專利名稱：空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學電子測量領域，具體是一種空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀。
背景技術：
傳統(tǒng)的高分辨率光譜儀主要有兩大類光柵式和干涉式。
光柵光譜儀技術的色散原理屬于空間分離光譜，即利用光柵等色散器件將光譜按波長的順序在空間進行規(guī)律性的排列，在不同的空間位置獲得不同波長的光譜信息。然而隨著科學技術的發(fā)展，對光譜分辨率技術和光譜儀器提出了更高的要求。傳統(tǒng)的具有入射(出射)狹縫、色散系統(tǒng)的經典色散型光譜儀已不能完全適應更高分辨率、快速、遙測、更高靈敏度及極檢測信噪比的要求。
由于有機化學、無機化學、固體物理、宇宙航行、氣象和大氣污染研究的需要，基于干涉調制分光原理的傅里葉分光光度計有了很大發(fā)展。這種儀器具有較高的分辨率，并且能對弱信號和微量樣品進行測定，因此這種儀器的發(fā)展為分光光度法開辟新的領域。傅里葉變換光譜儀采用雙光束干涉原理，使相干光束間的相位連續(xù)變換，同步地記錄中央條紋的光強變換曲線——干涉圖，然后對其進行傅里葉變換而獲得光譜圖。與光柵式光譜儀器不同，傅里葉變換光譜儀不是使不同波長的光譜組元在空間分解開來、在不同的空間位置獲得不同波長的光譜信息，而是利用頻率調制方法，使不同波長的光受到不同頻率調制，通過傅里葉積分變換進行解調而獲取不同波長的光譜信息。與光柵式光譜儀相比，干涉式光譜儀有很多優(yōu)點。首先，由于它能收集更多的光，所以靈敏度高于相同尺寸和相同光譜分辨率的光柵式光譜儀；其次，作為高分辨率光譜儀，干涉式不需要用一個長焦距的器件將一條狹縫成像在典型尺寸的探測器像元上。因此，一個體積較小、重量較輕的干涉儀的性能可以等于甚至優(yōu)于實際應用中的光柵式光譜儀。干涉式光譜儀的主要問題是由于光程差非線性和系統(tǒng)準直的影響，進一步提高光譜分辨率有很大的技術障礙。因此，尋求新的高光譜探測手段是一個不僅具有科學意義，同時也極具應用背景。
暫且稱以被動遙感方式獲取光譜分辨率優(yōu)于0.1nm的光輻射信息為超分辨光譜信息。超分辨光譜遙感是指利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲取有關數(shù)據(jù)，通過物質超分辨光譜特征可以進行地物的遙感識別。當我們將光譜的分辨率提高到一定尺度的時候，物體表現(xiàn)出來的光譜信息發(fā)生了一定的變化，或者說此時我們更準確的獲取了物質的光譜信息，這樣提高了目標的認識能力。事實證明當光譜分辨率提高的時候，遙感信息更能準確的反映物質特性，那么超分辨光譜遙感必然是未來遙感發(fā)展的重要趨勢。
地球大氣中含有很多微量成分，如臭氧、水汽及碳、硫、氮等的化合物，它們的含量雖少，和人類的關系卻很密切。這些微量氣體有的能影響大氣的輻射平衡，有的能產生酸雨改變土壤的化學過程，有的氣體對人和動、植物有害。隨著人類空間活動的增加和工業(yè)生產的大量污染物進入大氣，為了保護人類賴以生存的環(huán)境，對這些微量氣體成分濃度的變化和分布以及其發(fā)生在大氣中的化學反應的研究已日益被重視。因此，進行全球大氣微量成分的濃度探測能夠提高氣象的預報能力，有助于解釋和預測全球氣候變遷，同時可以提高大氣環(huán)境監(jiān)測水平，為大氣的環(huán)境保護提供必要的指導。基礎研究表明，精確反演大氣微量氣體成分需要超高分辨率大氣光譜觀測。例如在大氣OH自由基的探測過程中，不同的光譜分辨率下，大氣的光譜曲線有著很大的差別。在308nm波段，當光譜分辨率為0.1nm時難以區(qū)分大氣散射背景信號與OH自由基光譜輻射信號，然而當光譜分辨率達到0.024nm時可以獲取OH自由基的光譜輻射信號。因此，要在復雜背景下獲取微量氣體的特征光譜輻射信息，需要提高探測系統(tǒng)的分辨能力，獲取精細光譜信息。
