紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪

　　1　引言

　　空间调制傅里叶变换光谱仪[1,2]因其不需要机械扫描而倍受人们的关注,与传统傅里叶变换光谱仪的主要区别在于它是以形成等厚条纹的干涉仪和多通道光电探测器为基础的,因此,它兼有光学多通道分析器(OMA)和传统傅里叶光谱仪的优点。具有代表性的仪器是以Sagnac型[3,4]和双折射型[5,6]干涉分光装置为基础,由于它是共光路结构,所以具有高光通量和抗干扰、像差缺陷自补偿能力。最近,人们进一步提出了实体式干涉分光装置[7~9],它不仅结构紧凑,体积和重量大大减小,而且利于克服温度变化、机械振动等环境因素的影响,特别适用于航天遥感、野外现场等恶劣条件下的光谱测量。

　　本文介绍一种光学结构更紧凑的实体Sagnac型空间调制傅里叶光谱仪,其干涉分光装置仅由两块胶合的半五角棱镜组成。值得注意的是它不同于文献[10]提出的双角反射体干涉分光装置,后者属于非共光路、马赫—曾德尔结构,要求很高的棱镜加工和胶合精度。下面首先简要介绍这种光谱仪的结构和原理,然后给出实验结果及结论。

　　2　结构与原理

　　紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪主要由干涉分光系统和干涉图数据采集处理系统组成,如图1所示,文献[11]对其分光原理和性能进行了较详细的分析。光源S经成像透镜L1后成像于棱镜胶合面S′处,该分光系统由两块胶合在一起的半五角棱镜构成,在胶合面处均匀镀有50/50半透半反分束膜BS,而在两侧面M1和M2处镀有反射膜。入射光在BS处分成两束,透过BS的光束先后经M2,M1反射后再次透过BS分束膜,被BS膜反射的光束先后经M1,M2反射后又一次被BS反射,这两束光相互干涉。光源像S′和CCD探测器的光敏面分别位于变换透镜L2的前、后焦平面处,这不仅有利于光束第二次通过胶合面时不受分光膜BS的影响,并且可采用焦距较短的变换透镜,使整个仪器的结构更为紧凑。在CCD靶面上的干涉图光强分布是待测光源光谱的余弦傅里叶变换。在微型计算机PC控制下进行数据采集和A/D转换,并对干涉图作本底噪声扣除等处理,然后对其作离散傅里叶变换便可获得待测光光谱图。

　　由于这种分光装置中两光束走过的光路基本相同,因此对两块半五角棱镜的角度、胶合层劈角等要求的精度不高,加工、装调并不困难。然而,两光束经过分束膜BS的情况截然不同,如上述分析,一束经过两次透射,另一束为两次反射,干涉条纹的调制度M为

　　式中,R和T分别是分束膜的光强反射率和透过率。对分束膜的分束比要求相当严格,否则干涉条纹的调制度会明显下降。

　　考虑到CCD像元的有限大小,必须使分光系统和变换透镜L2与之相匹配。光线关于光源像S′对称地通过胶合棱镜,设棱镜材料的折射率为1.52,经简单计算后,可得该分光系统确定的棱镜入射、出射光束的数值孔径最大可达约0.444,故变换透镜L2的焦距至少应为CCD宽度的2.25倍。两干涉光束之间的错位量为