[发明专利]高通量、高探测灵敏度微型偏振干涉成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于光学图像处理仪器技术领域，涉及一种可用于同时获取目标二维形影图像、一维光谱和偏振信息的遥感干涉成像光谱仪。

背景技术

普通概念中的成像仪、光谱仪和偏振仪分属于三类不同的光学仪器。利用成像仪器可以获得目标的形影图像，即目标的二维空间信息；利用光谱仪器可以获得目标的光谱从而得出物质的结构及化学组成；利用偏振仪则可以获得目标的偏振信息进而获得物体的属性。在历史上，这三类仪器是独立发展起来的。20世纪80年代后期，国际上出现了干涉成像光谱仪，它是当今成像仪和光谱仪的有机结合。由于它具有成像仪和光谱仪的双重功能，可同时获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，因而在空间遥感、信息获取、科学研究、国民经济发展以及国家安全等诸方面具有极其重要的应用价值，显示出越来越广阔的应用前景。譬如在军事领域，它可用于星载(或机载)对地观测地表及隐蔽的军事目标探测等；而在民用领域可用于天文及地球物理研究、资源普查、环境监测、病虫害预报、防灾赈灾、土壤碱化和沙化防治、森林植被保护、农作物估产、大气微粒及风场探测、教学仪器等方面。

迄今为止，成像光谱仪的发展已经历了滤光片型、色散型和干涉型等重要阶段。色散型成像光谱仪原理结构简单，技术工艺成熟，但其原理结构上的缺陷使其在灵敏度方面的提高已不可能再有量级上的突破。干涉型成像光谱仪又分为基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型和基于变型Sagnac干涉仪的空间调制型两大类，它们在原理上较色散型成像光谱仪的通量要高出两个数量级。由于空间调制干涉成像光谱仪克服了时间调制干涉成像光谱仪需要高精度动镜驱动系统和实时性不好两大缺点，因而其使用波段更宽，稳定性更好，具有潜在的高通量的优点。但空间调制成像光谱仪存在的主要缺点是装置中含有与光谱分辨率无关的由空间分辨率所决定的狭缝，致使进入系统的能量受到了极大的限制。此外，由于这类成像光谱仪大多是建立在Sagnac干涉仪基础上的，斜光较多，体积较大，且又经多次反射、折射，能量损失大。1996年，美国华盛顿大学研制了数字阵列扫描干涉光谱仪(DASI)，这是一种空间调制型的偏振干涉成像光谱仪，该成像光谱仪采用Wollaston棱镜，角剪切，近距离目标，其最大缺点一方面是由于仪器中含有由空间分辨率所决定的狭缝，能量利用率太低，对远距离目标及微弱信号探测能力差；另一方面是其远场条纹为双曲线，不利于光谱复原和图像合成。为克服上述现有技术存在的不足，本发明设计人曾在2001年提出一种名称为“超小型稳态偏振干涉成像光谱仪”的实验装置，该装置为无限远目标，具有多光谱通道、高信噪比、体积小和可超小型化制作等优点。但由于该装置的偏振干涉仪中采用二偏振片作为起偏器和检偏器(分析器)，在实际工作中存在偏振度低、消光比差及能量通过率与波长有关等缺点；更重要的是该装置与所有传统仪器一样，具有前置光学系统，这使设计和研制极其复杂，而且体积、重量增大，研制费用高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，进而提供一种光路简捷、结构简单的高通量、高探测灵敏度微型偏振干涉成像光谱仪。

用于实现上述发明目的的技术解决方案如下：所提供的偏振干涉成像光谱仪没有传统仪器中的前置光学系统，它由沿入射光向同轴依次设置的前置偏振干涉仪、收集物镜组和面阵探测器(CCD)组成。其中的偏振干涉仪由沿系统光轴同轴依次设置的格兰泰勒偏光棱镜起偏器、萨瓦偏光镜和格兰泰勒偏光棱镜检偏器(分析器)组成。工作中，由目标发出的辐射光进入起偏器后，通过萨瓦偏光镜将由起偏器射出的一束线偏振光横向剪切为两束出射方向平行于入射光束方向的且振动方向相互垂直和有一定间距的二线偏振光，二线偏振光经检偏器后变为沿检偏器偏振化方向振动的线偏振光，二光经收集物镜组汇聚于面阵探测器上并发生干涉，进而由面阵探测器获得目标的形影图像、干涉图和偏振信息，干涉图再经计算机系统处理后即获得目标的光谱，多光谱合成后又可重构物体彩色图像。

本发明偏振干涉仪中的萨瓦偏光镜由两块厚度相同且毗挨设置的天然单轴负晶萨瓦板组成，其光轴相互垂直且分别与系统光轴成45°角，起偏器和检偏器—格兰泰勒棱镜均由中间为空气隙的两块天然劈形单轴负晶体组成，它们的光轴平行且位于晶体纵剖面内，光轴取向与竖轴(X轴)与横轴(Y轴)正向均成45°角，面阵探测器的信号输出端通过联接线与计算机信号处理系统的信号获取输入端联接。