红外偏振干涉成像光谱仪及制作方法技术

红外偏振干涉成像光谱仪及制作方法，涉及红外光谱探测与红外光谱分析技术领域，解决现有传统时间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用高精度的动镜驱动机构带来的体积大、重量沉等问题，同时存在空间调制傅里叶变换红外光谱仪由于采用制冷型红外面阵探测器带来的价格昂贵等问题，由光源、准直镜、分束器、平面反射镜、阵列相位反射镜、光开关阵列、聚焦镜和点探测器组成。本发明专利技术利用阵列相位反射镜对入射光场进行分布式相位调制，并利用光开关阵列对出射的干涉光场阵列进行振幅调制以实现分步式选通和探测的光谱仪器。本发明专利技术可以使用点探测器进行探测，不仅进一步减小体积和重量，而且大大降低了成本。

Infrared polarization interference imaging spectrometer and its fabrication method

The infrared polarization interference imaging spectrometer and its making method are related to the field of infrared spectrum detection and infrared spectrum analysis. The existing traditional time modulation Fourier transform infrared spectrometer has the problems of large volume and heavy weight caused by the high precision dynamic mirror driving mechanism, and the spatial modulation Fourier transform red is also existed. The external spectrometer is composed of the light source, the collimator, the beam splitter, the plane reflector, the array phase reflector, the optical switch array, the focus mirror and the point detector due to the high price of the refrigeration infrared array detector. The invention uses an array phase mirror to modulate the distributed phase of the incident light field, and uses the optical switch array to modulate the amplitude of the out - shot interference light field array to realize the spectral instrument for the separation and detection. The invention can detect the spot detector, not only further reducing the volume and weight, but also greatly reducing the cost.

