（光学工程专业论文）基于wollaston棱镜组的新型光谱仪的研究.pdf

e塞銮道厶堂亟堂僮丝塞主塞翅翌 中文摘要 干涉光谱技术作为一种精密的分析探测技术，在科研、军事和国民经济等方 面具有广泛的用途。相对于色散型的光谱技术而言，它具有高通量和多通道的优 点。干涉光谱技术可分为时间调制干涉光谱技术和空间调制干涉光谱技术。空间 调制干涉光谱技术相对于时间调制干涉光谱技术的优点是稳定性强，实时性好， 原理简单，成本低。而如何提高仪器的光谱分辨率和光通量一直是干涉光谱技术 中最重要的研究问题之一。 本文首先简述了干涉光谱技术的发展过程和种类，介绍了使用偏振分光器件 的空间调制型干涉光谱仪的工作原理。在此基础上采用双层渥拉斯顿( w o l l a s t o n ) 棱镜组作为分光器件搭建了干涉光谱仪实验系统，并进行了干涉光谱实验。实验 中利用面阵c c d 做探测器采集t h e n e 激光器干涉图像，通过对其进行傅里叶变换， 获得了光源的归一化光谱图。通过和使用单个w o l l a s t o n 棱镜的干涉光谱仪复原的 光谱图进行对比，可以看出使用双层w o l l a s t o n 棱镜组可以将光谱分辨率和光通量 提高一倍左右。此外，还对整个系统进行了光通量、调制度以及误差分析。 图3 3 幅，表1 个，参考文献5 2 篇。 关键词：傅里叶变换光谱仪；w o l l a s t o n 棱镜组；光程差；干涉图；光通量；调制 度 分类号：t h 7 4 1 韭塞銮堑厶堂亟堂焦监塞 曼s ! 基! ： a b s t r a c t a sar e m o t es e n s i n ga n dd e t e c td e v i c e ，t h ei n t e r f e r e n c es p e c t r o m e t e ri sv e r yu s e f u l i ns c i e n t i f i cr e s e a r c h 、e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r ，e t c c o m p a r e dw i t hd i s p e r s i v e s p e c t r o m e t e r ，i th a sa d v a n t a g e so f h i g ht h r o u g h p u ta n dm u l t i c h a n n e l t h i st e c h n o l o g y i sc l a s s i f i e di nt w os p e c i e s ：t e m p o r a r i l ym o d u l a t e di n t e r f e r o m e t e r ( t m i i ) a n ds p a t i a l l y m o d u l a t e di n t e r f e r o m e t e r ( s m i i ) c o n t r a s tt ot m i i ，t h es m i ii sm o r es t a b l e ，s i m p l e a n dc o m p a c t ，i nt h i sr e s e a r c hf i e l dh o wt oi m p r o v es p e c t r a lr e s o l u t i o na n do p t i c a l t h r o u g h p u ti sa l w a y st h ef o c u sp o i n t s f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dp r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n c es p e c t r o m e t e rw e r e i n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h e ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e tu ps e p a r a t e l yw i t hs i n g l e a n dt w ow o l l a s t o n 口r i s m $ t h es p e c t r u mo ft h el a s e rg o u l c , ew a sa c q u i r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc o n s i s t e do fd o u b l ew o l l a s t o np r i s m $ h a s h i g h e rs p e c t r a lr e s o l u t i o na n do p t i c a lt h r o u g h p u tt h a nt h a