基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪制造技术

基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，涉及红外成像光谱探测仪器技术领域，解决传统成像光谱仪中三维数据立方体的实时获取以及成像光谱仪器的微小型化问题，包括准直镜、微成像镜阵列、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器。利用微成像镜阵列对目标场景进行多重成像，并利用阶梯相位反射镜对多重像场进行分布式相位调制的成像光谱仪器，通过微成像镜阵列形成的并行成像通道与阶梯相位反射镜形成的并行干涉通道之间的光场耦合，实现对目标场景的多通道快照式干涉成像，无需复杂的运动机构，具有微小型、静态化、稳定性强、集成度高、探测速度快等优点。

Snapshot imaging spectrometer based on micro imaging lens array and stepped phase mirror

The snapshot imaging spectrometer based on the microimaging mirror array and the step phase reflector is involved in the field of infrared imaging spectrometer, which solves the real-time acquisition of the three-dimensional data cube in the traditional imaging spectrometer and the miniaturization of the imaging spectral instrument, including the collimation mirror, the microimaging mirror array, the beam splitter and the transverse direction. Stepped phase mirror, longitudinal stepped phase mirror, relay imaging lens and surface array detector. Multiple imaging of the target scene using a micro imaging mirror array, and a distributed phase modulation imaging spectrometer using a step phase reflector to carry out a distributed phase modulation of the multi image field, the optical field coupling between parallel interference channels formed by the parallel imaging channel formed by the micro imaging mirror array and the step phase reflector is realized to achieve the target. The multi-channel snapshot interference imaging of the scene, without complex motion mechanism, has the advantages of micro, static, strong stability, high integration, fast detection speed and so on.

【技术实现步骤摘要】
基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪
本专利技术涉及红外成像光谱探测仪器
中的一种快照红外干涉成像光谱仪，具体涉及一种利用微成像镜阵列进行多重成像并利用阶梯相位反射镜对各成像通道的光场进行分布式相位调制以实现干涉的多通道微型快照红外干涉成像光谱仪。
技术介绍
图像特征和光谱特征是人们识别物质的重要手段，对目标图像和光谱特征的有效探测可以大大提高人们认识世界的能力。成像特征探测用于记录物体的位置和强度信息，光谱特征探测则根据不同物质所特有的发射、反射、透射光谱，获取与波长相关的信息。随着科学与工程技术的发展，现代测量仪器趋于发展图像与光谱双模式的探测能力，即在一台仪器上集成成像与光谱测量功能，对同一目标的图谱信息进行同步测量，从而全方面评估目标属性，为人们正确认知物质世界提供更加有力的手段，同时在丰富目标信息的基础上简化系统结构，提高系统稳定性。成像光谱技术在空间探测、大气遥感、地球遥感、机器视觉及生物医学等领域具有极其重要的使用价值，因此结合图谱测量功能的成像光谱仪器具有十分广阔的应用前景。由于图像信息为二维位置光强信息，光谱信息为一维波长功率谱信息，因此成像光谱仪获取的是三维的数据立方。目前，大部分成像光谱仪采用二维面阵探测器加一维时间推扫的方式来获取三维数据立方体，时间推扫可以是对线物作推扫，也可以是对波长或光程差作推扫。无论是对线物作推扫还是对波长或光程差作推扫，其时间的推扫过程使得其不利于动态场景目标的探测，从而降低了对于目标信息识别的时效性。
技术实现思路
本专利技术为解决现有传统成像光谱仪中三维数据立方体的实时获取以及成像光谱仪器的微小型化问题，提供一种基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪。基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜、微成像镜阵列、分束器、横向阶梯相位反射镜、纵向阶梯相位反射镜、中继成像镜和面阵探测器；携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜被准直为平行光束，微成像镜阵列将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道，在其像方焦面上形成阵列像；分束器将阵列像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜上，所述横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜分别对像场进行相位调制形成多个并行的干涉通道；所述成像通道与干涉通道一一对应，所述成像通道中的光场在各干涉通道中并行传输，所述中继成像镜将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器形成干涉图像阵列；设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜中各行反射镜单元和列反射镜单元的宽度为a，则每个干涉通道的孔径为a×a，微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构。设横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，微成像镜阵列的每个成像镜单元的像方视场为Φ1，则微成像镜单元的数目为M×N，且每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1＝a；设横向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为h，则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh；横向阶梯相位反射镜4的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜5的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合，则第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM-m-n0M+m0)h；微成像镜阵列每个成像镜单元的焦深Z满足Z≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh}；ν为光波的波数；所述分束器为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。本专利技术的有益效果：本专利技术提出的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，是一种利用微成像镜阵列对目标场景进行多重成像，并利用阶梯相位反射镜对多重像场进行分布式相位调制的成像光谱仪器，通过微成像镜阵列形成的并行成像通道与阶梯相位反射镜形成的并行干涉通道之间的光场耦合，实现对目标场景的多通道快照式干涉成像，无需复杂的运动机构，具有微小型、静态化、稳定性强、集成度高、探测速度快等优点。本专利技术的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，通过一次测量即可获取目标图谱合一的三维数据立方，无需扫描，具有较高的实时性。附图说明图1为本专利技术的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪原理结构图；图2为的微成像镜阵列的像方视场阵列与各干涉通道的光学匹配示意图；图3为横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器的镜像位置及形成的相位差分布示意图图4为图1中所示具体实施方式中的微成像镜阵列的像方远心多重成像示意图；图5为中继成像系统的物方远心成像示意图；图6为图像光谱三维数据重构示意图；图7为本专利技术所述的基于阶梯相位反射镜与光开关阵列的红外干涉光谱仪中栅网分束器的府视图；图8为十种栅网分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图8a、图8c、图8e、图8g、图8i、图8k、图8m、图8o、图8q和图8s为十种栅网分束器的主视剖面图；右侧部分的图8b、图8d、图8f、图8h、图8j、图8l、图8n、图8p、图8r和图8t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；图9中图9a至图9f分别为双面栅棱剖面形状示意图；图10为栅条分束器结构的俯视图；图11为十种栅条分束器的水平与垂直栅棱结构示意图，其中左侧部分的图11a、图11c、图11e、图11g、图11i、图11k、图11m、图11o、图11q和图11s为十种栅条分束器的主视剖面图；右侧部分的图11b、图11d、图11f、图11h、图11j、图11l、图11n、图11p、图11r和图11t分别为对应主视剖面图的左视剖面图；图12为栅网薄膜分束器的制备过程示意图；图13为栅条薄膜分束器的制备过程示意图；图14为通过多次膜层沉积的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图15为通过多次刻蚀的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图16为通过先刻蚀再镀膜的混合方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图17为通过切削的方法形成阶梯结构的阶梯相位反射镜的结构示意图；图18为微成像镜阵列选择折射型微成像镜阵列时的制作过程示意图；图19为微成像镜阵列选择衍射型微成像镜阵列时的制作过程示意图。具体实施方式结合图1至图19说明本实施方式，基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜1、微成像镜阵列2、分束器3、横向阶梯相位反射镜4、纵向阶梯相位反射镜5、中继成像镜6和面阵探测器7。携带目标图像和光谱信息的光场经准直镜1被准直为平行光束，微成像镜阵列2将平行光束在横向空间进行空域分割，形成多个并行的成像通道，并在其像方焦面上进行阵列成像；分束器3将阵列像场进行强度等分后分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜(1)、微成像镜阵列(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、中继成像镜(6)和面阵探测器(7)；携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜(1)被准直为平行光束，微成像镜阵列(2)将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道，在其像方焦面上形成阵列成像；分束器(3)将阵列成像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)上，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对像场进行相位调制后再次经分束器发生干涉并形成多个并行的干涉通道；所述成像通道与干涉通道一一对应，所述成像通道的光场在各干涉通道中并行传输，所述中继成像镜(6)将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器(8)形成干涉图像阵列；其特征是；设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜(5)中各行反射镜单元的宽度为a，每个干涉通道(9)的孔径为a×a，微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构；横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，微成像镜阵列(2)的每个成像镜单元的像方视场为Φ1，且微成像镜单元的数目为M×N；每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1＝a；横向阶梯相位反射镜4的阶梯厚度增量为h，则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh，横向阶梯相位反射镜(4)的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合，第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM‑m‑n0M+m0)h；则微成像镜阵列(2)每个成像镜单元的焦深Z满足Z≥max{m0h,(M‑1‑m0)h,n0Mh,(N‑1‑n0)Mh}；ν为光波的波数；设定微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的像方数值孔径为NA1，中继成像镜(6)的物方数值孔径为NA2，则中继成像镜的物方数值孔径满足NA2＝NA1；所述中继成像镜6的物方视场为Φ2，则中继成像镜(6)的物方视场Φ2与阶梯相位反射...

