Sagnac棱镜对旋对光谱仪光谱分辨率影响的校正方法

　　1　引　　言

　　干涉成像光谱技术是当今可见光和红外遥感器探测技术的前沿科学,是成像技术与光谱技术的有机结合,具有多通道、高通量、高信噪比、测量快速、方便的优点[1],目前它已成为人们研究和获取目标三维信息(二维空间信息和一维光谱信息)的重要手段和前沿学科。其中基于Sagnac棱镜的三角共路型静态干涉成像光谱技术由于其稳定的结构特性[2]、优异的抗干扰性能、极高的光谱分辨率和很宽的光谱响应范围,已经成为静态成像光谱技术中的典型代表[3]。Sagnac棱镜作为该类干涉成像光谱仪的核心部件,其各项结构参数如折射率均匀性、加工面型误差、装配误差等都会对仪器的光谱分辨率造成影响,因此如何校正由其装配误差而引起的光谱测量误差,就显得尤为重要。在Sagnac棱镜的制造和装配过程中,由其双棱镜的结构特点决定[4],最容易引起的误差即为两半五角棱镜的对旋误差,因此将对此作重点讨论。

　　2　Sagnac棱镜的工作原理

　　图1所示为Sagnac型干涉成像光谱仪的原理图,其系统结构由前置光学系统,狭缝,Sagnac棱镜,傅里叶变换透镜,柱面镜和CCD接收靶面组成。其中狭缝处于前置光学系统的后焦面上,同时位于傅里叶透镜的前焦面上,而傅里叶透镜的出瞳面、柱面镜的焦面和CCD靶面三者位置重合。在工作状态时,从被测物体发出的光线经由前置光学系统后在狭缝上聚焦形成一次像面,该一次像发出的光线进入Sagnac棱镜后被分成两束相同的光线,经傅里叶透镜准直后成为平行光,再经柱面镜聚焦后即可在CCD靶面上形成干涉条纹,通过对干涉条纹进行一系列的处理就可以得到被测物体的光谱。

　　图2即为Sagnac棱镜的原理示意图,该棱镜由两块半五角棱镜胶合而成,在胶合面BG上镀有半透半反膜,为分束面。由图可以很容易看出,若上半五角棱镜和下半五角棱镜尺寸完全相同,则在分束面反射的光线2经过CD面的反射后和透射的光线6将在J点相交,这样棱镜将只起到光路折转的作用。为了让棱镜同时实现分束的作用,将下半五角棱镜的反射面增加偏移量L,破坏棱镜关于分束面的对称结构,这样,在分束面反射的光线和透射光线经棱镜反射面反射后将分别交于下半五角棱镜反射面的F点和E点,即可实现对光线的分束,出射的两束光线5和8具有完全相同的性质。若将狭缝看成光源,则该光源发出的光线经Sagnac棱镜后,被剪切成两个完全一样的虚光源,这两个虚光源之间的距离d称为Sagnac棱镜的剪切量,如图3所示,而下半五角棱镜的结构偏移L成为Sagnac棱镜的偏移量。

　　式中R为目标物体的反射率,T为目标物体的透射率,σ为波数,B0(σ)为对应像元的相对光谱强度,Δ为Sagnac棱镜的两束出射光的光程差,f′为傅里叶透镜的焦距。