傳統(tǒng)的光譜測量方法很難達到超高分辨率探測，而空間外差光譜技術是一種新型可實現(xiàn)超光譜分辨的光譜分析技術。通過空間外差光譜技術可探測到大氣中H2O、O3、CH4、CO2、NO及OH自由基等各種物質的高分辨光譜。
發(fā)明內容
本發(fā)明為空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀，利用空間外差光譜技術獲取超高分辨光譜。
本發(fā)明的技術方案如下
空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀，其特征在于其光路結構為目標光源經過光闌入射到分束器，分束器的上方和后方分別固定有光柵，光柵與光軸正交面成Littrow角θ(光柵的第一閃耀角)傾斜放置，Littrow波長的兩束光經光柵衍射后的波面與光軸垂直，兩波面同位相，位相差為零，不產生干涉條紋，非Littrow波長的光經光柵衍射返回，傳播方向與光軸有一小的夾角±γ，某一單色的非Littrow波長的兩波面將有一夾角2γ，中心的光程差為零，兩端的光程差最大；分束器下方放置成像物鏡和探測器，干涉條紋經成像物鏡成像于線陣或面陣探測器上。
目標光源的干涉調制方式為空間外差式。
空間外差光譜儀試驗裝置在邁克爾遜干涉儀的基礎上進行了改進，采用兩個衍射光柵代替了邁克爾遜干涉儀中兩個平面反射鏡，經過色散的兩束反射光在空間上相干產生等厚干涉，干涉條紋為空間頻率的函數(shù)。由線陣(或面陣)探測器記錄不同位置的干涉條紋函數(shù)，然后通過一定的算法即可計算出待測光譜曲線。
本發(fā)明可以通過調整系統(tǒng)中某些關鍵光學器件的參數(shù)可以改變系統(tǒng)光譜范圍與光譜分辨率等性能參數(shù)，以滿足實際應用的需要，適用于紫外——紅外波段。
本發(fā)明綜合了光柵及無動鏡剪切干涉儀技術于一體，可以在特定的光譜范圍內獲取超高分辨光譜，同時具有了干涉儀的高通量和光柵空間衍射特點。此外，空間外差光譜儀集成度高、體積小、重量小、功耗小等特點，符合航天、航空應用的需要。能滿足超分辨光譜遙感的要求，主要面向大氣微量氣體的遙感應用。
圖1為空間外差光譜儀試驗裝置光路結構圖。
圖2為空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀光路結構圖。
圖3為Na燈雙線光源的空間外差干涉光譜實驗結果。
圖4為Hg燈雙線光源的空間外差干涉光譜實驗結果。
具體實施例方式
參見圖1、圖2。
通過實驗室搭臺的方式建立空間外差光譜儀試驗裝置，系統(tǒng)結構如圖1所示，由激光器、激光擴束器、濾光片、準直光路、干涉儀、計算機等部分組成。目標光源通過準直光路系統(tǒng)調制為平行光源，由干涉儀對光波進行空間干涉調制并形成一定空間頻率的干涉條紋，干涉條紋的空間頻率為波長的函數(shù)。干涉條紋通過成像物鏡成像于線陣(或面陣)探測器中，并被探測器記錄下來保存于計算機中，通過特定的算法可以恢復光譜曲線。
空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀的基本光路如圖2所示，由光闌1、準直鏡2、分束器4、衍射光柵3、衍射光柵5，以及成像物鏡6、7，線陣(或面陣)探測器8等部分構成。干涉儀中光柵位置固定不動，與光軸正交面成Littrow角θ(光柵的第一閃耀角)傾斜放置。軸向光以光柵的Littrow角θ入射到光柵上，Littrow波長的兩束光經光柵衍射后的波面與光軸垂直，兩波面同位相，位相差為零，不產生干涉條紋。非Littrow波長的光經光柵衍射返回，傳播方向與光軸有一小的夾角±γ。某一單色的非Littrow波長的兩波面將有一夾角2γ，中心的光程差為零，兩端的光程差最大。兩束光將發(fā)生干涉，形成等厚干涉條紋。干涉條紋經成像物鏡成像于線陣(或面陣)探測器上。通過記錄不同位置處的干涉條紋函數(shù)，并通過一定的算法即可計算出待測的光譜曲線。
