一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置。包括第一准直模块、第一色散模块、数字微镜阵列DMD、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散系统及探测器；第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，面平行光沿数字微镜阵列DMD行或列方向色散，数字微镜阵列DMD将色散光束进行切割，第一聚光模块将数字微镜阵列DMD的反射光束进行汇聚经第二准直模块准直后进入干涉模块；光压缩模块将干涉条纹压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散系统，进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。在避免交叉色散引起的条纹弯曲和对比度下降等问题的同时实现了探测系统的光谱展宽。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置
本技术属于天文光学观测领域，特别涉及一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置。
技术介绍
复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱，简称光谱。光谱测量作为获取物质信息的重要手段，应用范围涵盖了高能物理、天文、环境、大气物理、海洋科学、生命科学、化工以及材料、农业科学等多个领域。干涉光谱测量技术是一种将光学干涉测量技术和光谱技术相结合得测量方法，被广泛应用于系外恒星特征探测，系外行星探测，宇宙微弱信号检测，大气中高层风场等领域，用于多普勒频移信号的测量。多普勒信号的测量主要通过视向速度法，目前，实现该方法的方式有两种。第一，通过高精度阶梯光栅和棱镜结合的交叉色散方法，直接测量目标的光谱频移，获得目标的视向速度。另一种是干涉和色散结合的色散固定延迟干涉测量方法，通过测量信号干涉条纹的相位变化，间接测量目标的视向速度。但目前高精度阶梯光栅交叉色散的方法，存在能量利用效率低，信噪比较低；高精度探测对环境的要求极度苛刻，观测费用高昂；只能单一目标观测，效率低下；设备研制技术复杂，费用昂贵，难以复制等缺点。色散固定延迟技术弥补了上述缺点，最早的色散固定延迟技术方案通过迈克尔逊干涉仪和中、低分辨阶梯光栅交叉色散的方案实现。其中交叉色散主要解决光谱展宽和分辨率的问题。但由于交叉色散方向和光谱干涉条纹分布方向一致，从而引入了条纹弯曲，干涉条纹对比度下降等问题。使得系统的探测精度降低。之后，基于色散固定延迟技术，通过使用Sagnac干涉仪和Dyson色散模块结合的相干色散探测方式，优化了上述方案中存在的系统抗环境干扰能力差，能量损失等问题，并且能够实现多目标观测。但该方案只使用一次色散，光谱范围和分辨率受到探测器像元数的限制。从而影响了系统的探测精度和可探测目标的群体范围。目前采用像切分器的方案可以实现光谱展宽，通过像切分器中不同反射平面的反射角度不同，对色散的光谱段进行分割。理论上，在光学设计中认为像切分器的各个反射面近似在同一像平面，但实际情况下，各个反射平面不完全处于同一平面，，越靠近像切分器反射面两端，各平面和理论中心平面的差距越大。这种情况导致在多目标观测模式中，部分目标观测结果的误差较大。
技术实现思路
本技术的目的是提出一种基于空间光调制器DMD的光谱展宽装置。在避免交叉色散引起的条纹弯曲和对比度下降等问题的同时实现了探测系统的光谱展宽，并且解决了像切分器展宽方法在多目标探测情况下，光谱窄带切分时反射面不在同一像平面的问题。数字微镜阵列DMD是一种空间光学调制器件，是多个微小的反射镜片和数字电路集成的MEMOS器件，能够通过数字电路控制各个微小镜片进行不同角度的偏转。其通常用于电子投影设备中，或用于光场调控仪器，用于光路开关。相比像切分器，数字微镜阵列DMD的各个镜片的旋转轴位于同一平面，使得其对同一像面光的调制能力更加优秀。并且其反射角度能够实现8bit控制，调节精度高，可操控性强。本技术采用的技术方案是提供一种基于空间光调制器DMD的光谱展宽装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的第一色散系统、数字微镜阵列DMD、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散系统及探测器；上述第一色散系统包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿探测器行像元或列像元方向色散，色散光束传播至数字微镜阵列DMD，数字微镜阵列DMD将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向且反射光束均位于同一平面；第一聚光模块将像数字微镜阵列DMD的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入干涉模块获得垂直于第一色散模块色散方向的干涉条纹；光压缩模块将干涉模块出射的干涉条纹沿探测器行像元或列像元方向压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散系统，第二色散系统将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。优选地，在第一色散模块与数字微镜阵列DMD之间还可以包括汇聚镜，上述汇聚镜用于对第一色散模块的光束按照不同谱段进行汇聚。