基于輕型分束器的紅外成像光譜儀及制作方法
【專利摘要】基于輕型分束器的紅外成像光譜儀及制作方法，涉及對(duì)地觀測(cè)成像光譜儀領(lǐng)域，為解決現(xiàn)有成像光譜儀內(nèi)部的干涉分光系統(tǒng)體積較大，不便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化，且內(nèi)部含有與空間分辨率有關(guān)的狹縫，限制了進(jìn)入系統(tǒng)的光通量的問(wèn)題，柵格型分束器系統(tǒng)引入代替了系統(tǒng)中存在分束器和補(bǔ)償板，具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輕量化的同時(shí)，為整體光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，本發(fā)明所述的系統(tǒng)不含有狹縫，與空間調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀相比大大提高了系統(tǒng)的光通量，統(tǒng)去除了空間調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀中的狹縫，在實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的同時(shí)有效的提高了系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，大大提高系統(tǒng)的可靠性。
【專利說(shuō)明】基于輕型分束器的紅外成像光譜儀及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)地觀測(cè)成像光譜儀制作領(lǐng)域，涉及一種時(shí)空聯(lián)合調(diào)制的成像光譜儀制作方法，具體涉及一種基于柵格型分束器的時(shí)空聯(lián)合調(diào)制紅外傅里葉變換成像光譜儀系統(tǒng)制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀是進(jìn)行地面遙感探測(cè)的重要工具，它融合了多光譜成像儀和光譜儀的特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體進(jìn)行“圖譜合一”的探測(cè)。因此其廣泛的應(yīng)用在空間遙感，軍事目標(biāo)探測(cè)，地質(zhì)資源勘探，環(huán)境監(jiān)測(cè)，氣象分析等領(lǐng)域。按照其工作原理的不同其主要分為色散型和傅里葉變換型兩類。色散型成像光譜儀可以直接獲得物體的光譜信息，它主要是以棱鏡或光柵作為分光元件，在探測(cè)器上接受每個(gè)光譜元的輻射信息。其發(fā)展比較早，技術(shù)也比較成熟，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但是光譜分辨率受狹縫的控制，因此其在探測(cè)紅外弱輻射方面比較困難。傅里葉變換成像光譜儀是先獲得物體的干涉圖然后對(duì)干涉圖做傅里葉變換變換獲得物體的光譜。按照對(duì)干涉圖的調(diào)制方式的不同，傅里葉變換成像光譜儀可分為時(shí)間調(diào)制型、空間調(diào)制型和時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型。時(shí)間調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀是基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，其采用驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)鏡來(lái)產(chǎn)生光程差，因此需要一套精密的驅(qū)動(dòng)裝置。而且完成一幅干涉圖的測(cè)量需要一個(gè)周期的時(shí)間，其實(shí)時(shí)性比較差，并且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)迅變物體的測(cè)量?？臻g調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀其內(nèi)部不含可動(dòng)部件，其利用空間位置的不同產(chǎn)生光程差可以實(shí)現(xiàn)對(duì)迅變物體的光譜測(cè)量，其實(shí)時(shí)性比較好。但是傳統(tǒng)的空間調(diào)制型的傅里葉變換成像光譜儀存在著分束器件體積較大，不能實(shí)現(xiàn)成像光譜儀輕量化的要求。時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀是基于像面干涉成像原理，獲得是經(jīng)干涉圖調(diào)制后的目標(biāo)物體的全景圖像，其不含有狹縫和可動(dòng)部件，因此具有光通量大和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有光譜儀器中存在分束器件體積較大，時(shí)實(shí)性差等問(wèn)題，提供一種基于輕型分束器的紅外成像光譜儀及制作方法，
[0004]基于輕型分束器的紅外成像光譜儀，包括前置成像系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、后置成像縮束系統(tǒng)和紅外CCD，所述干涉系統(tǒng)包括柵格型分束器、多級(jí)階梯微反射鏡和平面反射鏡；目標(biāo)光束經(jīng)前置光學(xué)成像系統(tǒng)入射至柵格型分束器分成兩束光，一束光經(jīng)柵格型分束器反射至平面反射鏡上成像為第一像點(diǎn)，另一束光經(jīng)柵格型分束器透射至多級(jí)階梯微反射鏡某個(gè)階梯面成像為第二像點(diǎn)；
[0005]所述第一像點(diǎn)和第二像點(diǎn)發(fā)出的光分別經(jīng)柵格型分束器透射和反射后入射至后置成像縮束系統(tǒng)成像，所述紅外CCD接收成像信息；
[0006]所述設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的階梯高度為d，在第η個(gè)階梯反射面所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角范圍內(nèi)，目標(biāo)物體在第η個(gè)階梯微反射面所成的像與目標(biāo)物體在第η個(gè)階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差為:S = 2nd ;
[0007]設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)的焦距為f’，則相鄰像點(diǎn)間的距離為a，獲得相鄰目標(biāo)物體點(diǎn)間的距離為:Ah =Ha/f’ ；
[0008]設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的對(duì)角線長(zhǎng)度為h，前置成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角為:
【權(quán)利要求】
1.基于輕型分束器的紅外成像光譜儀，包括前置成像系統(tǒng)(I)、干涉系統(tǒng)(2)、后置成像縮束系統(tǒng)(3)和紅外CXD (4)，其特征是，所述干涉系統(tǒng)(2)包括柵格型分束器5、多級(jí)階梯微反射鏡(7)和平面反射鏡6 ；目標(biāo)光束經(jīng)前置光學(xué)成像系統(tǒng)(I)入射至柵格型分束器(6)分成兩束光，一束光經(jīng)柵格型分束器5反射至平面反射鏡6上成像為第一像點(diǎn)，另一束光經(jīng)柵格型分束器5透射至多級(jí)階梯微反射鏡(7)某個(gè)階梯面成像為第二像點(diǎn)； 所述第一像點(diǎn)和第二像點(diǎn)發(fā)出的光分別經(jīng)柵格型分束器5透射和反射后入射至后置成像縮束系統(tǒng)(3)成像，所述紅外CCD (4)接收成像信息； 所述設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的階梯高度為山在第η個(gè)階梯反射面所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角范圍內(nèi)，目標(biāo)物體在第η個(gè)階梯微反射面所成的像與目標(biāo)物體在第η個(gè)階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差為:S = 2nd； 設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)(I)的焦距為f’，則相鄰像點(diǎn)間的距離為a，獲得相鄰目標(biāo)物體點(diǎn)間的距離為:Ah =Ha/f’ ； 設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡(7)的對(duì)角線長(zhǎng)度為h，前置成像系統(tǒng)(I)的視場(chǎng)角為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀，其特征在于，所述柵格型分束器(6)采用MOEMS技術(shù)，柵格分束器是將分光基膜(6-2)支撐在具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的柵格支撐體(6-3)上,然后將分光膜(6-1)鍍?cè)诜止饣?6-2)上；所述柵格型分束器(6)米用柵格結(jié)構(gòu)對(duì)分光膜系進(jìn)行支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀，其特征在于，所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)采用在基底上進(jìn)行多次光刻鍍膜的方法制作，并且在所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)的表面鍍紅外高反膜；所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)的單個(gè)階梯高度范圍在lnm-50ym之間，所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)的階梯高度誤差小于階梯高度的5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、制作成像光譜儀的基底，選取鋁、銅、鈦、不銹鋼或硅作為基底材料，并對(duì)基底的表面進(jìn)行拋光處理；拋光面粗糙度小于等于10微米，平面度小于等于50微米； 步驟二、在拋光后的基底上用精密機(jī)械加工方法或基于MOEMS技術(shù)的光刻與腐蝕方法制作相互垂直的參考線作為第一光軸和第二光軸參考基準(zhǔn)線。根據(jù)分析計(jì)算，在基底上制作光學(xué)元件的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 具體過(guò)程為: 在基底上制作第一光軸參考基準(zhǔn)線(12)和第二光軸參考基準(zhǔn)線(13)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在第一光軸參考基準(zhǔn)線(12)與第二光軸參考基準(zhǔn)線(13)的垂直中心安裝柵格型分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)，在第二光軸參考基準(zhǔn)線(13)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)左側(cè)安裝多級(jí)階梯微反射鏡的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(16)，在第二光軸參考基準(zhǔn)線(13)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)右側(cè)依次安裝后置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(18)和紅外CCD的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(19)，在第一光軸參考基準(zhǔn)線(12)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)的上側(cè)安裝前置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)，在第一光軸參考基準(zhǔn)線(12)上且位于分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)的下側(cè)安裝平面反射鏡的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(17)； 步驟三、在所述的第一光軸參考基準(zhǔn)線(12)和第二光軸參考基準(zhǔn)線(13)的兩端分別安放四個(gè)激光器，調(diào)整第一激光器(8)和第二激光器(9)發(fā)出的光重合并位于第一光軸參考線(12)的正上方與第一光軸參考線(12)平行，調(diào)整第三激光器(8)和第四激光器(9)發(fā)出的光重合并位于第二光軸參考線(13)的正上方與第二光軸參考線(13)平行； 步驟四、將柵格型分束器(6)放在分束器的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(15)上，所述柵格型分束器(6)的擺放方式與第一光軸參考線(12)成45° ;然后在第四激光器(11)的前面固定光闌(20)，采用第二激光器(9)和光闌(20)對(duì)柵格型分束器進(jìn)行的角度和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)诙す馄?9)出射的光經(jīng)柵格型分束器(6)反射的后經(jīng)過(guò)光闌(20)的小孔中心，入射到第四激光器(11)的孔中，固定柵格型分束器(6)； 