[实用新型]一种宽谱段空间外差光谱仪

说明书

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θ_L，入射到两块光栅上。根据光栅方程

σ(sinθ_L+sinβ)＝mD，(1)

σ为波数，θ_L，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σ₀的光按照原入射光路返回，即对应β(σ₀)＝θ_L，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2γ，γ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(x)＝∫B(σ)(1+cos(2π(4(σ-σ₀)xtanθ_L))，(2)

沿着探测的x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(σ)。

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；一般用在一级衍射，即m＝1。空间外差光谱技术只在接近闪耀角θ_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。

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＝n×10～100，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(σ₀±Δσ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＞σ₀和σ＜σ₀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≥4sinθ_L/(DW_y)，W_y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。