以上述裝置進行特征光譜的空間外差光譜實驗，以驗證本發(fā)明的科學性。試驗裝置的工作波段選擇可見波段，在574nm～591nm(帶寬17nm)光譜范圍內獲取高達0.033nm的光譜分辨率，光譜分辨能力約為17700。分別以Na雙線(589.0nm，589.6nm)發(fā)射光譜以及Hg雙線(577nm，579nm)發(fā)射光譜進行實驗驗證。圖3為Na燈雙線光源的空間外差干涉光譜實驗結果，左圖為實驗獲取的Na燈光譜二維干涉圖，右圖為最終獲取的傅里葉變換光譜結果。光譜曲線中橫坐標為對應的細分光譜點數(shù)，0坐標對應于591nm，縱坐標為光譜相對強度。在Na光譜中的兩個峰值(589.6nm、589.0nm)清晰可辨，在橫坐標上對應的位置分別為66、84。通過計算獲得系統(tǒng)的光譜分辨率達到0.033nm，光譜分辨能力約為17700，光譜范圍為17nm。
圖4為Hg燈雙線光源的空間外差干涉光譜實驗結果，在光譜中的兩個峰值分別對應于Hg光譜的579nm、577nm，在橫坐標上的位置分別為361、421，計算結果系統(tǒng)光譜分辨率也為0.033nm，光譜分辨能力為17700，光譜范圍為17nm，與Na光譜實驗結果一致。
本裝置的光譜范圍為574nm～591nm(帶寬17nm)，光譜分辨率為0.033nm，分辨能力約為17700。探測器采用1024×1024面陣CCD探測器，像元大小為12μm×12μm，量化精度12bit；光柵Littrow波長為591nm，Littrow角為10.21°，光柵的刻線密度為600L/mm，光柵的有效口徑為22mm×22mm；分束器采用對稱型立方體型分束器，尺寸大小為25.4mm×25.4mm×25.4mm。
權利要求
1.空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀，其特征在于其光路結構為目標光源經過光闌入射到分束器，分束器的上方和后方分別固定有光柵，光柵與光軸正交面成Littrow角θ(光柵的第一閃耀角)傾斜放置，Littrow波長的兩束光經光柵衍射后的波面與光軸垂直，兩波面同位相，位相差為零，不產生干涉條紋，非Littrow波長的光經光柵衍射返回，傳播方向與光軸有一小的夾角±γ，某一單色的非Littrow波長的兩波面將有一夾角2γ，中心的光程差為零，兩端的光程差最大；分束器下方放置成像物鏡和探測器，干涉條紋經成像物鏡成像于線陣或面陣探測器上。
2.根據(jù)權利要求1所述的空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀，其特征在于目標光源的干涉調制方式為空間外差式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間外差光譜儀試驗裝置干涉儀，干涉儀是在邁克爾遜干涉儀的基礎上進行了改進，采用兩個衍射光柵代替了邁克爾遜干涉儀中兩個平面反射鏡。目標光源通過準直光路系統(tǒng)調制為平行光源，由干涉儀對光波進行空間干涉調制并形成一定空間頻率的干涉條紋，干涉條紋的空間頻率為波長的函數(shù)。干涉條紋通過成像物鏡成像于線陣(或面陣)探測器中，并被探測器記錄下來保存于計算機中，通過特定的算法可以恢復光譜曲線。
文檔編號G01J3/12GK1869658SQ200610085990
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權日2006年6月13日
發(fā)明者葉松, 洪津, 汪元均, 喬延利, 方黎, 方勇華, 楊偉鋒, 荀毓龍, 王樂意 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所