本發(fā)明涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域，尤其是涉及一種雙通道空間外差光譜儀。

背景技術(shù)：

空間外差光譜儀在較窄的光譜范圍內(nèi)，易獲取極高的光譜分辨率的特征，其發(fā)展的一體化膠合技術(shù)，尤其適用于星載空間環(huán)境中大背景下的弱光譜信號(hào)的提取。

傳統(tǒng)的空間外差光譜儀入射光經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)和準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入干涉組件，通常經(jīng)過鍍反射膜的閃耀光柵衍射后原光路返回，入射光路與出射光路所采用的分光和集光元件為同一分束器，經(jīng)兩臂光柵衍射后的光路重新在分束器內(nèi)進(jìn)行集光，其中50%的能量進(jìn)入準(zhǔn)直光路，50%的能量經(jīng)成像鏡頭比例縮放成像在焦平面上。因此，傳統(tǒng)的空間外差光譜儀單通道成像光路形式，存在雜散光嚴(yán)重和能量損失的問題。

雙通道空間外差光譜儀可以結(jié)合空間外差干涉技術(shù)本身的差頻的優(yōu)勢，將工作波數(shù)σ＞σ0和σ＜σ0內(nèi)干涉圖像通過雙通道分別的獲取，避免了發(fā)明專利zl201010563525.8（申請(qǐng)公布號(hào)cn102052968a《一種寬譜段空間外差光譜儀》）提到的利用入瞳前端增加帶通濾光片輪使σ＞σ0和σ＜σ0的光分時(shí)進(jìn)入干涉儀進(jìn)行采集使得基頻波數(shù)σ0雙邊光譜獲取存在時(shí)差的問題。專利號(hào)zl2012100401436（授權(quán)公告號(hào)cn102589701b《擴(kuò)展空間外差干涉儀的應(yīng)用帶寬的方法》）是在損失能量和信噪比的前提下，依靠在濾光片上分區(qū)實(shí)現(xiàn)σ＞σ0和σ＜σ0的光譜同時(shí)獲取，仍存在50%的能量返回至前置光路中，造成能量損失和雜散光增加等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種雙通道空間外差光譜儀，以解決已有技術(shù)中空間外差干涉型光譜儀單通道輸出存在50%的能量損失，以及可能帶來進(jìn)一步的雜散光增加的技術(shù)問題，同時(shí)可以在信噪比和光譜分辨率不變的條件下，改善空間外差光譜儀的光譜帶寬。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：包括有前置準(zhǔn)直系統(tǒng)，準(zhǔn)直系統(tǒng)的前方光路上設(shè)置有分光束元件，分光束元件的反射和透射光路上分別依次設(shè)有反射鏡組件、第一擴(kuò)視場棱鏡、透射光柵、第二擴(kuò)視場棱鏡、集光束元件、濾光片、成像組件、焦面組件，所述分光束元件和集光束元件的分光/集光面上均為50：50半反半透的消偏振分光膜；準(zhǔn)直系統(tǒng)將有限物距處的目標(biāo)光譜輻射轉(zhuǎn)化為平行光束，遠(yuǎn)心入射至分光束元件，平行光束被分光束元件分成透射和反射兩路，再分別經(jīng)兩臂的反射鏡組件將原光路進(jìn)行折轉(zhuǎn)，以一定角度入射到兩塊透射光柵上，經(jīng)透射光柵衍射后，不同波數(shù)的光以不同的衍射角從光柵面衍射至集光束元件上，再經(jīng)集光束元件半反半透進(jìn)行光路集中，在集光束元件的出射端分別存在兩個(gè)具有一定夾角的出射波面，基頻波數(shù)的光出射波面為參考波面，非基頻波數(shù)的光形成具有一定空間頻率的干涉條紋，集光束元件兩出射端的干涉條紋經(jīng)濾光片選擇有效光譜波段后，經(jīng)成像系統(tǒng)比例縮放二次成像在焦面組件的接收面上。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距和出射視場角由光譜儀光譜分辨率、透射光柵刻線密度、擴(kuò)視場棱鏡材料以及基頻波數(shù)決定。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述分光束元件將入射平行光束分成等強(qiáng)度的透射和反射光束，且分光束元件的結(jié)構(gòu)形式為分束棱鏡或分束板。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述反射鏡組件將分束面出射的平行光折反，使得出射光路不再沿光路進(jìn)入分光束元件中集合，反射鏡組件是組合的90°角反射鏡或者是與分光束元件或集光束元件的分束面角度相匹配的角反射鏡。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述透射光柵的光柵刻線方向垂直于紙面，經(jīng)光柵衍射后不同波數(shù)的光束以不同的衍射角從光柵面處出射，且兩臂光柵衍射波面偏轉(zhuǎn)方向相對(duì)參考波面的方向相反。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述焦面組件的接收面上行/列方向與光柵刻線方向垂直。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述兩濾光片可根據(jù)雙通道空間外差光譜儀需求：（1）設(shè)置為相同工作波段的濾光片，使其能量利用率倍增，從而提高信噪比；（2）設(shè)置為不同工作波段的濾光片，在保持原有能量和信噪比的條件下，增加其有效光譜帶寬。