【技术特征摘要】
1.基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，包括准直镜(1)、微成像镜阵列(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、中继成像镜(6)和面阵探测器(7)；携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜(1)被准直为平行光束，微成像镜阵列(2)将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道，在其像方焦面上形成阵列成像；分束器(3)将阵列成像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)上，所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对像场进行相位调制后再次经分束器发生干涉并形成多个并行的干涉通道；所述成像通道与干涉通道一一对应，所述成像通道的光场在各干涉通道中并行传输，所述中继成像镜(6)将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器(8)形成干涉图像阵列；其特征是；设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜(5)中各行反射镜单元的宽度为a，每个干涉通道(9)的孔径为a×a，微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构；横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元，纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元，微成像镜阵列(2)的每个成像镜单元的像方视场为Φ1，且微成像镜单元的数目为M×N；每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1＝a；横向阶梯相位反射镜4的阶梯厚度增量为h，则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh，横向阶梯相位反射镜(4)的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合，第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM-m-n0M+m0)h；则微成像镜阵列(2)每个成像镜单元的焦深Z满足Z≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh}；ν为光波的波数；设定微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的像方数值孔径为NA1，中继成像镜(6)的物方数值孔径为NA2，则中继成像镜的物方数值孔径满足NA2＝NA1；所述中继成像镜6的物方视场为Φ2，则中继成像镜(6)的物方视场Φ2与阶梯相位反射镜的宽度a和级数之间的关系满足所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成，所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列，分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面，栅棱对分束膜起支撑作用；栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍，分束窗在横向和纵向的占空比相同；所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm，分束窗宽度范围为1nm-100cm；栅棱厚度范围为1nm-100cm，分束窗厚度范围为1nm-100cm；所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。2.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪，其特征在于；采用超精密机械加工方法和MOEMS技术实现分束器的制备；采用超精密机械加工方法制备过程为：在基底上通过一体切割、研磨及抛光技术获得栅棱和分束窗，再整体蒸镀分束膜，完成器件制备；采用MOEMS技术实现分束器的制备由以下步骤实现：步骤一、选取单晶硅作为基底，并在所述单晶硅表面制备掩蔽膜；步骤二、定向光刻，通过刻蚀法去除边槽图形内的掩蔽膜，露出边槽图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽，边槽腐蚀深度等...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁静秋，梁中翥，孟德佳，陶金，吕金光，王维彪，秦余欣，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22