专利名称：一种宽谱段空间外差光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种宽谱段空间外差光谱仪。
背景技术：
一、空间外差光谱仪的基本原理的数学表达通过干涉仪入瞳的辐射经准直后变成平面波，经分束器分束分别以Littrow角 θy入射到两块光栅上。根据光栅方程σ (sin θ L+sin^ ) = mD, (1)σ为波数，θ,，为光束入射角，β为光束出射角，m为衍射级次，D为光栅的刻线 密度。则不同波数σ的光以不同衍射角β从光栅上出射，在衍射后的出射光束中会存在 某一波数σ ^的光按照原入射光路返回，即对应β ( σ J = θ y对应两块光栅的出射波面经 过分束板后是相互平行的，这个波数叫做外差波数。而其他波数σ对应的出射波面会存在 一定夹角2Υ，Y角的大小可由β角解出。这样对于一个入射波面，有两个出射波面与其 对应，这两个波面会发生干涉，满足公式I (χ) = f Β(σ) (1+cos (2 π (4 ( σ - σ 0) xtan θ L))，(2)沿着探测的χ方向就可以得到干涉图，进一步将干涉图I(X)进行傅里叶变换就可 以得到入射光的光谱B(O)。二、现有研究情况目前国内开展过空间外差光谱仪研究的为中国科学院安徽光学精密机械研究所 的叶松等人。其主要研究了采用普通闪耀光栅作为色散元件的传统的窄谱段空间外差光谱 仪，如图1。普通闪耀光栅闪耀角在20° 30°左右比较普遍；刻线密度一般在几百到一两 千gr/mm;—般用在一级衍射，即m= 1。空间外差光谱技术只在接近闪耀角θ ^的小角度 范围内成立，采用普通光栅只用一个级次，所以谱段就会很窄。国外相关研究曾提出采用中阶梯光栅的可行性，因为中阶梯光栅的闪耀角大，一 般在60° 70° ；刻线密度小，一般为几十gr/mm;使用级次高，一般为几十到上百级，即m =ηΧΙΟ 100，并且是几十个衍射级次同时使用。然而，如何同时利用很多个级次将一系 列的窄谱段合成宽谱段，特别是对光学结构的相应设计以及其后光路的处理等，仅处于理 论研究初期，尚不成熟。虽然使用普通光栅不存在级次混叠的问题，但是还是要解决复原光谱混叠的问题 (ο ^士 Δ σ的谱会混在一起)。已有研究采用两种途径第一，在入瞳前端加带通滤光片轮， 使σ > 0^和σ < σ。的光分别先后进入干涉仪，分别采集。第二，也将两块光栅分别倾 斜(这个倾斜角没有严格限制)。对于应用于星载遥感的仪器，其稳定性和可靠性是非常重 要的指标，不希望系统中存在运动部件，否则这会给稳定性和可靠性带来风险。像机械掩膜 轮这样的部件还要配驱动电机和精密控制系统，都会给仪器的体积、重量和功耗带来压力。
实用新型内容本实用新型提供一种宽谱段空间外差光谱仪，克服了现有技术中传统空间外差光 谱仪谱段很窄的缺陷。本实用新型的技术方案如下一种宽谱段空间外差光谱仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束元件、闪耀光栅组 件、条纹成像系统和探测器阵列，其中分束元件的核心部件是50 50半反半透的消偏振分 光膜，与现有窄谱段空间外差光谱仪(背景技术所述)的区别主要是闪耀光栅组件是由 分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯 光栅组成；设经过第一中阶梯光栅中心并与准直系统所在光路的光轴平行的直线为第一旋 转轴，经过第二中阶梯光栅中心并在同一平面内与所述第一旋转轴垂直的直线为第二旋转 轴，且皆规定中阶梯光栅的入射方向再逆时针旋转90度为旋转轴线的正方向，两块中阶梯 光栅的角度、位置关系满足(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射 到两块中阶梯光栅上，(2)以常规的闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，第一中阶 梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度，其中 α ^ 4sin θ L/(Dffy)，Wy为沿刻线方向光栅的尺寸，D为光栅刻线密度；所述条纹成像系统包 括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次 选择掩膜。上述级次选择掩膜最好选择可控光学快门，这样就可以完全通过电路编程控制每 个区域的透光和阻光状态，体积小、功耗低，响应速度也要比机械掩膜快，无任何运动部件。上述可控光学快门的最佳形式是存在四象限独立控制分区，能够通过同步控制两 组对角象限区域的透光或阻光状态来实现衍射级次选择功能。上述条纹成像系统最好为4f系统，所述级次选择掩膜位于该4f系统的频谱面位置处。上述分束元件可以选择分束板或分束棱镜等具体形式。上述准直系统可以选择透射式系统或反射式系统。上述干涉仪入瞳前方的望远系统可以选择透射式系统或反射式系统。本实用新型具有以下优点1、本实用新型借用已有的设备和光路结构，实现了宽谱段空间外差光谱仪，克服 了现有技术中传统空间外差光谱仪谱段很窄的缺陷。2、四象限光学快门掩膜完全通过电路编程控制每个区域的透光和阻光状态，体积 小、功耗低，响应速度也要比机械掩膜快。最重要的是不需要机械掩膜那样的驱动电机和精 密控制电路，只要保证掩膜安装精度，整个工作过程不再需要位置调整。系统也不需要像窄 谱段系统那样的带通滤光片。这样的静态宽谱段空间外差光谱仪无任何运动部件，系统同 时具备高稳定性、高光谱分辨率、宽谱段覆盖的优点，非常适合星载空间环境遥感和大气探 测的应用。

