采用Wollaston棱镜的空间调制干涉成像光谱仪

    0 引 言

    自 20 世纪 80 年代初美国喷气推进实验室(JPL)提出光谱成像仪新概念后， 遥感技术正在发生革命性飞跃。 光谱成像技术将成像技术和光谱技术相结合，是一种将光学、光谱学、精密机械、电子技术以及计算机技术融于一体的新型遥感技术。 由于光谱成像技术能够同时获得影像信息与像元的光谱信息的，因此在大气、海洋陆地观测、军事侦察等领域得到广泛的应用^[1-5]。

    成像光谱技术从原理上讲分为色散型和干涉型两类，色散型成像光谱仪是利用色散元件（光栅或棱镜）将复色光色散，分成序列谱线，然后再用探测器测量每一谱线元的强度。 干涉型成像光谱仪是同时测量所有谱线元的干涉强度， 对干涉图进行逆傅里叶变换而得到目标的光谱图。 色散型成像光谱仪的光谱分辨率、空间分辨率受狭缝宽度的制约，限制了进入系统的能量。 干涉型成像光谱仪较色散型光谱仪具有高通量、多通道等优点。干涉成像光谱仪分时间调制和空间调制干涉成像光谱仪， 时间调制干涉成像光谱仪需要高精度的动镜驱动系统， 且实时性不好。 空间调制干涉成像光谱仪分为基于变形的Sgnac 干涉仪为分光元件的成像光谱仪和采用双折射晶体为分光元件的成像光谱仪^[6-7]， 与时间调制干涉型相比，空间调制干涉型降低了研制的成本，保留了动镜扫描干涉成像光谱仪的主要优点， 使用波段宽、抗振动能力强、体积小、重量轻、性能稳定和实时性好。 与 Sagnac 型相比，基于双折射晶体的干涉成像光谱仪更加小型化、费用更低、稳定性更好、能量利用率高， 并解决了航天遥感器中普遍存在的探测器对不同偏振度的偏振光影响效率不同的缺点^[8]。

    由于双折射晶体分光系统的参数设计直接关系到光谱仪性能的优劣，文中以 Wollaston 分光棱镜为例对其分光原理进行深入分析和模拟计算， 希望能为研制可应用于航天遥感的空间调制干涉光谱仪的设计和应用提供理论依据。

    1 Wollaston 棱镜分光原理

    Wollaston 棱镜偏振干涉仪的原理如图 1 所示 ，首先入射光束通过起偏器成为某一偏振方向的线偏振光，进入 Wollaston 棱镜，由于棱镜的双折射特性，将光束 分开成两个偏振方 向 相 互 垂 直 的 o 光 和 e光，这两束光经由第二片 Wollaston 棱镜后，再经过检偏器将振动方向调整一致， 在像方某一位置产生空间分布的干涉条纹， 然后将空间分布的干涉条纹利用线阵 CCD 进行探测，得到干涉光强分布，进行快速傅里叶逆变换后获得入射光谱分布。

光和 o 光在后半块棱镜中相对入射光的偏折角，α₁，α₂分别为 e 光和 o 光出射后相对入射光的偏折角，即 e 光和 o 光的分束角。 α₁、α₂可分别表示为^[9]：