步驟五、將多級(jí)階梯微反射鏡(7)安裝到多級(jí)階梯微反射鏡的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(16)上，將光闌(20)移到第一激光器(8)的前面，采用第一激光器(8)及其前面的光闌(20)對(duì)多級(jí)階梯微反射鏡(7)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)多級(jí)階梯微反射鏡(7)反射的光經(jīng)由柵格型分束器(6)通過(guò)光闌(20)的小孔的時(shí)候，固定多級(jí)階梯微反射鏡(7);然后，將平面反射鏡(5)安裝到平面反射鏡的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(17)上，將光闌(20)移動(dòng)到第四激光器(11)的前面，采用第四激光器(11)以及其前面的光闌(20)對(duì)平面反射鏡(5)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)平面反射鏡(5)反射的光通過(guò)光闌(20)的小孔中心時(shí)，固定平面反射鏡(5)； 步驟六、將前置成像系統(tǒng)(1)安裝到前置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(14)上，將光闌(20)移動(dòng)至第一激光器(8)的前面，第一激光器(8)及光闌(20)對(duì)前置成像系統(tǒng)(I)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)前置成像系統(tǒng)反射的光通過(guò)光闌(20的小孔中心時(shí)，固定前置成像系統(tǒng)(I);將后置成像縮束系統(tǒng)(3)安裝到后置成像系統(tǒng)的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(18)上，將光闌(20)移動(dòng)到第四激光器(11)的前面，采用第四激光器(11以及光闌(20)對(duì)后置成像縮束系統(tǒng)(3)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)后置成像縮束系統(tǒng)(3)反射的光通過(guò)光闌(20)小孔中心時(shí)，固定后置成像縮束系統(tǒng)(3); 步驟七、將四個(gè)激光器和光闌(20)去除，將紅外CXD (4)安裝到紅外CXD的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(19)上，調(diào)節(jié)紅外CXD (4)的位置，當(dāng)在紅外CXD上清晰的獲得多級(jí)階梯微反射鏡(7)和平面反射鏡(5)的像時(shí)固定紅外CXD (4);設(shè)定一個(gè)靶面目標(biāo)(21)，微調(diào)前置成像系統(tǒng)(1)，使靶面目標(biāo)清晰的成像在CCD (4)上；將成像光譜儀固定到轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，使成像光譜儀對(duì)設(shè)定好的靶面目標(biāo)(21)進(jìn)行掃描采樣，并對(duì)獲得的多幀圖像進(jìn)行處理，獲得物體的圖像和光譜圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述柵格型分束器(6)采用紅外材料ZnSe或者KBr制作，并且在分束面上鍍有紅外半反半透膜；平面反射鏡(5)采用硅片制作，并且在表面鍍紅外高反膜；所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)采用多次光刻鍍膜的方法制作，并且在表面鍍紅外高反膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述柵格型分束器(6)米用MOEMS技術(shù),將分光基膜(6-2)支撐在一個(gè)具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的柵格支撐體(6-3)上,然后將分光膜(6-1)鍍?cè)诜止饣?6-2)上；該紅外分束器利用柵格結(jié)構(gòu)對(duì)分光膜系進(jìn)行支撐。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述前置成像系統(tǒng)(I)和后置成像縮束系統(tǒng)(3)為透射式球面結(jié)構(gòu)，材料為硅和鍺，所述前置成像系統(tǒng)(1)和后置成像縮束系統(tǒng)(2)中的光學(xué)元件表面均鍍紅外增透膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述的多級(jí)階梯微反射鏡(7)的單個(gè)階梯高度范圍在lnm-50ym之間，所述多級(jí)階梯微反射鏡(7)的階梯高度誤差小于階梯高度的5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的階梯高度為山在第η個(gè)階梯反射面所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角范圍內(nèi)，目標(biāo)物體在第n個(gè)階梯微反射面所成的像與目標(biāo)物體在第η個(gè)階梯反射面的鏡像位置所成的虛像之間的光程差為= 2nd ; 設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡的反射面寬度為a，紅外成像光譜儀的飛行高度為H，前置成像系統(tǒng)(1)的焦距為f’，則相鄰像點(diǎn)間的距離為a，獲得相鄰目標(biāo)物體點(diǎn)間的距離為:Ah =Ha/f’ ； 設(shè)定多級(jí)階梯微反射鏡(7)的對(duì)角線長(zhǎng)度為h，前置成像系統(tǒng)(I)的視場(chǎng)角為:
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于輕型分束器的紅外成像光譜儀的制作方法，其特征在于，所述的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)釆用六維的微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并對(duì)微型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)表面和內(nèi)壁進(jìn)行涂黑處理；該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在XYZ三個(gè)方向平移及俯仰旋轉(zhuǎn)橫滾分量的微調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103913227SQ201410086274
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】梁中翥, 王維彪, 梁靜秋, 呂金光, 秦余欣, 田超, 王文叢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所