【技术实现步骤摘要】
红外偏振干涉成像光谱仪及制作方法
本专利技术涉及红外偏振成像光谱测量仪器
中的一种红外偏振干涉成像光谱仪，具体涉及一种利用四通道偏振器、四通道成像镜和半阶梯半平面相位反射镜对光场进行偏振调制、阵列成像与分布式相位调制以实现偏振像场干涉的四通道微小型红外偏振干涉成像光谱仪。
技术介绍
图像特征、光谱特征和偏振特征是人们识别物质的重要手段，对目标图像、光谱和偏振特征的有效探测大大提高了人们认识世界的能力。图像特征探测用于记录物体的位置和强度信息，光谱特征探测根据不同物质所特有的发射、反射、透射光谱可以获取与波长有关的信息，偏振特征探测可以获取与物体表面结构、表面粗糙度等特性密切相关的偏振信息。随着科学与工程技术的发展，现代测量仪器趋于发展偏振、光谱和图像三位一体的多模式探测能力，即在一台仪器上集成偏振、光谱和图像测量功能，对同一目标的偏振、光谱和图像信息进行同时探测，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。偏振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都具有极其重要的使用价值，因此结合偏振图谱测量功能的偏振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的位置光强信息，光谱信息为一维的波长功率谱信息，偏振信息用斯托克斯矢量表示为四维信息，因此偏振成像光谱仪需要获取的是多个维度的数据信息。但是探测器是二维的测量器件，如何利用二维的探测器件获取多个维度的目标信息，是目前偏振成像光谱探测
需要具体解决的问题。目前红外偏振成像光谱探测技术中普遍使用的红外偏振成像光谱仪都是采用在扫描型红外成像光谱仪中插入偏振片，通过偏振片的旋转获取目标场景不同偏振态的图谱数据。由于红外成像光谱仪中含有光谱扫描机构，在每一个偏振状态都需要对光谱进行一次扫描，完成一次光谱扫描后偏振片旋转到下一个偏振状态，再进行下一个偏振态的光谱扫描。光谱扫描和偏振片旋转两个运动机构，不仅增加了系统的体积和重量，同时增加了系统数据获取的时间。
技术实现思路
本专利技术为解决现有红外偏振成像光谱仪系统体积笨重，增加了系统数据获取的时间进而导致效率低等问题，提供一种红外偏振干涉成像光谱仪。为了实现本专利技术的以上目的，本专利技术的技术方案如下：红外偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜、四通道偏振成像系统、干涉系统、中继成像镜和面阵探测器；所述四通道偏振成像系统包括四通道偏振器和四通道成像镜，所述干涉系统包括分束器和两个半阶梯半平面相位反射镜；携带目标偏振图谱信息的入射光经准直镜后变为平行光，所述平行光经四通道偏振器调制为四个不同的偏振状态后在四通道成像镜的像方焦面上形成偏振像场阵列；所述分束器将偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到两个半阶梯半平面相位反射镜上，形成两个相干的偏振像场阵列，所述两个半阶梯半平面相位反射镜分别对偏振像场阵列中各偏振像场单元进行空间分布式相位调制，所述中继成像镜将调制后的偏振像场传输至面阵探测器形成四个偏振态的干涉图像；所述两个半阶梯半平面相位反射镜中的一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最高阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递减；另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最低阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递增；设定两个半阶梯半平面相位反射镜的口径相同，均为D×D，每个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域的尺寸为D/2×D，阶梯区域的尺寸为D/2×D；所述两个半阶梯半平面相位反射镜相对于分束器3镜像放置，且其中一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的阶梯区域相对于分束器处于镜像位置，其阶梯区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域相对于分束器处于镜像位置；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。红外偏振干涉成像光谱仪的制作方法，采用可见激光阵列标定与红外相机观测相结合的方法进行系统的集成制作，具体过程为：步骤一、采用2×2可见激光阵列标定系统光轴，激光阵列具有四个激光源，四个激光源之间的距离等于四通道偏振器各偏振单元之间的中心距；通过调节2×2激光阵列源的位置和角度，使2×2激光阵列的四条光轴平行；步骤二、在光路中插入一块45°可见光分光棱镜，将激光阵列分成两路；通过调节分光棱镜的位置和角度，使透射激光束与激光阵列光束共线，反射激光束与激光阵列光束垂直；步骤三、将一个半阶梯半平面相位反射镜放置在2×2反射激光阵列的光路中，通过调节半阶梯半平面相位反射镜的位置和角度，使反射激光阵列光路中的四条激光束入射到半阶梯半平面相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且入射到半阶梯半平面相位反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证半阶梯半平面相位反射镜与2×2激光阵列的光轴垂直；步骤四、将另一个半阶梯半平面相位反射镜放置在2×2透射激光阵列的光路中，通过调节半阶梯半平面相位反射镜的位置和角度，使透射激光阵列光路中的四条激光束入射到半阶梯半平面相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且入射到半阶梯半平面相位反射镜上的四条激光束沿原路返回，保证半阶梯半平面相位反射镜与2×2激光阵列的光轴共线；步骤五、移除可见光分光棱镜，将分束器置于可见光分光棱镜的位置，调节分束器的位置和角度，使反射到一个半阶梯半平面相位反射镜上的四条激光束位于该半阶梯半平面相位反射镜上对应于每个成像通道的视场中心，且被半阶梯半平面相位反射镜反射的光束沿原路返回；步骤六、将四通道成像镜放置于前置光路中，调节四通道成像镜的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道成像镜的每个成像镜单元的中心位置，并使各成像镜单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道成像镜各成像通道的光轴与激光阵列光轴共线；步骤七、将四通道偏振器放置于四通道成像镜前，通过调节四通道偏振器的位置和角度，使2×2激光阵列的四条激光束入射到四通道偏振器的每个偏振单元的中心位置，并使各偏振单元表面中心位置反射的激光束沿原路返回，保证四通道偏振器各偏振通道的光轴与激光阵列光轴共线；步骤八、将准直镜放置于四通道偏振器前，调节准直镜的位置和角度，使2×2激光阵列在准直镜表面上呈对称分布，且被准直镜表面反射的激光束在激光阵列源平面上也呈对阵分布，保证准直镜的光轴与激光阵列光轴中心共线；步骤九、移除激光阵列，将红外相机放置于分束器之后，调节红外相机的位置，并利用红外相机进行观测，使得其中一个半阶梯半平面相位反射镜能在红外相机的面阵探测器上清晰成像；然后调节另一个半阶梯半平面相位反射镜的纵向平移位置，通过红外相机进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.红外偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜(1)、四通道偏振成像系统、干涉系统、中继成像镜(7)和面阵探测器(8)，其特征是；所述四通道偏振成像系统包括四通道偏振器(2)和四通道成像镜(3)，所述干涉系统包括分束器(4)和两个半阶梯半平面相位反射镜；携带目标偏振图谱信息的入射光经准直镜(1)后出射平行光，所述平行光经四通道偏振器(2)调制为四个不同的偏振状态后在四通道成像镜(3)的像方焦面上形成偏振像场阵列；所述分束器(4)将偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到两个半阶梯半平面相位反射镜上，形成两个相干的偏振像场阵列，所述两个半阶梯半平面相位反射镜分别对偏振像场阵列中各偏振像场单元以空间分布形式进行相位量调制后返回分束器(4)，并经中继成像镜(7)后在面阵探测器上获得四个偏振态的干涉图像；所述两个半阶梯半平面相位反射镜中的一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最高阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递减；另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最低阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递增；设定两个半阶梯半平面相位反射镜的口径相同，均为D×D，每个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域的尺寸为D/2×D，阶梯区域的尺寸为D/2×D；所述两个半阶梯半平面相位反射镜相对于分束器3镜像放置，且其中一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的阶梯区域相对于分束器(3)处于镜像位置，其阶梯区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域相对于分束器(3)处于镜像位置；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...

