[发明专利]一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种干涉成像光谱仪，特别一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术是20世纪80年代发展起来的一种能够同时获取目标图像及图像上每一点光谱信息的先进光学探测技术，其获取的数据被称为“数据立方体”［Sellar R G，Boreman G D2005Opt.Eng.44013602.］。实现这一功能的仪器即为成像光谱仪。按照光谱获取原理的不同，成像光谱仪一般可分为色散型、干涉型（傅立叶变换型）、滤光片型、计算层析型四种。其中采用最多的是色散型和干涉型。色散型采用棱镜或光栅作为色散元件获取目标光谱，具有技术成熟、性能稳定等优点，但结构相对复杂，实现高空间分辨率及光谱分辨率均需小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比[Sellar R G，Boreman G D2005Appl.Opt.441614.]，不利于弱光目标的探测。干涉型利用双光束干涉的傅立叶变换光谱特性实现光谱数据的获取，具有光通量大、波长精度高、光谱探测范围宽等优点。早期结构多为迈克尔逊型，在相同光谱分辨率下，光通量约为光栅型的190倍[Bell R J1972Introductory Fourier Transform Spectroscopy(New York:Academic Press).]。但其工作时，需精密、稳定的动镜扫描，因此无法对目标光谱信息进行实时探测，应用环境和条件也受到极大限制。为解决这一问题，发展了静态干涉成像光谱仪，成为了干涉型成像光谱仪的主流[Barducci A,Guzzi D,Lastri C,Marcoionni P，Nardino V， Pippi I2010Opt.Express1811622.]、[Li J,Zhu JP，Wu HY2010Opt.Lett.353784.][LiJ,ZhuJP，Hou X.2011Opt.Commun.2841127.]。

静态干涉成像光谱仪按照其光路结构及分束器的不同又分为反射型（如Sagnac干涉成像光谱仪）和双折射型。前者主要采用半透半反分束器、平面反射镜实现入射光的双光束干涉。后者采用双折射晶体分束器将入射光分为振动方向相互垂直的两束线偏振光，再通过检偏器使两束光具有相同的振动方向并发生干涉。目前已经发展出以Wollaston棱镜[Smith WH,Hammer PD1996Appl.Opt.,352902.]、[Fox DJ,Velde HT,Preza C,O’Sullivan JA,Smith WH,Woolsey TA2006Appl.Opt.453009.]和Savart偏光镜[Li J,ZhuJP，Hou X.2011Opt.Commun.2841127.]分束器为核心的双折射干涉成像光谱仪。在地球资源普查、灾害预警与监测、环境污染监控、天气预报、深空探索等领域发挥了重大作用。

遗憾的是，上述两种静态成像光谱仪系统一旦确定，其光谱分辨率、光谱范围等参数便不能改变。为了满足不同任务的需求，必须具备高的光谱分辨率和宽的光谱范围［Chen B,Wang MR,Liu ZQ,Yang JJ2007Opt.Lett.321518.］，这将导致仪器信噪比下降，光谱图像数据量激增。而信噪比的下降会影响图像获取质量，数据量的增加会占用较多的存储空间和较宽的通信信道，也延长了数据采集和处理时间，这些问题在航空航天遥感上表现得尤为突出。

以我国嫦娥一号所载Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪为例，由于受到星上存储空间及通信带宽的限制，其光谱分辨率为325.25cm^-1，对应的光谱通道数为32，且为了平衡任务所需光谱分辨率与数据量间的矛盾，CCD采集到的干涉条纹数据只能传输一半，能量利用率也因此减少了50%[Xue B2006Ph.D.Dissertation(Xi’an:Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)、薛彬2006博士学位论文（西安：中国科学院西安光学精密机械研究所）］。已成为限制成像光谱遥感仪器发展的主要瓶颈。

2007年，曾有人提出过旋转Savart偏光镜调节横向剪切量实现光谱仪分辨率调节的方法，但该方法调节范围很窄，且旋转后会减小棱镜通光孔径[简小华,张淳民,孙尧,吴磊.2007光学学报，27643.]，不利于实际应用。

发明内容