各点的干涉条纹重构光谱信息，具有多通道、高通量的优点，尤其适合于红外波段光谱探测。干涉光谱技术利用光谱数据和其干涉信号之间傅里叶变换关系，通过探测干涉信号反演光谱信息。根据傅里叶变换的特性，要提高复原光谱的分辨率，必须增加干涉条纹的光程差，干涉成像光谱仪需要增加推扫的行程，会增加仪器设计的复杂度，增加采集术数据冗余度。

上世纪90年出现的空间外差光谱技术，将干涉光谱技术和色散光栅结合，在不增加干涉条纹长度的前提下能够获取高分辨率的光谱信息。但是空间外差光谱技术无法对目标进行成像探测，只适合于点光源探测；且点光源光束经过干涉系统后扩展为面阵光直接投射到面阵探测上，导致探测器获取的光通量较低，降低了系统的信噪比，对于弱辐射目标，特别是天文目标的光谱探测，将增加探测器响应灵敏度的负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置及其探测方法，能够获取高信噪比的目标场景的干涉条纹，并能获取高分辨率的光谱信息，扩展干涉成像光谱仪的应用领域。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置，包括沿光路方向依次放置的前端光学系统、滤光片、双矩形光栅剪切器、后端成像物镜、面阵探测器和信号处理系统；其中，前端光学系统包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜、视场光阑和准直物镜，前置成像物镜的像面和准直物镜的前焦面重合，视场光阑位于准直物镜的前焦面；双矩形光栅剪切器由垂直于光轴的第一矩形光栅和第二矩形光栅组成，第一矩形光栅和第二矩形光栅平行，且第一矩形光栅和第二矩形光栅的刻线方向相同；面阵探测器的靶面位于后端成像物镜的后焦面上；信号处理系统与探测器相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

光路走向如下：探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜成像在其像面上，由视场光阑确定探测视场范围并消除杂散光，随后经过准直物镜，形成准直光束；前端光学系统形成的准直光束经过滤光片，消除其它波段光束，只允许探测波段光束经过滤光片；随后探测波段的平行光束经过第一矩形光栅，在±1衍射级生成两束不同衍射角的平行光束，随后±1衍射平行光束经过第二矩形光栅后形成同一视场角的两束平行光束，两束平行光束之间存在横向剪切，随后剪切光束经过后端成像物镜成像在面阵探测器的靶面上；面阵探测器将光信号转化为电信号，电信号进入信号处理系统。

所述第一矩形光栅的占空比为0.5；对探测谱段中心波长的光束正入射时，其相位延迟量为π或者3π；第二矩形光栅的参数规格与第一矩形光栅的参数规格相同。

一种基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置的探测方法，包含以下步骤：

第一步，探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜成像在其像面上，由视场光阑确定探测视场范围并消除杂散光，随后经过准直物镜，形成准直光束；

第二步，前端光学系统形成的准直光束经过滤光片，消除其它波段光束，只允许探测波段光束经过滤光片；

第三步：经过滤光片的平行光束经过第一矩形光栅，在±1衍射级生成两束不同衍射角的平行光束，随后±1衍射平行光束经过第二矩形光栅后形成同一视场角的两束平行光束，两束平行光束之间存在横向剪切，横向剪切量的大小与光束波长相关；

第四步：经过双矩形光栅剪切器横向剪切的两束平行光经过后端成像物镜成像到面阵探测器的靶面上，并引入随波长变换的光程差，在探测器靶面上得到携带有干涉条纹的目标场景图像，干涉条纹光程差方向与第一矩形光栅的刻线方向垂直，通过旋转双矩形光栅剪切器或者旋转整套系统对探测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像，并转化成电信号进入信号处理系统；

第五步，信号处理系统从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据进行傅里叶变换等处理后，得到探测目标的光谱数据立方体，从而得到目标各点的高分辨率光谱信息及各个谱段的二维图像信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）能够获取探测谱段内高分辨率的光谱信息；（2）系统内部无狭缝，具有高光通量、高空间法分辨率的优点；（3）系统结构简单、紧凑，体积小。

附图说明

图1为本发明基于矩形光栅色散剪切的干涉成像光谱装置的结构示意图。