图1为现有技术窄谱段的空间外差光谱仪原理示意图；图2为本实用新型宽谱段空间外差光谱仪原理示意图(未旋转X1轴、X2轴时)；[0027]图3为掩膜面上的衍射级次示意；图4为机械掩膜的两个工作状态；图5为本实用新型实施例中的四象限光学快门的两个工作状态；其中，a图所示状 态为四象限光学快门的AC透光，BD阻光，b图所示状态为四象限光学快门的AC阻光，BD透光。附图标号说明1-干涉仪入瞳，2-准直系统，3-闪耀光栅，31-中阶梯光栅，4-分束元件，5_条纹 成像系统，6-探测器，7-级次选择掩膜。
具体实施方式
本实用新型的基本原理是望远系统收集观测目标的光谱辐射，并将其成像到干 涉仪入瞳处，经过干涉仪入瞳的目标辐射经准直系统后成为平行光束，被分束器分成透射 和反射两路，以Littrow角(Θ J分别入射到两块中阶梯光栅上，经中阶梯光栅色散后不同 波长的光束以不同的衍射角从光栅上反射回分束器上。再经分束器半反半透，在干涉仪出 口汇成出射光束。这样对于一个入射波面来说，存在两个有一定夹角的出射波面，这两个波 面之间具有相干性。条纹成像系统L1将出射光束会聚，在掩膜面上得到由两个阶梯光栅色 散产生的对应不同波长和衍射级次的干涉仪入瞳的像。掩膜透过所需的衍射级次，挡掉不 需要的级次。条纹成像系统L2再将透过掩膜的光束变成平行光束，来自两块中阶梯光栅的 光束在L2后焦面上发生干涉，干涉图被探测器阵列接收。对干涉图进行二维傅里叶变换和 数据复原处理，就得到目标辐射的光谱。本实施例选择四象限可控光学快门作为衍射级次选择掩膜，因而形成静态宽谱段 空间外差光谱仪。它由干涉仪入瞳、准直系统、分束器、中阶梯光栅、条纹成像系统、级次选 择掩膜和探测器组成。1)干涉仪入瞳位于望远系统后焦面和准直系统的前焦面上，作用是控制入射到 干涉仪能量的多少和视场角。2)准直系统将通过干涉仪入瞳的光束变成平行光束。可以是透射式系统、也可 以是反射式系统。幻分束器其核心为是50 50半反半透的消偏振分光膜，将入射平行光束等强 度分成透射和反射两束，并且每一束平行光的偏振特性都与入射平行光相同。具体结构可 以是分束板、也可以是分束棱镜。4)中阶梯光栅一种大闪耀角的反射式光栅，依靠高衍射级次实现很高的光谱分 辨能力。本系统中采用两块中阶梯光栅相对于分束器对称放置，使分束器出射的两束平行 光以Littrow角(Θ J入射到两块中阶梯光栅上，光栅刻线方向近似垂直于纸面，两块光栅 分别绕纸面内X1轴向里和绕纸面内&轴向外转动α /4角度。经过光栅色散后，不同波长 的光束以不同的衍射角β从光栅上出射。相同波长的光束被两块光栅衍射后衍射角相同， 但是沿着垂直纸面的方向会存在α的夹角。5)条纹成像系统L1 将从两块阶梯光栅上反射回的不同衍射角的平行光束会聚到 其后焦面的掩膜上。6)掩膜选择干涉所需要的衍射级次。位置处于L1的后焦面和L2的前焦面上。[0040]7)条纹成像系统L2:将通过掩膜的光束变成平行光束，并在其后焦面上形成 Fizeau形式的干涉图。8)探测器阵列位于条纹成像系统L2的后焦面上，作用是接收干涉图。其中四象限可控光学快门是一种空间光调制器件，可以通过电信号控制其透光和 阻光状态。四象限可控光学快门存在四个独立控制的分区，通过同步控制AC区和BD区的 透光和阻光状态，就可以实现衍射级次选择功能。相对机械掩膜，四象限可控光学快门没有 运动部件，体积小、重量轻。整个仪器没有运动部件、稳定性好、可靠性高，适合航天遥感应 用。该静态宽谱段空间外差光谱仪的光路结构是(1)干涉仪入射孔径位于准直系统前焦面上；( 轴上光束以45°角入射到分束 元件的分束膜上，形成透射和反射两路光。透射光束光轴与准直镜光轴重合，反射光束光轴 垂直于准直镜光轴。(3)两块中阶梯光栅的位置关系满足首先使光栅刻线垂直于透射光 束光轴与反射光束光轴确定的平面，即光栅主截面在该平面内，并满足反射和透射光束均 以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上。然后以常规的(背景技术中的)闪耀光栅组件与 分光元件的位置关系为基准，将第一中阶梯光栅绕第一旋转轴(即&轴)再旋转α /4度， 第二中阶梯光栅绕第二旋转轴(即&轴)再旋转负α /4度；(4)条纹成像系统光轴与准直 系统光轴垂直，与原(首次)反射光束的光轴重合。条纹成像系统可分为前镜组和后镜组， 前镜组的后焦面与后镜组的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次选择掩膜。面阵探测 器位于后镜组的后焦面上。