專利名稱：基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像光譜儀，更具體的說，本發(fā)明涉及一種基于微光機電系統(tǒng)制造的光柵平動式光調(diào)制器面陣的成像光譜儀。
背景技術(shù)：
成像光譜技術(shù)就是一類將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合的新型多維信息獲取技術(shù)， 它能夠得到被探測目標(biāo)的空間信息和光譜信息。通常使用的成像光譜儀主要探測目標(biāo)的兩維空間與一維光譜信息，形成數(shù)據(jù)立方體。要想獲得三維的數(shù)據(jù)，必須采用掃描技術(shù)或多通道探測技術(shù)。按穿軌成像方式分類，掃描型成像光譜儀又可分為光機掃描成像和推帚式成像。光機掃描成像通過掃描鏡的機械運動使一個掃描行上各瞬時視場對應(yīng)的目標(biāo)輻射能量順序通過光學(xué)系統(tǒng)進入探測器。推帚式成像對每條掃描行一次凝視成像。對于高光譜成像， 前者的探測器采用線列器件，后者采用面陣器件。由于面陣焦平面器件加工工藝和成本的影響，推帚式高光譜成像的發(fā)展應(yīng)用受到制約。能否用一種器件對面陣器件所接收的信息的光譜維進行壓縮，使得在推帚式成像光譜儀中可以用低成本、多像素、高分辨率的線陣探測器來提高信號質(zhì)量，成為研究熱點。 常用的方法是使用空間光調(diào)制器。大致可以分為以下幾類傳統(tǒng)機械移動和旋轉(zhuǎn)型調(diào)制器； 液晶空間光調(diào)制器；MOEMS (微光機電系統(tǒng))光調(diào)制器。傳統(tǒng)機械移動和旋轉(zhuǎn)式型調(diào)制器的優(yōu)點是，接近理想的開和關(guān)的狀態(tài)，而且雜散光的水平較低。但是它需要作間歇式的連續(xù)運動，導(dǎo)致運動部件容易產(chǎn)生機械疲勞、對準誤差和不穩(wěn)定，速度相對較低。液晶空間光調(diào)制器避免了機械可動部件產(chǎn)生的不良影響，但它的開關(guān)切換速度仍然較慢，對光的調(diào)制不能做到全開和全關(guān)，而且液晶的吸收光譜限制了其在可見光和近紅外譜帶的應(yīng)用。使用新興的微光機電系統(tǒng)MOEMS技術(shù)制造的光調(diào)制器具有體積小、編程靈活、掃描速度快、便于集成等突出優(yōu)點。它克服了傳統(tǒng)機械式調(diào)制器的振動和磨損容易引入誤差的缺點，對光的調(diào)制速度、帶寬和效率又明顯優(yōu)于液晶空間光調(diào)制器，是近年來的研究熱點。如德州儀器公司生產(chǎn)的DMD就是典型代表。但是，DMD的微鏡之間的間隙使得該模版在光學(xué)調(diào)制效果上產(chǎn)生了衍射雜散光的干擾，不能夠達到理想光調(diào)制效果。能否對傳統(tǒng)推帚式成像光譜儀中面陣探測器件所接收的信息的光譜維進行壓縮， 使得可以用低成本、多像素、高分辨率的線陣探測器件來提高信號質(zhì)量，而且即沒有傳統(tǒng)機械式成像光譜儀由于振動和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過液晶式成像光譜儀，且能夠避免DMD這種轉(zhuǎn)鏡反射式MOEMS光譜儀的微鏡間隙引起的光學(xué)干擾，這成為我們發(fā)明基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀的初衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、重量輕、價格便宜的成像光譜儀，克服推帚式光譜成像儀焦平面器件成本高和無法做大面陣的缺點；以光柵平動式光調(diào)制器GMLM為其光路選通元件，避免傳統(tǒng)機械式成像光譜儀由于振動和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過液晶式成像光譜儀，且能夠避免DMD這種轉(zhuǎn)鏡反射式MOEMS成像光譜儀的微鏡間隙引起的光學(xué)干擾，實現(xiàn)高效率的光調(diào)制。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，包括接收光學(xué)系統(tǒng)、色散元件、成像鏡、 光柵平動式光調(diào)制器陣列、會聚鏡、探測器。