[发明专利]长波红外空间调制干涉小型化方法

说明书

技术领域

本发明属于干涉光谱学领域，涉及一种长波红外波段的空间调制干涉小型化方法。 

背景技术

自20世纪60年代第一台傅里叶变换成像光谱仪的出现以来，至今已有40多年的历史。早期基于动镜扫描的时间调制型傅里叶变换光谱仪技术已经非常成熟，广泛应用于航天及航空遥感领域。上世纪80年代，为了克服基于动镜扫描的时间调制型傅里叶变换光谱仪中存在的缺点，人们开始对空间调制型傅里叶变换光谱仪进行研究。美国Lawrence Livermore国家实验室进行了红外波段，成像傅立叶变换（IFT）系统的研究，并做了相关的模拟试验。在美国空军的支持下，美国Florida技术研究所、Kestrel公司及Pillips实验室成功完成了用于航空遥感的可见光超光谱傅里叶变换成像光谱仪（FTVHS），FTVHS核心部件采用了带狭缝光阑的三角式干涉仪，以面阵CCD作为探测器件。进入本世纪，美国夏威夷大学采用全反射Sagnac干涉仪为核心部件研制成功了无狭缝的窗扫大孔径空间调制成像光谱仪。国际科学应用公司提出了利用改进的Mach-Zehnder干涉仪作为高光通量静态空间调制型傅里叶变换成像光谱仪的思路。日本的田名纲健雄等人提出了Michelson空间调制型干涉仪的思路，法国Tosa公司采用该方案在远红外实现了窗扫大孔径空间调制成像光谱仪初步实验。 

比较而言，Mach-Zehnder干涉仪不易装调，工程化较为困难。图1是Mach-Zehnder干涉仪光路原理图，由图可以看出，两个分光镜和两个反射镜均需要高精度的加工和安装才能保证出射光程差的精度，加工装调难度大。

Sagnac和Michelson空间调制型干涉仪同属横向剪切型干涉仪。图2是横向剪切型干涉仪原理图，横向剪切型干涉仪中的干涉组件相当于一个横向剪切器，即无穷远处光源发出的光（或者经准直后的光线）经干涉组件后，具有相同出射角度的光束被横向剪切为两部分，然后经傅里叶透镜聚焦到像面的同一点上；横向剪切的作用相当于把一个光源S分解为两个位于无穷远处的虚拟光源S1、S2，并且这两个光源之间的距离等于横向剪切器（干涉组件）的横向剪切量L。因此，产生相位差，在像面上产生干涉条纹。

Sagnac三角式干涉仪在甚长波红外窗口上存在系统尺寸大，部件昂贵、成本高，分光棱镜加工和镀膜困难等问题，目前在可见光和近红外领域应用较多。图3是Sagnac干涉仪光路原理图。Sagnac干涉装置是用两个半五角棱镜胶合来实现。可以看出，光线经过棱镜的光路较长，使得棱镜尺寸较大，由于可透长波红外波段的材料有限且吸收率较高，经过棱镜的行程越长则吸收越大，光利用率越低；分束膜镀制难度较大，需要将两块棱镜胶合或者在两者之间填充高折射率材料，增大了实现的难度。如果Sagnac干涉装置采用的是反射镜和分光镜来实现，其效果将导致光线的行程比采用两个半五角棱镜的光线行程更长，系统体积更大。

图4是常规的高通量横向剪切型Michelson静态干涉仪干涉组件光路原理图。平行光束经分光镜分光，分别经2个角锥反射镜反射，两个角锥反射镜中一个角锥反射镜顶点位置放置在光轴上，另一个角锥反射镜顶点相对光轴横向移动1/2个横向剪切量，使得两束出射光线产生一个横向剪切量的相位差，从而使得两束光线经傅里叶透镜后产生达到光谱分辨率所需要的光程差。该方法为本发明的最接近现有技术，解决了Sagnac干涉仪棱镜尺寸大、棱镜胶合与分束膜的镀制工艺难度大等问题，但是，实际设计尺寸仍然太大，分束镜需要使用较大的特殊晶体材料，对光学加工的要求较高。

发明内容

为解决常规的Michelson静态横向剪切型干涉仪的角锥反射镜和分光镜尺寸偏大的问题，本发明提供一种长波红外空间调制干涉小型化方法，以减小角锥反射镜和分光镜的尺寸，实现干涉仪的小型化。 

本发明的长波红外空间调制干涉小型化方法，其特征在于：干涉组件由一个分光镜、角锥反射镜Ⅰ、角锥反射镜Ⅱ和两个孔径光阑组成；分光镜与入射平行光成135度放置；角锥反射镜Ⅰ的顶点位置相对反射光光轴位置开始，沿反射光光轴垂直方向逆时针偏移1/4横向剪切量的位移量；角锥反射镜Ⅱ的顶点位置相对透射光光轴位置开始，沿透射光光轴垂直方向逆时针偏移1/4横向剪切量的位移量；两个孔径光阑分别设置在两个角锥反射镜的顶点位置处，并且分别垂直于反射光光轴和透射光光轴放置。