to f t h es i n g l ew o l l a s t o np r i s m t h eo p t i c a lt h r o u g h p u ta n dt h em o d u l a t i o nd e p t ho f t h es y s t e mw e r ea n a l y z e da sw e l l k e y w o r d s ：f o u r i e rt r a n s f o r ms p e c t r o m e t e r ( f t s ) ；w o l l a s t o np r i s ma r r a y ；o p t i c a l p a t hd i f f e r e n c e ；i n t e r f e r o g r a m ；o p t i c a lt h r o u g h p u t ；m o d u l a t i o nd e p t h c l a s s n 0 ：t h 7 4 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日期：年 月日 签字日期：年月同 e 立銮堑厶堂亟堂僮缝塞独剑丝岜明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师高瞻副教授的悉心指导下完成的，高瞻副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 高瞻老师对我的关心和指导。 冯其波教授、谢芳副教授、张斌副教授、邵双运博士、崔建英高工、陈士谦 高工，匡翠方博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张志峰、吴思进师兄，韩强、徐楠、曹睿同 学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j e丞窑垣厶堂亟堂焦迨塞绻迨 1 绪论 光谱技术利用特征光谱达到识别目标的目的，1 9 8 3 年美国喷气推进实验室研 制出第一台航空光谱仪( a i s 1 ) ，随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系 列光谱仪，其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的 推扫型，也有以面阵探测器加光机的并扫型。 光谱技术的发展，把光谱研究从多光谱( m u l t i s p e c t r a l ) 时代带进到高光谱 ( h y p e r s p e c t r a l ) 时代。作为高光谱分辨率遥感器，光谱仪能够提供被测物体在波长 上几乎连续采样的超光谱通道的窄带光谱信号，有可能做到根据物质的吸收、反 射和发射光谱特征直接确认地面物体。 光谱技术经历了由色散型到干涉型的发展，干涉型较之色散型有多通道的优 点，在相同的分辨率情况下干涉型比色散型能更有效的利用光能。干涉型又分动 镜型光谱技术( 时间调制干涉光谱技术) 和空间调制干涉光谱技术。空间调制干 涉技术相对于时间调制干涉技术的优点是，稳定性，实时性好，原理简单，成本 低，研制周期短。本文后面将着重讨论偏振型空间调制干涉光谱技术。 近一二十年以来，随着大规模集成的列阵式探测器的广泛应用以及计算机图 像和数据处理能力的显著提高，天文探测，资源普查，航天遥感、空间光学、精 密机械等技术的发展使这项技术在科研、军事和国民经济等方面具有广阔的应用 前景。 e 丞窑塑太堂亟堂垃监塞堂道拄垄题述 2 1 光谱技术分类 2 光谱技术概述 光谱仪是研究目标的化学组成的仪器。在满足一定空间分辨率和辐射分辨率 的条件下，同时要求有更窄的波段宽度、更多的波段数目和能机动选择波段的灵 活性，这些因素促进了光谱仪的发展。光谱仪从原理上分为两大类：色散型和干 涉型。 2 2 色散型光谱技术 色散型光谱仪是利用色散元件( 光栅或棱镜等) 将复色光色散分成序列谱线， 然后再用探测器测量每一个诺线元的强度。它的概念是美国喷气推进实验室( j p l ) 首先提出的【4 】，它是扫描仪和光谱仪的结合。其实质是既得到地物图像，又得到每 个像元对应的地物的光谱曲线。首先应用于遥感的光谱仪是美国的机载成像光谱 仪a i s ，而首先应用于空间试验的是美国的航天飞机用的光谱仪s i s ，均采用面阵 c o d 作为探测器，前者采用反射衍射光栅为色散元件，后者采用棱镜为色散元件， 如图2 2 1 所示，均为色散型成像光谱仪。( a ) 为使用棱镜做色散元件，自然光经 狭缝射入准直镜变成平行光，平行光射入三角棱镜，因为组成自然光的各种色光 的折射率不同所以在棱镜的出射面分散开，同种颜色的光是平行的。从三角棱 镜射出再射入到成像镜，经过成像镜汇聚最后在探测器不同位置探测到不同颜色 的光的强度。( b ) 为使用光栅做色散元件。光栅的作用和( a ) 图中棱镜的作用是一 样的，它也 ( a ) 棱镜色散 2 被探测到。 