所述的一種雙通道空間外差光譜儀，其特征在于：所述擴(kuò)視場棱鏡沿光路方向分別位于透射光柵兩側(cè)，其擴(kuò)視場棱鏡楔角方位相對(duì)透射光柵對(duì)稱，提高光能利用率的同時(shí)，擴(kuò)視場棱鏡可減小成像系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑角，降低設(shè)計(jì)和裝調(diào)難度。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比的有益效果是：

1、本發(fā)明利用傳統(tǒng)空間外差光譜儀的原理，以此為基礎(chǔ)引入反射鏡組件和透射光柵組件，可在光譜分辨率和信噪比不變的條件下，使得有效波段倍增；或在光譜分辨率和有效波段不變的條件下，能量倍增，信噪比提升為傳統(tǒng)單通道空間外差光譜儀的1.414倍；

2、本發(fā)明所采用透射衍射光柵參數(shù)、擴(kuò)視場棱鏡參數(shù)、前置準(zhǔn)直和成像系統(tǒng)等均可參考傳統(tǒng)空間外差光譜儀的技術(shù)原理；

3、所采用的雙通道空間外差光譜儀，其核心空間外差干涉儀組件均為棱鏡，可膠合為一體，無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)同時(shí)具備高光通量、高光譜分辨率、有效光譜帶寬倍增等特點(diǎn)，適用于星載空間環(huán)境光學(xué)遙感和大氣探測，尤其是溫室氣體濃度探測的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用45度反射鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明采用90度角反射鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的a-a示意圖：入射光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入反射鏡光路示意圖。

圖4為圖2的b-b示意圖：雙通道輸出成像示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)：

1-準(zhǔn)直系統(tǒng)，2-分光束元件，301和302-反射鏡組件，401和402-第一擴(kuò)視場棱鏡，501和502-透射光柵，601和602-第二擴(kuò)視場棱鏡，7-集光束元件，8-參考波面，9-濾光片，10-成像組件，11-焦面組件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參見圖1-4所示：一種雙通道空間外差光譜儀，包括有前置準(zhǔn)直系統(tǒng)1，準(zhǔn)直系統(tǒng)1的前方光路上設(shè)置有分光束元件2，分光束元件2的反射和透射光路上分別依次設(shè)有反射鏡組件301和302、第一擴(kuò)視場棱鏡401和402、透射光柵501和502、第二擴(kuò)視場棱鏡601和602、集光束元件7、參考波面8、濾光片9、成像組件10、焦面組件11，分光束元件2和集光束元件7的分光/集光面上均為50：50半反半透的消偏振分光膜；準(zhǔn)直系統(tǒng)將有限物距處的目標(biāo)光譜輻射轉(zhuǎn)化為平行光束，遠(yuǎn)心入射至分光束元件，平行光束被分光束元件分成透射和反射兩路，再分別經(jīng)兩臂的反射鏡組件將原光路進(jìn)行折轉(zhuǎn)，以一定角度θl入射到兩塊透射光柵上，經(jīng)透射光柵衍射后，不同波數(shù)σ的光以不同的衍射角從光柵面衍射至集光束元件上，再經(jīng)集光束元件半反半透進(jìn)行光路集中，在集光束元件的出射端分別存在兩個(gè)具有一定夾角的出射波面，基頻波數(shù)σ0的光出射波面為參考波面，夾角為0，非基頻波數(shù)σ的光形成具有一定空間頻率的干涉條紋，集光束元件兩出射端的干涉條紋經(jīng)濾光片選擇有效光譜波段后，經(jīng)成像系統(tǒng)比例縮放二次成像在焦面組件的接收面上。對(duì)干涉條紋進(jìn)行干涉圖相位校正、傅里葉變換以及相應(yīng)的光譜復(fù)原處理，可得到目標(biāo)輻射的光譜強(qiáng)度和分布等信息。

各部件的構(gòu)成方式是：

1）準(zhǔn)直系統(tǒng)，將一定距離處的目標(biāo)被測光譜轉(zhuǎn)化為平行光束，且遠(yuǎn)心入射至分光束元件，準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距和出射視場角由光譜儀光譜分辨率、透射光柵刻線密度、擴(kuò)視場棱鏡材料以及基頻波數(shù)σ0決定。