空间外差光谱技术只在接近闪耀角θ L的小角度范围内成立，采用普通光栅只用 一个级次，所以谱段就会很窄。采用普通闪耀光栅作为色散元件，不会遇到衍射级次重叠的 问题，所以在公式(2)中没有出现含α角的项。而使用中阶梯光栅需解决级次重叠的问题， 所以将两块光栅分别倾斜α/4，利用很多个级次，每个级次都有一个Littrow波数0(lm，可 由由一些列的窄谱段合成宽谱段。从而干涉公式也就变成I(x) =J B ( σ ) (1+cos (2 π (4 ( σ - σ J xtan θ L+ α y σ )) (3)α的取值总的来讲有两方面考虑，第一，根据中阶梯光栅的特征参数。第二，根据 仪器设计使用的光谱范围、条纹成像系统和探测器参数。具体的讲，倾斜角α/4必须足够 大，使一系列的Littrow波数Qtlm在y方向至少分开一个干涉条纹，应满足α ^ 4sin θ L/ (Dffy)，D为光栅刻线密度，Wy为沿刻线方向光栅的尺寸。α的取值上限要根据具体的光谱 范围、探测器像尺寸和条纹成像系统参数确定，α彡l/(omaxdpix)，。max为系统应用的光谱 范围的最大波数，dpix为探测器的像元尺寸。目前，系统设计时，通常取α =M/(2omaxdpix), M为条纹成像系统的放大倍率。
权利要求1.一种宽谱段空间外差光谱仪，包括干涉仪入瞳、准直系统、分束元件、闪耀光栅组件、 条纹成像系统和探测器阵列，其中分束元件的核心部件是50 50半反半透的消偏振分光 膜。其特征在于所述闪耀光栅组件是由分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一 中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯光栅组成；设经过第一中阶梯光栅中心并与准直系 统所在光路的光轴平行的直线为第一旋转轴，经过第二中阶梯光栅中心并在同一平面内与 所述第一旋转轴垂直的直线为第二旋转轴，且皆规定中阶梯光栅的入射方向再逆时针旋转 90度为旋转轴线的正方向，两块中阶梯光栅的角度、位置关系满足(1)分束元件首次分出 的反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上，( 以常规的闪耀光栅组件 与分光元件的位置关系为基准，第一中阶梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯 光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度，其中α彡如in θ y (DWy)，Wy*沿刻线方向光栅的尺 寸，D为光栅刻线密度；所述条纹成像系统包括前镜组和后镜组，前镜组的后焦面与后镜组 的前焦面重合，该焦面重合位置设置有级次选择掩膜。
2.根据权利要求1所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述级次选择掩膜为 可控光学快门。
3.根据权利要求2所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述可控光学快门存 在四象限独立控制分区，能够通过同步控制两组对角象限区域的透光或阻光状态来实现衍 射级次选择功能。
4.根据权利要求1至3任一所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述条纹成 像系统为4f系统，所述级次选择掩膜位于该4f系统的频谱面位置处。
5.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述分束元件为分束 板或分束棱镜。
6.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述准直系统为透射 式系统或反射式系统。
7.根据权利要求4所述的宽谱段空间外差光谱仪，其特征在于所述干涉仪入瞳前方 的望远系统为透射式系统或反射式系统。
专利摘要本实用新型公开了一种宽谱段空间外差光谱仪，克服了现有技术中传统空间外差光谱仪谱段很窄的缺陷。本实用新型中的闪耀光栅组件是由分别处于分束元件首次形成的反射光路上的第一中阶梯光栅和透射光路上的第二中阶梯光栅组成；两块中阶梯光栅的角度、位置关系满足(1)分束元件首次分出的反射和透射光束均以Littrow角入射到两块中阶梯光栅上，(2)以常规的闪耀光栅组件与分光元件的位置关系为基准，第一中阶梯光栅绕第一旋转轴再旋转α/4度，第二中阶梯光栅绕第二旋转轴再旋转负α/4度。本实用新型具有高稳定性、高光谱分辨率、宽谱段覆盖的优点，非常适合星载空间环境遥感和大气探测的应用。
文档编号G01J3/02GK201897503SQ20102063106
公开日2011年7月13日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者冯玉涛, 白清兰 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所