器 j e 峦銮堑厶堂亟堂垃途塞当煎挂丕褪述 ( b ) 光栅色散 图2 2 1 棱镜和光栅的典型应用 f i g u r e2 2 1t y p i c a la p p l i c a t i o no f p t j a n dg r a t i n g 2 3 干涉型光谱技术 干涉型光谱仪是在色散型光谱仪的基础上发展起来的，不同的是干涉型光谱 仪是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里 叶积分变换的办法来测定和研究光谱图的。 早在1 8 8 0 年，m i c h e l s o n $ ) j 成了以他名字命名的干涉仪，这个仪器可以方便准 确的改变和控制两相干光束间的光程差。 瑞利首先认识到通过傅里叶积分变换可以把干涉图和辐射光谱联系起来。 本世纪初，r u b e n s 等人采用双光束干涉仪首次实现了干涉图的准确的实验测 量，他们根据假定的光谱分布计算了干涉图并和实验测得的光谱图相比较。 1 9 4 9 年，英国科学家p e t e rf e l l g e t 第一次真正从干涉图进行傅里叶积分变 换数值计算获得了光谱图。因为在干涉型光谱仪中对所有谱段的测量是同时进行 的，对具有m 个光谱元的光谱图，若其测量总时间为t ，则对色散型光谱仪来说， 每个谱线元的测量时间必为t i v l ；对干涉型光谱仪来说，m 个光谱元( 光谱通道) 可同时测量，即测量每个光谱元的时间均为t 。由于复原光谱信噪比与测量时间的 平方根成j 下比，故干涉光谱仪的信噪比要比色散型的好m 倍。因此较之色散型 光谱技术具有多通道的优点，所以较之色散型具有多通道的优点。这是傅里叶光 谱学的一次突破。 6 0 年代中期，c o o l e y t u k e y 发明的f f t 快速傅罩叶变换算法，大大减少了运算 时自j ，几分钟就能完成原来需要几个小时才能完成的变换运算。这是傅里叶变换 光谱学的另一个决定性的突破。 色散型光谱仪是利用色散元件( 光栅或棱镜等) 将复色光色散分成序列谱线， j e 丞銮垣厶堂亟堂位迨塞出遭篮盔援述 然后再用探测器测量每一个谱线元的强度。而干涉型光谱仪是同时测量所有谱线 元的干涉强度，对干涉图进行傅罩叶变换将得到目标的光谱图。色散型光谱仪中 均含有入射狭缝，狭缝越窄，光谱分辨率越高，而进入系统的光通量就越少，即 光谱分辨率和光通量成为色散型成像光谱仪中相互制约的一对矛盾。 在干涉型光谱仪中同时测量的是所有谱线元均有贡献的干涉强度，理论分析 表明，在具有相同分辨率的条件下，干涉光谱仪的通量较色散型光谱仪高2 0 0 倍 左右，即光能利用率可以高1 2 个数量级。可见它具有高通量的特点。 干涉光谱学包括双光束干涉( 傅里叶变换光谱学) 和多光束干涉，例如 f a b r y p e r o t 干涉。干涉成像光谱技术和干涉光谱的原理相同，二者的区别在于干 涉光谱技术仅获得干涉图，而干涉成像光谱装置则是在成像系统中加入干涉装置， 同时获得了干涉图和空间信息。干涉型光谱仪较之色散型光谱仪具有高通量和多 通道的优点，所以各国学者都将干涉光谱技术作为未来的发展方向。 2 3 1 原理 干涉光谱仪可以由多种类型的干涉装置构成，其中最具代表性的是m i c h e l s o n 干涉仪，其他各种形式的干涉仪，尽管在结构上与迈氏干涉仪不太相同，但是它 们获得干涉图的原理是一致的。迈克尔逊干涉仪的工作原理如图2 3 1 所示，它 m 动镜 前置光上二二2 4 e 峦童适厶：掌亟堂位论塞岱一照盔塑隧 并第二次经过分束器形成两束相干光束，其中一束返回光源，另一束沿与输入辐 射垂直的方向传输并被探测器d 所接收。 探测器接收的讯号振幅为： a d = r t a ( 1 + p 一9 ) ( 2 - 3 一1 ) 探测器上获得的讯号强度为 ，d ( j ，v ) = a d a d = 2 r t b o ( v ) ( i - i - c o s ) ( 2 - 3 2 ) 式中，r 、t 分别为分束器的反射率和透射率，最( v ) 是输入光束强度，鼠p ) = m n ， 是来自静镜和动镜的两束光问的相位差驴= 2 z x a = 2 x v x ，z 是光程差。探测器 收到的讯号强度是输入光束强度和两光束间光程差的函数，它为一沿光程差方向 无限扩展的余弦函数，这是理想准直的单色辐射通过干涉仪形成的干涉图。 如果输入光束具有任意光谱分布，我们可以得到一般情况下的干涉图表达式 l ( l ) = i d ，d ( j ，v ) = 【2 r t b o ( v x l + c o s 2 x v x ) d v ( 2 - 3 3 ) 对其进行傅里叶逆变换并化简可以获得光谱图的表达式 鼠( y ) = 2ii o ( 石，v ) c o s 2 n - v x d x ( 2 - 3 - 4 ) 由于动镜的实际运动距离是有限的，试验中干涉图只能采集到某一有限的极 大光程差l 为止，因此只计算一l 到l 范围内的干涉图，而截去区域外的干涉图。 动镜型干涉光谱技术按扫描速度的不同分为慢扫描技术和快扫描技术，慢扫 描方式，动镜移动速度u 足够慢，以至于每个谱元y 对应的调制频率常常低于l h ：， 这样的讯号难以接收和放大。