优选地，上述第二色散系统可以包括沿光路依次设置的第二色散模块及第二聚光模块；第二色散模块将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散进入第二聚光模块汇聚后，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。优选地，上述第二色散系统还可以为曲面光栅。优选地，第一色散模块与第二色散模块均为光栅或棱镜，也可以用其他一维色散元件代替，第二色散模块的分辨率大于第一色散模块的分辨率。优选地，上述第一聚光模块为凸透镜或者凸透镜组，将不同角度的入射平行光汇聚在不同空间位置。优选地，上述第二准直模块为微小透镜组，将不同谱段的光进行准直；上述光压缩模块为柱面镜，将干涉图沿光谱色散方向压缩。优选地，上述干涉模块为Sagnac干涉仪、迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德干涉仪等干涉仪器。本技术还公开了一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽方法，包括以下步骤：步骤一：将目标光准直后色散至数字微镜阵列DMD行单元或列单元上，DMD的行或列与探测器行或列的方向一致；步骤二：利用数字微镜阵列DMD将沿数字微镜阵列DMD行单元或列单元上色散的光谱按照不同谱段反射至同一平面的不同位置；步骤三：将步骤二中反射光束准直后进入干涉模块获得干涉条纹；步骤四：将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩；步骤五：将步骤四中压缩后的干涉条纹沿探测器行像元方向或列像元方向进行二次色散，获得高分辨光谱干涉条纹。优选地，上述目标为单个或多个点光源。本技术的有益效果是：1、实现了在探测器像元受限情况下的光谱展宽；光栅对目标光谱色散时，在探测器行或列像元数目确定的情况下，光谱分辨率和光谱色散范围成反比，无法实现高分辨率宽谱段光谱测量。本技术所采用的方法首先通过光栅或棱镜将目标色散至数字微镜阵列DMD上，再通过数字微镜阵列DMD将沿行或列色散的光谱反射至同一平面的不同位置，使得不同谱段被排列在探测器不同行或列上，再通过高分辨率色散元件对位于同一平面不同行或列的窄带光谱沿行或列的方向进行二次色散，获得宽谱段高分辨率光谱谱线。2、探测器像元的利用率高；数字微镜阵列DMD具有十分优秀的光路调制能力，其每个镜片的角度控制为8bit，角度偏转范围最大为12°，使得多目标成像中，能够通过调节对窄带光谱的反射角度，使得不同窄带光谱干涉条纹在探测器上的分布更加紧凑，增加了探测器像元的利用率。3、便于小型化和轻量化；相比像切分器，数字微镜阵列具有更小的尺寸和更加轻的质量，有利于光路的小型化和轻量化。4、能够优化成像质量相比像切分器，数字微镜阵列DMD具有更好的操控性，通过调节数字微镜阵列DMD的反射角度能够实现对系统成像的质量优化。5、技术成熟、成本低像切分器是一种专用器件，无批量生产，因此要进行光谱展宽需要根据指标要求进行设计研制，价格高，周期长。而数字微镜阵列DMD是批量化产品，相对而言，价格较低，并且采购周期短。另外，DMD的反射角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的第一色散系统、数字微镜阵列DMD、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散系统及探测器；所述第一色散系统包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿数字微镜阵列DMD行或列方向色散，色散光束传播至数字微镜阵列DMD，数字微镜阵列DMD将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向且反射光束均位于同一平面；第一聚光模块将像数字微镜阵列DMD的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入干涉模块获得垂直于第一色散模块色散方向的干涉条纹；光压缩模块将干涉模块出射的干涉条纹沿探测器行像元或列像元方向压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散系统，第二色散系统将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的第一色散系统、数字微镜阵列DMD、第一聚光模块、第二准直模块、干涉模块、光压缩模块、第三准直模块、第二色散系统及探测器；所述第一色散系统包括沿光路依次设置的第一准直模块及第一色散模块；第一准直模块将点目标扩展为面平行光进入第一色散模块进行分光，第一色散模块将面平行光沿数字微镜阵列DMD行或列方向色散，色散光束传播至数字微镜阵列DMD，数字微镜阵列DMD将色散光束进行切割，使不同谱段沿不同角度反射，反射方向垂直于第一色散模块色散方向且反射光束均位于同一平面；第一聚光模块将像数字微镜阵列DMD的反射光束进行汇聚后进入第二准直模块进行准直，获得不同谱段的平行光束；不同谱段的平行光束进入干涉模块获得垂直于第一色散模块色散方向的干涉条纹；光压缩模块将干涉模块出射的干涉条纹沿探测器行像元或列像元方向压缩后通过第三准直模块准直后进入第二色散系统，第二色散系统将平行光沿探测器行像元或列像元方向进行二次色散，在探测器不同区域上获得各个谱段的干涉条纹。2.根据权利要求1所述的基于数字微镜阵列DMD的光谱展宽装置，其特征在于：在第一色散模块与数字微镜阵列DMD之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：严强强，魏儒义，吴银花，李海巍，陈莎莎，于建东，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61