2）分光束元件：分束面具有50：50半反半透的消偏振分光膜，將入射平行光束分成等強(qiáng)度的透射和反射光束，且結(jié)構(gòu)形式可以為分束棱鏡或分束板。

3）反射鏡組件：將分束面出射的平行光折反，使得出射光路不再沿光路進(jìn)入分光束元件中集合，可以是組合的90°角反射鏡，也可以是與分光束元件或集光束元件的分束面角度相匹配的反射鏡。

4）第一擴(kuò)視場棱鏡：減少入射至透射閃耀光柵上的平行光視場角，以擴(kuò)展光譜儀所能接受的能量，其折射率越大，擴(kuò)視場能力越強(qiáng)。

5）透射閃耀光柵：分別位于分光束器件反射和透射光路中，光柵刻線方向垂直于紙面，經(jīng)光柵衍射后不同波數(shù)的光束以不同的衍射角從光柵面處出射，且兩臂光柵衍射波面偏轉(zhuǎn)方向相對(duì)參考波面的方向相反。

6）第二擴(kuò)視場棱鏡：減小成像系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑，使得成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)簡易。

7）集光束元件：分束面具有50：50半反半透的消偏振分光膜，將透射閃耀光柵出射的平行光束以等強(qiáng)度的透射和反射光進(jìn)行集合，且在出射端形成干涉條紋。

8）參考波面：基頻波數(shù)σ0的光出射波面為參考波面，夾角為0，非基頻波數(shù)σ的光相對(duì)參考波面有一定的夾角，并形成相應(yīng)空間頻率的干涉條紋。

9）濾光片：分別位于雙通道成像鏡組和集光束元件之間，可根據(jù)雙通道空間外差光譜儀需求：（1）設(shè)置為相同工作波段的濾光片，使其能量利用率倍增，從而提高信噪比；（2）設(shè)置為不同工作波段的濾光片，在保持原有能量和信噪比的條件下，增加其有效光譜帶寬。

10）成像系統(tǒng)：將雙通道輸出的干涉條紋進(jìn)行比例縮放后，二次成像在焦面組件的接收面上。

11）焦面組件：分別位于雙通道成像系統(tǒng)的后焦面上，且焦面組件的接收面上行/列方向與光柵刻線方向垂直。

引入反射鏡組件和透射光柵組件，可在光譜分辨率和信噪比不變的條件下，使得有效波段倍增；或在光譜分辨率和有效波段不變的條件下，能量倍增，相應(yīng)信噪比提升為傳統(tǒng)單通道空間外差光譜儀的1.414倍，且所采用透射衍射光柵參數(shù)、擴(kuò)視場棱鏡參數(shù)、前置準(zhǔn)直和成像系統(tǒng)等均可參考傳統(tǒng)空間外差光譜儀的技術(shù)原理。其核心空間外差干涉儀組件均為棱鏡，可膠合為一體，無運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)同時(shí)具備高光通量、高光譜分辨率、有效光譜帶寬倍增等特點(diǎn)，適用于星載空間環(huán)境光學(xué)遙感和大氣探測，尤其是溫室氣體濃度探測的應(yīng)用。

該雙通道空間外差光譜儀的光路結(jié)構(gòu)是：

（1）位于準(zhǔn)直系統(tǒng)1前焦面的光源出射的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后形成一定視場角的平行光束入射至分光束元件2；（2）分光束元件的分束面將入射光束分為等強(qiáng)度的透射和反射光束；（3）反射鏡組件將分光束出射的透射和反射光束進(jìn)行光路反射，使之與原光路不再重合；（4）透射光柵位置關(guān)系滿足基頻波數(shù)σ0入射的光，其衍射角為0；非基頻波數(shù)σ的光相對(duì)參考波面有一定的夾角，且兩臂參考波面角度相對(duì)參考波面相反，因而形成具有一定空間頻率的干涉條紋；（5）擴(kuò)視場棱鏡位于透射閃耀光柵兩邊，且楔角對(duì)稱布置，用于減小入射至透射閃耀光柵的視場角和成像系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑角；（6）成像系統(tǒng)將雙通道輸出的定域面干涉條紋比例縮放后，成像在焦面組件的接收面上，焦面組件的接收面位于成像系統(tǒng)的后焦面上。

雙通道空間外差光譜儀濾光片分別位于雙通道成像鏡組和集光束元件之間，可根據(jù)應(yīng)用需求：（1）設(shè)置為相同工作波段的濾光片，使其能量利用率倍增，從而提高信噪比；（2）設(shè)置為不同工作波段的濾光片，在保持原有能量和信噪比的條件下，增加其有效光譜帶寬。