因此测量时常常采用机械斩波器来调制光束，而且 斩波器的频率选择高于所有被测谱元的调制频率，这样就容易采用锁相放大技术， 然后经过数字化后输入计算机系统。本世纪6 0 年代，l a w r e n c em e r t z 首先提出了 干涉图快扫描技术，即干涉仪动镜以足够高的速度u 扫描，因此被测光谱的所有谱 元都被调制在音频范围内，因此比较容易被接收和放大而不必再斩波光束。 动镜干涉型光谱仪都有一个精密动镜系统，其动镜和静镜的类型主要分为平 面镜、角反射体和猫眼镜三种。平面反射镜对镜子的二维方向的横移无严格要求， 但对于镜子的倾斜度非常敏感【4 l 。例子有美国1 9 7 7 年研制的的用于行星探测的 i r i s ( v ) ( v o y a g e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ) 和1 9 7 1 年研制的用于火星探测的 i r i s m ( m a r i n e9m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ) ，以及用于大气温度和湿度分布测 量的i t s ( i n t e r f e r o m e t e rt h e r m a ls o u n d e r ) 等。而角反射体和猫眼镜则对镜子的 倾斜无严格要求，但对横移非常敏感i j 。其代表有关国1 9 9 4 年完成的用于环境检 测的a t m o s ( a t m o s h p e r i ct r a c em o l e c u l es p e c t r o s c o p y ) ，欧洲2 0 0 1 年完成的用 于大气研究的i a s i ( i m p r o v e da t m o s p h e r i cs o u n d in gi n t e r f e r m e t e r ) 等。 干涉光谱技术分为动镜型光谱技术也称时间调制干涉光谱技术和空间调制干 e 峦窑道厶堂亟堂包迨塞造谨垃盔攫碴 涉光谱技术。 2 3 2 时间调制干涉光谱技术 基于m i c h e l s o n 干涉仪的时间调制干涉光谱仪的结构原理如图2 3 2 所示。目 标处于透镜l 的前焦面上，不同视场物元发出的光束经m i c h e l s o n 干涉仪后得到 的干涉图被不同的探测器单元接收，当视场为珊时，考虑单色光情况，位于该视 场处的探测单元获得的干涉图为： ，( ，q ) = b ( v ) s i n c ( 2 z x o v s i n a j s i n u ，) c o s ( 2 7 r x o v c o s c o c o s u i ) ( 2 3 5 ) 其中，矗是零视场光程差，q 是立体视场角，口( v ) 是光谱分布函数，v 是波 数，“，是不同视场探测单元所张瞬时视场角。从上式可以看出，视场角不为零时 干涉图和光谱强度分布不再是理想的傅里叶余弦变换关系，式中出现了一项与视 动镜 图2 3 2 时问调制干涉成像光谱仪原理 f i g u r e2 3 2t h et h e o r yo f t e m p o r “l ym o d u l a t e di m a g i n gi n t e r f e r o m e t e r 场角和瞬时视场角u ，有关的调制函数s i n c ( 2 1 r x o v s i nc o s i n “f ) ，另外余弦函数中还 出现了相位误差，这也可以被认为是复原光谱函数的波数发生了漂移，即 v 。= v c o s o ) c o s u j ，根据对调制度的要求，我们得到对视场角和瞬时视场角的限制条 件为： s i n c ( 2 1 r x o v s i n t o s i n u j ) 0 9 ( 2 3 6 ) 可以得到： s i n u i u ，旯( 8 x os i n ) 对相位误差中的项可以通过数学方法比如截断奇异值分解讲行修正，但对探测器 单元所张瞬时视场角的相位误差则无法修正，因此我们由谱线漂移量与的关系可 以得到对瞬时视场的限制条件： a v = v v c o s “f = ；2 ( 2 - 3 7 ) 6 e 峦塞堑厶堂亟堂僮途塞趟谱焦盔援适 因为r = v a v，因此r = 2 u ? = 2 l r o i ，上式在形式上与大视场干涉光谱仪分 辨率与视场角的关系相同，不同之处在于这里的分母是瞬时立体视场角而不是全 视场角，但从另一角度理解，可以认为干涉光谱仪是一个阵列干涉光谱仪的组合， 则上式的物理意义就很明显了。 对于具有某个光谱范围的复色光，有： z ( x o ，q ) = i 2 b ( v ) s i n c ( 2 石v s i n m s i l l q ) c o s ( 2 万而v c o s c o s “，) 咖 ( 2 3 8 ) 2 3 3 空间调制干涉光谱技术 时间调制干涉光谱仪主要有两个缺点：1 r 在动镜运动过程中对晃动和倾斜有非 常严格的要求。