CN102175322B - 基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，可使用线阵探测器。包括接收光学***、色散元件、成像镜、光栅平动式光调制器阵列、会聚镜、探测器；目标物的辐射信息通过所述接收光学***按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程光栅平动式光调制器线阵上，通过对光栅平动式光调制器线阵编程逐行驱动，使不同波长的光分时顺序通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过数据合成得到目标物的空间维信息和光谱维信息。该光谱仪具有体积小、重量轻、价格便宜、速度快、分辨率高的优点，可广泛用于航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事目标的搜索与跟踪等领域。

Description

基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种成像光谱仪，更具体的说，本发明涉及一种基于微光机电***制造的光栅平动式光调制器面阵的成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术就是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息。通常使用的成像光谱仪主要探测目标的两维空间与一维光谱信息，形成数据立方体。要想获得三维的数据，必须采用扫描技术或多通道探测技术。按穿轨成像方式分类，扫描型成像光谱仪又可分为光机扫描成像和推帚式成像。光机扫描成像通过扫描镜的机械运动使一个扫描行上各瞬时视场对应的目标辐射能量顺序通过光学***进入探测器。推帚式成像对每条扫描行一次凝视成像。对于高光谱成像，前者的探测器采用线列器件，后者采用面阵器件。由于面阵焦平面器件加工工艺和成本的影响，推帚式高光谱成像的发展应用受到制约。

能否用一种器件对面阵器件所接收的信息的光谱维进行压缩，使得在推帚式成像光谱仪中可以用低成本、多像素、高分辨率的线阵探测器来提高信号质量，成为研究热点。常用的方法是使用空间光调制器。大致可以分为以下几类：传统机械移动和旋转型调制器；液晶空间光调制器；MOEMS(微光机电***)光调制器。

传统机械移动和旋转式型调制器的优点是，接近理想的开和关的状态，而且杂散光的水平较低。但是它需要作间歇式的连续运动，导致运动部件容易产生机械疲劳、对准误差和不稳定，速度相对较低。液晶空间光调制器避免了机械可动部件产生的不良影响，但它的开关切换速度仍然较慢，对光的调制不能做到全开和全关，而且液晶的吸收光谱限制了其在可见光和近红外谱带的应用。使用新兴的微光机电***MOEMS技术制造的光调制器具有体积小、编程灵活、扫描速度快、便于集成等突出优点。它克服了传统机械式调制器的振动和磨损容易引入误差的缺点，对光的调制速度、带宽和效率又明显优于液晶空间光调制器，是近年来的研究热点。如德州仪器公司生产的DMD就是典型代表。但是,DMD的微镜之间的间隙使得该模版在光学调制效果上产生了衍射杂散光的干扰，不能够达到理想光调制效果。

能否对传统推帚式成像光谱仪中面阵探测器件所接收的信息的光谱维进行压缩，使得可以用低成本、多像素、高分辨率的线阵探测器件来提高信号质量，而且即没有传统机械式成像光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，这成为我们发明基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪的初衷。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、价格便宜的成像光谱仪，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点；以光栅平动式光调制器GMLM为其光路选通元件，避免传统机械式成像光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS成像光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，实现高效率的光调制。

本发明的技术方案如下：

一种基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，包括接收光学***、色散元件、成像镜、光栅平动式光调制器阵列、会聚镜、探测器。所述色散元件设置于接收光学***的出射光路；成像镜、光栅平动式光调制器阵列依次设置于色散元件的出射光路上；会聚镜、探测器依次设置于光栅平动式光调制器阵列的出射光路。目标物的辐射信息通过所述接收光学***按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程光栅平动式光调制器线阵上，通过对光栅平动式光调制器线阵编程逐行驱动，使不同波长的光分时顺序通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过数据合成得到目标物的空间维信息和光谱维信息。

本成像光谱仪的接收光学***通过折射或反射形式接收以推帚工作模式获得的目标的辐射信息，并逐行准直到色散元件上。接收光学***优选牛顿式、卡塞格林式或里奇－克莱琴式反射望远镜方式构成，以避免色像差的影响。

本发明所述的色散元件为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。本发明所述的成像镜和会聚镜为反射式或透射式镜子。