所述色散元件設(shè)置于接收光學(xué)系統(tǒng)的出射光路；成像鏡、光柵平動式光調(diào)制器陣列依次設(shè)置于色散元件的出射光路上；會聚鏡、探測器依次設(shè)置于光柵平動式光調(diào)制器陣列的出射光路。目標(biāo)物的輻射信息通過所述接收光學(xué)系統(tǒng)按不同時間順序逐行成像在色散元件上，經(jīng)色散元件分光后再經(jīng)過成像鏡成像到可編程光柵平動式光調(diào)制器線陣上，通過對光柵平動式光調(diào)制器線陣編程逐行驅(qū)動，使不同波長的光分時順序通過，并經(jīng)過會聚鏡會聚到探測器上，最后通過數(shù)據(jù)合成得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。本成像光譜儀的接收光學(xué)系統(tǒng)通過折射或反射形式接收以推帚工作模式獲得的目標(biāo)的輻射信息，并逐行準直到色散元件上。接收光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選牛頓式、卡塞格林式或里奇一克萊琴式反射望遠鏡方式構(gòu)成，以避免色像差的影響。本發(fā)明所述的色散元件為反射式光柵、透射式光柵或棱鏡。本發(fā)明所述的成像鏡和會聚鏡為反射式或透射式鏡子。本發(fā)明使用的光柵平動式光調(diào)制器是申請人前期研究的MOEMS光柵平動式光調(diào)制器 GMLM (Grating Moving Light Modulator，專利號 ZL200510020186. 8)，將其作為光譜調(diào)制的核心器件，采用衍射原理對入射光進行相位調(diào)制。由于它是采用MOEMS技術(shù)制造的微型器件，加之光柵設(shè)計的獨特結(jié)構(gòu)和衍射原理，當(dāng)多個光柵光調(diào)制器單元構(gòu)成線陣時，既沒有傳統(tǒng)機械式光調(diào)制器由于振動和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過液晶式成像光譜儀，且在光柵衍射方向上沒有DMD那樣由于單元間隙造成的光學(xué)干擾。當(dāng)光柵平動式光調(diào)制器線陣分時選通光譜帶的不同光譜時，只要對其陣列中的每個單元像素進行獨立的電壓驅(qū)動即可。這個方案可以實現(xiàn)對目標(biāo)物的光譜維信息進行壓縮，對應(yīng)探測器為線陣探測器。這樣就降低了傳統(tǒng)推帚式成像光譜儀的探測器面陣的成本，在保證大的信噪比的同時又可以進一步使用多像素高分辨率的線陣探測器來提高成像光譜儀信號質(zhì)量。本發(fā)明的優(yōu)點是
1、光譜儀采用新型的MOEMS光柵平動式光調(diào)制器線陣，克服了傳統(tǒng)機械式光調(diào)制器由于振動和磨損引入的誤差的缺點，在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過液晶式成像光譜儀，且在光柵衍射方向上沒有DMD那樣由于單元間隙造成的光學(xué)干擾。2、新型器件的采用使得光譜儀整體體積小、重量輕。3、新型成像光譜由于采用MOEMS光柵平動式光調(diào)制器線陣，降低了探測器的維數(shù)，使得采用成本更低、性能更好的線陣探測器進一步提高成像光譜儀的光譜分辨率和信號質(zhì)量成為可能，克服推帚式光譜成像儀焦平面器件成本高和無法做大面陣的缺點。4、采用 MOEMS 光柵平動式光調(diào)制器 GMLM (Grating Moving Light Modulator，專利號ZL200510020186. 8)作為光譜調(diào)制的核心器件，它具有加工簡單，響應(yīng)速度快，成本低、 光調(diào)制效率高的優(yōu)點，用它的多個單元組成的線陣做為光譜維信息的壓縮器件，可以較好的避免上述光調(diào)制器帶來的問題。
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這種成像光譜儀可廣泛用于航天航空遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、物質(zhì)分析與分類、宇宙與天文探測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、大氣探測以及軍事目標(biāo)的搜索與跟蹤等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀結(jié)構(gòu)圖； 圖2是單像素光柵平動式光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖3是光柵平動式光調(diào)制器構(gòu)成的線陣結(jié)構(gòu)圖4是采用光柵平動式光調(diào)制器線陣實現(xiàn)光譜面信息空間調(diào)制的原理圖。