2 它实时性不好，干涉图采样需要动镜运动一个周期的时间，因此 不适合用于测量快速变化的光谱。为解决上述问题，9 0 年代以来随着面阵c c d 的 飞速发展，出现了空间干涉成像光谱技术和数字阵列扫描干涉成像光谱技术。具 有代表性的有变型s a g n a c 干涉仪和双折射晶体分光两种。 图2 3 3 为s a g n a c 型光谱仪的原理图，它主要由照相光学系统( 焦距为矗) 、 变型s a g n a c 干涉仪、傅里叶变换透镜( 焦距f f ) 、柱面镜( 焦距c ) 、面阵探测器及 信号采集系统组成。前置照相光学系统将目标成像于傅里叶透镜的前焦面上，此 处垂直放置一个狭缝，狭缝是为了成像过程中的扫描的需要。光束经过s a g n a c 干 涉仪后形成两个分离的狭缝虚像，他们组成一对平行线光源，由于这两个狭缝像 图2 3 3s a g n a c 型光谱仪原理图 f i g 2 3 3t h e o r yo f s p e c t r o m e t e rb a s e do i lt h es a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 经过柱面镜后在狭缝方向上汇聚。狭缝高度方向上不同视场点的干涉图收集到探 测器的某一行。面阵c c d 位于傅晕叶透镜和柱面镜共同的焦面上，它的行垂直于 狭缝方向，因此每一行得到了狭缝上不同位置的干涉图。该成像光谱仪搭载在飞 e 壅窑丝厶堂亟堂盈途窑左萱焦莶援整 行器上，靠推扫得到另一维的空间信息。分束镜是其核心，它决定了仪器的性质。 如图2 3 4 所示s a g n a c 型分束器中的一个反射面按其法线方向向外平移一段距离 t ，光轴与分束面夹角为口，一束光经过s a g n a c 型分束器后被剪切成两束相互平行 而且相干的光束，他们的距离d 为 d = 4 t s i n 日 ( 2 3 9 ) 因此，s a g n a c 分束器能够将一个光束分割为两束相干光。 a la 2 图2 , 3 4s a g n a c 型分束器光路图 f i g u r e2 3 4t h et h e o r yo f s a g n a cs p l i t 它的等效图如图2 3 5 所示，由图可知，同一光源的一对虚像s l 和s 2 相距d ，则在 傅里叶透镜后焦面处，探测器上距中心点x 处的光程差l 为 l = d x f ( 2 3 一l o ) 式中是傅氏透镜的焦距。 l p - 么。，二_ 二 ， 二? 。 【- f ，一一一一。 一 ，t - o ， i 卜f 叫 j - - - 一f - - 哼 x 圈2 - 3 5 空间调制干涉光谱仪光路豳 f i g u r e2 3 。5t h et h e o r yo f s p a t i a lm o d u l a t e di n t e r f e r o m e t e r 当波数范围a y v 2 一y 时，干涉图表达式为 m ，v ) = f 2 曰( d c 。s ( 2 ；, r v l ) d v b 塞窑塑厶堂亟堂位诠塞迸遁焦盔趣述 ：f 1b ( y ) c o s ( 兰华) 西 ( 2 3 11 ) 1 ， 其中b ( v 1 为入射光谱强度分布，这时光谱调制度不受狭缝形状、大小等因素的影 响。因此在空阃分辨率允许的情况下，狭缝可以很宽或者具有任意形状，从而可 增大视场角、提高辐射通量。故这类分束器又被称为大视场高通量分束器。实际 情况中，我们考虑到探测器的单元尺寸的大小并非一个点，干涉图的表达式为： 地) = 壶fe 即) c o s ( 2 n v d a l d v ( 2 - 3 - 1 2 ) 式中，探测器的尺寸单元为s = t 一五，厶= 奶厂，厶= 呶厂，波数范围为 a v = 匕- v j ，= ( 上1 + l 2 ) 2 ，由此可得 地) 2 芒了j ：2 b ( v ) s i n ( 2 n g l z ) “n ( 2 ，r v l , ) l d v ( 2 - 3 - 1 3 ) 略去不重要的常数后可得 ，( 厶) = r b ( v ) s i n c ( v d 7 s ) c o s ( 2 疗v l , ) l d v ( 2 3 1 4 ) 。 j 从上式可以看出，d ，s 和v 增加或f 减小会使干涉图调制度降低，因此不能单纯 为了提高光谱分辨率而增加d 或减小f ，否则会降低干涉图的调制度。 图2 3 6 为基于w o l l a s t o n 棱镜的干涉光谱仪原理图。它由前置光学系统、准 直镜、起偏器、w o l l a s t o n 棱镜、检偏器、傅氏透镜和探测器组成。a 是光束的半 径，l 是w o l l a s t o n 棱镜的纵向尺寸，将其放在两个取向合适的偏振镜之间， w o l l jl 匕 t 7 ，一i 辱7 ， 醮 经过起 起偏器 4 5 。检偏器 一4 5 。 图2 3 6 基于w o l l t o n 棱镜的干涉光谱仪原理图 f i g u r e2 3 6 t h e o r y o f s p e c t r o m e t e r b a s e do i l t h e w o l l a s t o n p r i s m 偏器变成与双折射晶体的光轴成4 5 。