转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪ROSI

　　0　引言

　　光谱成像技术是光学探测技术的一个新的发展,光谱成像仪同时具备成像仪和光谱仪的功能,能够同时获得目标的两维或三维空间信息以及目标可分辨单元的光谱信息.

　　较早出现的光谱成像仪大多基于色散棱镜或衍射光栅,具有原理简单、性能稳定的优点,但探测灵敏度低的弱点阻碍着它们的进一步发展,对高灵敏度探测器的依赖和对光学系统的苛刻要求成为此类技术的瓶颈.

　　在光谱成像仪的发展过程中,出现了干涉光谱成像仪.经典的干涉光谱成像仪基于Michelson干涉仪[1],光路中没有狭缝限制,其能量利用率大约比色散型成像光谱仪高两个数量级[2].这种光谱成像仪被称作时间调制干涉光谱成像仪,由于对精密动镜系统运动过程中镜面的倾斜或横移等具有很高的要求[3,4],使系统的稳定度大大降低.

　　为了回避精密动镜系统稳定性的难题,人们又提出了空间调制干涉光谱成像仪[5~7],这种光谱成像仪的光路中也设置狭缝,其探测灵敏度不高,但与色散型光谱成像仪相比,由于其狭缝的宽度与光谱分辨率无关,因此,在空间分辨率不高的应用条件下,空间调制干涉光谱成像仪也具有较高的灵敏度.

　　本文提出转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪ROSI,采用转镜代替直线运动或摆动的精密动镜机构,具有较高的系统稳定性、探测灵敏度和探测速度.

　　1　高灵敏度干涉光谱成像仪及其主要缺陷

　　1.1　大孔径静态干涉光谱成像仪LASIS

　　文献[3]提出了大孔径静态干涉光谱成像仪LASIS原理,如图1.

　　LASIS实际上是在一个普通照相系统的平行光路中加入横切分束器实现的.横向剪切分束器使像面上得到的不再是目标的直接像,而是目标的像面干涉图像,如图2.

　　像面干涉图像与直接图像的主要区别是,其像面经干涉调制,能量重新分布,形成了强弱相间的干涉条纹.LASIS工作时沿垂直于干涉条纹的方向逐行推扫,获得许多冗余像面干涉图像,这些干涉图像经必要的处理,便可得到目标的两维空间信息和一维光谱信息.已研制成功LASIS工程样机并得到了较好的实验结果.

　　LASIS的主要优点是系统无运动部件(高稳定性)、探测灵敏度高,但是,为了获得准确的干涉图,从而获得准确的光谱,LASIS对目标扫描成像时,对搭载平台的稳定性要求很高.

　　1.2　高通量干涉光谱成像仪HEIFTS

　　文献[8]提出的高通量干涉光谱成像仪与LASIS的原理相似,包括分光原理、像面干涉图像、光谱复原算法等·不同之处是将横向剪切干涉仪置于成像镜之后的会聚光路中,这样,系统的体积大大减小,如图3,图中采用了马赫2曾德干涉仪.