圖中1.目標(biāo)物，2.接收光學(xué)系統(tǒng)，3.色散元件，4.成像鏡，5.光柵平動式光調(diào)制器線陣，6.會聚鏡，7.探測器，21.硅襯底，22.氧化物，23.絕緣層，24.負電極，25.底層反射面，26.頂層反射面、27、懸臂梁，28.偏壓施加裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明
圖1顯示了本發(fā)明的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀結(jié)構(gòu)。其中，目標(biāo)物1的輻射信息通過接收光學(xué)系統(tǒng)2按不同時間順序逐行成像在色散元件3上，經(jīng)色散元件3分光后再經(jīng)過成像鏡4成像到可編程光柵平動式光調(diào)制器線陣5上。通過對光柵平動式光調(diào)制器線陣5編程逐行驅(qū)動，使不同波長的光分時順序通過，并經(jīng)過會聚鏡6會聚到探測器7 上，最后對數(shù)據(jù)合成得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。圖2顯示了本發(fā)明的單像素的光柵平動式光調(diào)制器結(jié)構(gòu)。其中，在硅襯底21上淀積生長一層氧化物22，再淀積刻蝕絕緣層23、負電極M，鍍上底層反射面25，通過淀積犧牲層，濺射金屬，形成頂層反射面26，再在其上刻蝕所需要的光柵，該光柵即為正電極，最后釋放犧牲層就可以得到如圖2所示結(jié)構(gòu)。入射光線實際上接受到了頂層光柵和鏤空的底層光柵的雙重調(diào)制，該調(diào)制效果隨兩層光柵間距不同而變化，其原理類似于矩形槽相位光柵。而其間距可通過偏壓施加裝置觀來調(diào)節(jié)。頂面反射層沈通過四根旋轉(zhuǎn)對稱的懸臂梁27支撐，懸臂梁27共四根，通過立柱支撐于硅基底21上，并且平行于四方形調(diào)制器的四邊布置， 與頂層反射面在垂直方向上保持一定間隙，并且通過懸臂梁頂端向上的立柱與其上方的頂層反射面相連接。即達到了為頂層反射面26提供柔性支撐的效果，又使得頂層反射面沈中心的有效光柵面積足夠大。當(dāng)上下反射面沒有施加電壓時，上下反射面距離為ηλ/2( λ 為入射光波長，η為正整數(shù))，此時相位差為0，士 1的能量幾乎為0，衍射能量集中在0級，光柵光調(diào)制器相當(dāng)于一個反射鏡。當(dāng)上下反射面之間施加了一定的電壓差使得可動光柵在靜電吸引力的作用下下拉λ/4距離，上下反射面距離為Οη-1) λ/4，此時光柵光調(diào)制器相當(dāng)于一個矩形槽相位光柵，相位差為η，理想情況下約81 %衍射能量集中在士 1級，而0級能量幾乎為0。這樣在0級或士 1級放置會聚鏡6，入射光隨著光調(diào)制器的驅(qū)動電壓不同，實現(xiàn)“開”和“關(guān)”的狀態(tài)，也就是到達或者不能到達探測器7的狀態(tài)。圖3是以圖2所示結(jié)構(gòu)的單像素光柵平動式光調(diào)制器形成的線陣。由于矩形槽相位光柵的光學(xué)衍射原理，單元像素之間的間隙也通過覆蓋其上的底層反射面25和頂層反射面光柵26 —起充當(dāng)有效光學(xué)衍射區(qū)域的一部分，所以在光學(xué)衍射方向上形成完全無縫的光學(xué)調(diào)制效果，有效地避免了 DMD的反射鏡式光調(diào)制器單元像素間隙造成的光學(xué)干擾。
采用光柵平動式光調(diào)制器線陣5實現(xiàn)被色散元件分光后的光譜面的空間調(diào)制，如圖4所示，每個像素對應(yīng)一個光通道。像素狀態(tài)為“開”時，經(jīng)過該光通道的光可以通過后續(xù)光路達到探測器件；像素狀態(tài)為“關(guān)”時，經(jīng)過該光通道的光不能達到探測器件，被衍射到了其他空間位置。