的线偏振光，再经过w o l l a s t o n 棱镜在其内部 的胶合面上分成两个振动方向相互垂直的寻常光( 0 光) 和非寻常光( e 光) ，检 偏器的偏振化方向与双折射晶体的光轴成4 5 。( 与起偏的偏振片偏振化方向成 9 0 。) 。 如图2 3 7 所示，渥拉斯顿( w o l l a s t o n ) 棱镜由两个相同的光楔组成，它们 9 e 峦窒丝- 人堂亟堂盈迨塞堂谴垃丕拯述 胶合在一起组成一个平行平板。两个光楔中的光轴与外表面平行且彼此垂直。渥 拉斯顿棱镜将入射光分成两条沿不同方向行进的光线，两光束间的光程差随光线 离渥拉斯顿棱镜中心光轴y y 。的距离不同而不同。 ) c 豫j i7 r 。n y ， x l z y 图2 3 7 勋1 l a s t o n 棱镜( 共路干涉) f i g u r e2 3 7w o l l a s t o np r i s m ( s a m ep a t hi n t e r f e r e n c e ) 其角裂距a 为 口= 2 ( n o 一 。) t a n 0 ( 2 3 1 5 ) 式中口是棱镜的楔角，和吃分别是寻常光和异常光的折射率。 这种空间调制干涉光谱仪的主要特点是：( 1 ) 没有运动部件，避免了由于精密 扫描动镜带来的一系列技术上的困难，结构更加紧凑，可以大大提高仪器的稳定 性、抗振动、抗冲击。( 2 ) 光谱测量的实时性好，同时获得每个点的干涉图，特别 适用于快速运动或光谱快速变化目标的识别。而时间调制干涉成像光谱仪则需要 一个扫描周期才能获得干涉图。( 3 ) 较大的光源面积不影响空间分辨率，而且具有 高通量，大视场的优点。( 4 ) 光谱分辨率受探测器限制，目前在1 0 2 1 0 3 量级。( 5 ) 采用面阵探测器并依靠推扫可以获得两维空间信息与一维光谱信息。( 6 ) 原理简 单，成本低，研制周期短。 2 3 4 干涉光谱技术的新进展 从近年干涉光谱仪技术的发展来看 从而使光谱仪结构更加趋于合理和简单 超高分辨率和成像方面发展。 许多新方案、新技术得到了实施和应用， 功能大为增强，逐步向大视场、高通量、 表1 列举了近年来国际上和我国在干涉光谱技术上的发展情况 1 0 立窑适厶堂亟堂篷监塞鲞篮焦苤墨鲨 表1 千涉光谱技术新进展 t a b u l a t i o n1t h ef l e wi n s t a n c eo f s p e c t r o m e t e r 国家地区主要成果性能 美国美国宁航局( n a s a ) 研制了基于烈 光谱范嗣：04 1 0 u m 折射元件的数字阵列扫描干涉成像光谱分辨率：3 0 0 c m “ 光谱仪。 空间分辨率：1 5 尺寸：4 0 x1 0 1 5 c m 3 威斯康星火学物理系( u n i v e r s i t y现阶段还只是实验室样机。两光栅相对 o f w i s c o n s i n ) 的研究人员_ 【1 j 空间倾斜一定的角度无机械运动部件，集合了 外差光谱仪来实现对人气的遥感监傅里叶变换光谱仪的高通量特性和光栅光 测本质与m i c h e l s o n 干涉仪一样，只谱仪的直接测量的优点，光谱分辨率是由 是把m i c h e l s o n 干涉仪的两个平面光栅的光谱分辨率决定的，因此不可能做 镜刖两片闪耀光栅来代替。得非常高 喷气推进实验室( j p l ) 研制了基丁光谱范隔：1 5 u 形变s a g n a c 干涉仪的空间调制成像光谱分辨率：l o o c 1 光谱仪尺寸：6 6 8 英寸3 s a i c ( s a nd i e g o ) 实验室用h e i f t s优点是无机械运动部件，使_ 【i j 的调制方 ( 高通量成像傅里叶变换光谱仪) 8案是改进的m a c h - - z e h n d e r 干涉仪结构 um 1 2u m 的超光谱侦察应j l j 研究 i t t 的宇航通信研究室和l l n l 、采川h i c h e l s o n 干涉仪，同时具备时间 b o m e m 公司、c o l o r a d o 国立大学等合调制和空间调制的优点，时间、空间、光 作提出了成像傅里叶变换光谱仪谱分辨率都非常高 ( i f t s ) 加拿人多伦多大学的一个科研小组利心时间调制机械扫描，光程达到了5 0 c m ，4 0 s u a n t r a 计划和丹佛大学的高分辨率时间得一幅干涉图。该光谱仪使用太刚作 光谱仪为光谱，来测茸人气层中的微鼙气体 法国：n e s 为e u i d e t s a t 卫星研制的i a s i光谱范围是3um 1 5um ，空间采样间隔 是2 5 k m ，每个采样点最大为1 2 k m ，干涉例 采样间隔为2 1 6 m s 。它的基本目的是测越 人气温度和湿度的乖直分布，另外也提供 一些其它的地球物理参数的信息，包括臭 氧和微昔气体。 