【技术特征摘要】
1.红外偏振干涉成像光谱仪，包括准直镜(1)、四通道偏振成像系统、干涉系统、中继成像镜(7)和面阵探测器(8)，其特征是；所述四通道偏振成像系统包括四通道偏振器(2)和四通道成像镜(3)，所述干涉系统包括分束器(4)和两个半阶梯半平面相位反射镜；携带目标偏振图谱信息的入射光经准直镜(1)后出射平行光，所述平行光经四通道偏振器(2)调制为四个不同的偏振状态后在四通道成像镜(3)的像方焦面上形成偏振像场阵列；所述分束器(4)将偏振像场阵列进行强度等分后分别投射到两个半阶梯半平面相位反射镜上，形成两个相干的偏振像场阵列，所述两个半阶梯半平面相位反射镜分别对偏振像场阵列中各偏振像场单元以空间分布形式进行相位量调制后返回分束器(4)，并经中继成像镜(7)后在面阵探测器上获得四个偏振态的干涉图像；所述两个半阶梯半平面相位反射镜中的一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最高阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递减；另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域的最低阶梯同高，以其平面区域为基准，阶梯区域以高度差h逐级递增；设定两个半阶梯半平面相位反射镜的口径相同，均为D×D，每个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域的尺寸为D/2×D，阶梯区域的尺寸为D/2×D；所述两个半阶梯半平面相位反射镜相对于分束器3镜像放置，且其中一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的阶梯区域相对于分束器(3)处于镜像位置，其阶梯区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域相对于分束器(3)处于镜像位置；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所述的红外偏振干涉成像光谱仪，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，边槽腐蚀深度等于分束窗最终的厚度；步骤三、第二次光刻，通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜，露出分束窗图形；采用单晶硅各向异性腐蚀液同时腐蚀边槽和分束窗，腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0，分束窗达到最终的厚度；步骤四、去除栅棱表面的掩蔽膜，整体蒸镀分束膜，完成分束器的制备。3.根据权利要求1所述的红外偏振干涉成像光谱仪，其特征在于；当其中一个半阶梯半平面相位反射镜(5)的阶梯区域的最低阶梯与另一个半阶梯半平面相位反射镜(6)的平面区域相对于分束器(3)镜像重合时，该半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与另一个半阶梯半平面相位反射镜(6)的阶梯区域的最高阶梯相对于分束器(4)镜像重合，设半阶梯半平面相位反射镜相邻两个阶梯之间对应的相位差为则两个半阶梯半平面相位反射镜的平面区域与阶梯区域均形成的相位差序列；ν为光波的波数。4.根据权利要求1所述的红外偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，一个半阶梯半平面相位反射镜(5)与另一个半阶梯半平面相位反射镜(6)的各个阶梯单元及平面区域的平面度≤λ/20，表面粗糙度≤3nm。5.根据权利要求1所述的红外偏振干涉成像光谱仪，其特征在于；所述四通道成像镜(3)的四个成像镜通道的视场阵列与两个半阶梯半平面相位反射镜对应的孔径之间为四通道相切相接结构，即四通道成像镜的每个圆形成像视场分别与半阶梯半平面相位反射镜的两条中线相切，同时与半阶梯半平面相位反射镜的角点相接。6.根据权利要求1所述的红外偏振干涉成像光谱仪，其特征在于；所述四通道成像镜(3)的每个成像通道的像方视场为且四通道成像镜(3)的各成像通道位于所述两个半阶梯半平面相位反射镜上的有效干涉区域的有效视场为7.根据权利要求1所述的红外偏振干涉成像光谱仪，其特征在于；四通道成像镜(3)采用像方远心光路结构，由前组成像镜阵列(3-1)、后组成像镜阵列(3-2)和光阑阵列(3-3)组成，且前组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁中翥，陶金，梁静秋，孟德佳，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