這樣按照被色散元件分光后的對應(yīng)光譜位置編程驅(qū)動依次打開光柵平動式光調(diào)制器線陣5中的像素，使得光譜信息中的各波長成分分時到達探測器6，則用光柵平動式光調(diào)制器線陣5可以實現(xiàn)光譜維信息的壓縮，達到降低探測器維數(shù)的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，其特征在于它由接收光學(xué)系統(tǒng)(1)、 色散元件(2)、成像鏡(3)、光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)、會聚鏡(5)、探測器(6)組成；所述色散元件(2)設(shè)置于接收光學(xué)系統(tǒng)(1)的出射光路上；成像鏡(3)、光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)依次設(shè)置于色散元件(2)的出射光路上；會聚鏡(5)、探測器(6)依次設(shè)置于光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)的出射光路上；目標(biāo)物的輻射信息通過所述接收光學(xué)系統(tǒng)(1)按不同時間順序逐行成像在色散元件(2 )上，經(jīng)色散元件(2 )分光后再經(jīng)過成像鏡(3 )成像到可編程光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)上，通過對光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)編程驅(qū)動，使不同波長的光順序通過，并經(jīng)過會聚鏡(5)會聚到探測器(6)上，最后通過數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，其特征在于光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)為線陣，光柵平動式光調(diào)制器陣列(4)的每個像素單元對應(yīng)一個光通道，像素狀態(tài)為“開”時，經(jīng)過該光通道的光可以通過后續(xù)光路達到探測器件；像素狀態(tài)為“關(guān)”時，經(jīng)過該光通道的光不能達到探測器件，被衍射到其他空間位置，按照被色散元件(2 )分光后的對應(yīng)光譜位置進行編程逐個加電壓驅(qū)動依次打開光柵平動式光調(diào)制器陣列 (4)中的像素，使得光譜信息中的各波長成分分時到達探測器(6)，實現(xiàn)對目標(biāo)物的光譜維信息進行分時選通，對應(yīng)探測器(6)為線陣探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，其特征在于 所述接收光學(xué)系統(tǒng)(1)優(yōu)選牛頓式、卡塞格林式或里奇一克萊琴式反射望遠鏡方式構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，其特征在于 所述色散元件(2)為反射式光柵、透射式光柵或棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，其特征在于 所述成像鏡( 和會聚鏡( 為反射式或透射式鏡子。
全文摘要
一種基于光柵平動式光調(diào)制器的成像光譜儀，可使用線陣探測器。包括接收光學(xué)系統(tǒng)、色散元件、成像鏡、光柵平動式光調(diào)制器陣列、會聚鏡、探測器；目標(biāo)物的輻射信息通過所述接收光學(xué)系統(tǒng)按不同時間順序逐行成像在色散元件上，經(jīng)色散元件分光后再經(jīng)過成像鏡成像到可編程光柵平動式光調(diào)制器線陣上，通過對光柵平動式光調(diào)制器線陣編程逐行驅(qū)動，使不同波長的光分時順序通過，并經(jīng)過會聚鏡會聚到探測器上，最后通過數(shù)據(jù)合成得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。該光譜儀具有體積小、重量輕、價格便宜、速度快、分辨率高的優(yōu)點，可廣泛用于航天航空遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、物質(zhì)分析與分類、宇宙與天文探測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、大氣探測以及軍事目標(biāo)的搜索與跟蹤等領(lǐng)域。
文檔編號G02B26/08GK102175322SQ201110033800
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者張晨旸, 張智海, 王偉, 莫祥霞, 郭媛君, 黃慶探 申請人:重慶大學(xué)