e 丞窑适厶堂亟堂拯迨塞旌蓝焦盔援整 续表1 日本 、j a s d a 地球环境观测研究中心正在研继承了i m g 干涉仪的人部分技术精髓，同 制人气辐射波谱仪( a t r a s )时义加入了最新的技术，如用p v m c t 代 替i m g 中使 j 的p c 一肛t 。平面镜材科使 h js i c 更新了致冷器设计 日本环境省开发了一台日蚀傅里叶转动摆臂方式机械扫描，无刷直流电机驱 变换光谱仪( s o f i s )动，白光定零光程筹，偏振相移! f 导体激 光器( 8 5 2 n m ) 和碡探测器作为采样控制系 统进行1 6 b i ta d 采样。用z n s e 分光器羽】 光伏碲镉汞红外探测器 英国 英国s t a n d r e w s 火学利用展短的可测鼠波长为1 2 0 n m f o ll a s t o n 棱镜研制超小型干涉光谱尺寸：1 5 x 0 3 0 3 m 3 仪 英国i m p e r i a lc o tl e g e 物理系量子蹦丁二天体物理和大气物理研究，与 光学和波谱组研制了傅里叶变换光“i c h e l s o n 干涉仪一样，只是h j 猫眼代替 谱仪了平面反射镜。光入射到分光镜上的角度 为5 度，这样可以在一定程度上缩小仪器 体积和减小分光镜的偏振效应对干涉i 生| 的 影响。仪器体积为1 5 m x o 3 m x o 3 m ，最 短的可测龄波长为1 2 0 r i m 英国i m p e r i a lc o l l e g ，研制了对流这台仪器使h j 了v 型导轨和钢丝，在步进 层机载傅里叶变换光谱仪( t a f t s ) 电机的驱动下作直线扫描。 国内阳安光机所研制了动镜干涉成像光光谱范隔：0 4 5 o 9 u m 谱仪和基于实体g i c h e t s o n 干涉仪光谱分辨率：1 4 0 c m 。 的坝角反射体分柬空间调制干涉成空间分辨率：1 2 7 像光谱仪 上海技术物理研究所主要研究( 光 采用s a g n a c 结构米实现光路的空间调 栅) 推扫式成像光谱仪( 也曾经研制制) 和傅里叶变换光谱仪，采h j 时间调帝i 过空间调制形式的傅里叶变换光谱形式利阕直线电机带动角镜作一维直线 仪运动 长春光机所应川光学国家重点实验刚米测苗紫外一真空紫外的光谱。现阶段 室正在研制的是猫眼动镜驱动式傅只是实验室样机试验。 里川。变换光谱仪的原理样机 1 2 i e 丞銮迪厶堂亟堂篮迨塞毖谱缝垄拯述 下图为两种实际使用的光谱仪的原理图： r 本环境省丌发的同蚀傅里叶变换光谱仪如图2 3 8 所示，入射光经过分束镜 变成两束光，透射光和反射光分别射入两个角锥棱镜m i 和m 2 被平行反射回来， 两分束镜被固定在转动臂上，光束再经过分束镜在分柬镜右边汇聚产生干涉条纹。 它通过转动摆臂方式实现对被测物体的机械扫描。 统 f i g u r e2 3 8 t h e s y s t e mo f s o f sm e c h a n i c a ls c a n 英国i m p e r i a lc o l l e g e 物理系量子光学和波谱组也在研制傅里叶变换光谱仪如 图2 3 9 所示，其设计的优点在于垂直于屋脊的方向上是倾斜补偿光程差。 出射光 图2 3 9t a f t s 的结构原理 f i g u r e2 3 9t h ec o n f i g u r a t i o no f t a f t s 空间调制的干涉光谱技术是近年来发展起来的，它的诸多优点使它越来越得 到国际成像光谱界的重视，这种无动镜干涉成像光谱技术将成为下一代成像光谱 技术的代表。 空间调制干涉光谱仪又可以分为两类：一类是基于变形的s a g n a c 干涉仪为基 础的成像光谱仪；一类是基于双折射晶体为分光元件的偏振型干涉成像光谱仪。 与s a g n a c 型相比，偏振型于涉威像光谱仪更加小型化、费用更低、稳定性更好、 能量利用率高，并解决了航天遥感器中普遍存在的探测器对不同偏振度的偏振光 影响效率不同的缺点。美国华盛顿大学基于双折射元件研制出数学阵列扫描干涉 仪：r 本大阪大学研制了基于萨瓦板的多通道红外干涉光谱仪；英国圣安德鲁斯 大学研制了基于w o l l a s t o n 棱镜的单镜、双镜以及具有补偿功能的偏振干涉光谱仪。 e 立交堑厶堂亟堂位迨塞i 宴堡型王韭左氆丛 3 偏振型干涉光谱仪 本章先讨论基于s a v a r t 板光谱仪的工作原理，然后重点介绍了w o l l a s t o n 棱镜 作为分光器件的偏振型干涉光谱技术及实验装置设计。干涉光谱技术的核心是利 用相干光束的干涉形成被测目标的干涉强度分布，然后对这一干涉强度分布进行 傅里叶变换，从而得到被测目标的光谱分布。产生相干光束的手段虽然多种多样， 但均是利用分光器产生两束或多束相干光，干涉成像光谱仪的性能( 如光谱分辨率、 能量利用率、是否多通道、工作光谱范圈、稳定性等) 很大程度上受分光器的影响。 w o l l a s t o n 棱镜和s a v a r t 板均是作为分光器。采用双折射晶体为分光器的优点 在于： 1 、实时性好，能测快速变化的光谱。 2 、共光路干涉。所以具有一定的抗干扰能力和稳定性。 产生两束相干光在阵列探测器的接收面上形成空侧域的干涉强度分布，对此 分布进行傅里叶变换最终得到光源的光谱分布。 3 1 基于s a v a r t 板的傅里叶变换光谱仪 图3 1 1 是基于s a v a r t 板的光谱仪的原理图，系统由两个透镜，两个偏振片， s a v a r t 板，和一个c c d 探测器组成。物体置于透镜1 的前焦面上，c c d 置于透镜 2 的后焦面上，起偏器，检偏器和s a v a r t 板置于两透镜之间。物体放在一个电机驱 动的平台上可以沿x x 7 方向平移。光束经过透镜准直，再经过起偏器后成为线 z x 物体 j 透镜1 s ”矾般 透镜2 c c 】， 汝1 ， | 、q 乡 o e o 形 f 2 1 oe o e ， li ， f l 扣他协位翼 图3 1 1 基y - s a v a r t 板的光谱仪的原理图 f i g u r e3 1 1n o v e li m a g i n gs p e c t r o m e t e rb a s e do n s a v a r tp o l a r i s e o p e 1 4 e 立窑丝厶堂亟堂位监塞垣亟型王毖盘埴值 偏光，进入s a v a r t 板后光束被双折射晶体折射剪切成两束偏振光，经过检偏器变成 振动方向相同的偏振光，透镜2 将光束汇聚到探测器上。相比于m i c h e l s o n 干涉仪， 它是一种空间调制的干涉仪。干涉条纹的可见度与光源的大小有关。光程差是 a zd x f ，d 是两光束的横向距离，x 是探测器上的空问坐标，丘是透镜2 的焦距。 光谱仪的关键部件是s a v a a 板分光器，他由两块相同的单轴晶体组成，两块晶体 的光轴成9 0 。在第一块晶体中，光束被剪切成0 光和e 光，原来的o 光变成了e 光，e 光变o 光，如图3 1 1 中s a v a r t 板内所示，两光线的剪切距离是 d ：些二笠! f ( 3 1 1 1 4 2 ( n 0 2 + 月；) n 。，b 分别是o 光和e 光的折射率， 是 板的厚度。e t s a v a r t 3 2 基于w o l l a s t o n 棱镜的傅里叶变换光谱仪 3 2 1 原理 w o l l a s t o n 棱镜作为目前国际上评价最好的光束分割系统之一，其分光原理在 第2 3 3 节空间调制干涉光谱仪里已经分析过了，这里我们再分析其光程差及干涉 条纹的形成以及数据处理。由前边分析知道，w o l l a s t o n 棱镜的角裂距为 口= 2 ( n o n , ) t a n o ，如图3 2 1 所示，从与渥拉斯顿棱镜的光轴y y 相距善处出射 的o e 光线与e o 光线间的光程差为： 工= 2 x ( n , 一) t a n 0 ( 3 - 2 1 ) 畚 w o l l a s t o n 棱镜组成像镜面阵c c d 伽7 ，翩 起偏器 4 p 检偏器 一4 5 。 图3 2 3w o l l a s t o n 棱镜纽做分光装置的傅里叶变换光谱仪 f i g u r e3 2 3t h es p e c t r o m e t e rb a s e do i lt h ew o l l a s t o np r i s ma r r a y 是由于粘合工艺和c c d 垂直高度限制不能太大。这样公式( 3 2 6 ) 就可写为 = ( 心一h 。) t a n o = 碰。 ( 3 2 8 ) 其光谱分辨率： 如= 1 2 l = 1 2 碰( 3 - 2 9 ) 可得理论上其光谱分辨率比原来提高t k 倍盯1 。并且，由于这种方法实际上将干涉 图“折叠”到面阵c c d 上的不同行上收集，因此克服了在一些情况下c c d 接收尺 寸大小不够的问题。 3 2 2 光通量分析 本节分为两部分。第一部分分析系统本身的光通量；第二部分讨论考虑系统 内偏振器件的透射率对系统光通量的影响。 1 ) 系统的光通量分析 偏振干涉光谱仪的光通量m 可以表示为下式1 5 】 m = t ( x ) b ( x ) d a( 3 2 1 0 ) 式中r ( 兄) 为偏振干涉系统的光谱透射比，占( ) 为入射光源的光谱亮度，q 为光源 s 堋沪 e 基銮迪厶堂亟堂堡垒窑蝮握型王丝毖氆选 对7 l 径中心所张的立体角，a 为光谱仪的孔径。不考虑r ( a ) ，而b o ) 值因光源给 定而确定，设e = 爿q ，物镜面积a = 万r 2 ，r 是物镜的半径，q = a b 厂2 ，a ，b 是 w o l l a s t o n 棱镜的长和宽，厂是傅里叶棱镜焦距，则 e = r c a b r 2 f 2 ( 3 - 2 一l1 ) 代入( 3 2 1 0 ) 式，则 m = l ( 2 ) x r 2 a b f 2 ( 3 - 2 1 2 ) 式中1 ( 2 ) = ，( 且) 坩( 旯) 。我们用n 层w o l l a s t o n 棱镜代替单个棱镜就相当于增大了 w o l l a s t o n 棱镜的长度n 倍，可得 m = l ( 2 ) x r 2 n a