本发明使用的光栅平动式光调制器是申请人前期研究的MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8），将其作为光谱调制的核心器件，采用衍射原理对入射光进行相位调制。由于它是采用MOEMS技术制造的微型器件，加之光栅设计的独特结构和衍射原理，当多个光栅光调制器单元构成线阵时，既没有传统机械式光调制器由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且在光栅衍射方向上没有DMD那样由于单元间隙造成的光学干扰。当光栅平动式光调制器线阵分时选通光谱带的不同光谱时，只要对其阵列中的每个单元像素进行独立的电压驱动即可。这个方案可以实现对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器为线阵探测器。这样就降低了传统推帚式成像光谱仪的探测器面阵的成本，在保证大的信噪比的同时又可以进一步使用多像素高分辨率的线阵探测器来提高成像光谱仪信号质量。

本发明的优点是：

1、光谱仪采用新型的MOEMS光栅平动式光调制器线阵，克服了传统机械式光调制器由于振动和磨损引入的误差的缺点，在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且在光栅衍射方向上没有DMD那样由于单元间隙造成的光学干扰。

2、新型器件的采用使得光谱仪整体体积小、重量轻。

3、新型成像光谱由于采用MOEMS光栅平动式光调制器线阵，降低了探测器的维数，使得采用成本更低、性能更好的线阵探测器进一步提高成像光谱仪的光谱分辨率和信号质量成为可能，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点。

4、采用MOEMS光栅平动式光调制器GMLM（Grating Moving Light Modulator，专利号ZL200510020186.8）作为光谱调制的核心器件，它具有加工简单，响应速度快，成本低、光调制效率高的优点，用它的多个单元组成的线阵做为光谱维信息的压缩器件，可以较好的避免上述光调制器带来的问题。

这种成像光谱仪可广泛用于航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事目标的搜索与跟踪等领域。

附图说明

图1是本发明的基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪结构图；

图2是单像素光栅平动式光调制器结构图；

图3是光栅平动式光调制器构成的线阵结构图；

图4是采用光栅平动式光调制器线阵实现光谱面信息空间调制的原理图。

图中：1.目标物，2.接收光学***，3.色散元件，4.成像镜，5.光栅平动式光调制器线阵，6.会聚镜，7.探测器，21.硅衬底，22.氧化物，23.绝缘层，24.负电极，25.底层反射面，26.顶层反射面、27、悬臂梁，28.偏压施加装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1显示了本发明的基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪结构。其中，目标物1的辐射信息通过接收光学***2按不同时间顺序逐行成像在色散元件3上，经色散元件3分光后再经过成像镜4成像到可编程光栅平动式光调制器线阵5上。通过对光栅平动式光调制器线阵5编程逐行驱动，使不同波长的光分时顺序通过，并经过会聚镜6会聚到探测器7上，最后对数据合成得到目标物的空间维信息和光谱维信息。

图2显示了本发明的单像素的光栅平动式光调制器结构。其中，在硅衬底21上淀积生长一层氧化物22，再淀积刻蚀绝缘层23、负电极24，镀上底层反射面25，通过淀积牺牲层，溅射金属，形成顶层反射面26，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为正电极，最后释放牺牲层就可以得到如图2所示结构。入射光线实际上接受到了顶层光栅和镂空的底层光栅的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过偏压施加装置28来调节。顶面反射层26通过四根旋转对称的悬臂梁27支撑，悬臂梁27共四根，通过立柱支撑于硅基底21上，并且平行于四方形调制器的四边布置，与顶层反射面在垂直方向上保持一定间隙，并且通过悬臂梁顶端向上的立柱与其上方的顶层反射面相连接。即达到了为顶层反射面26提供柔性支撑的效果，又使得顶层反射面26中心的有效光栅面积足够大。当上下反射面没有施加电压时，上下反射面距离为nλ/2（λ为入射光波长，n为正整数），此时相位差为0，±1的能量几乎为0，衍射能量集中在0级，光栅光调制器相当于一个反射镜。当上下反射面之间施加了一定的电压差使得可动光栅在静电吸引力的作用下下拉λ/4距离，上下反射面距离为(2n-1)λ/4，此时光栅光调制器相当于一个矩形槽相位光栅，相位差为л，理想情况下约81％衍射能量集中在±1级，而0级能量几乎为0。这样在0级或±1级放置会聚镜6，入射光随着光调制器的驱动电压不同，实现“开”和“关”的状态，也就是到达或者不能到达探测器7的状态。

图3是以图2所示结构的单像素光栅平动式光调制器形成的线阵。由于矩形槽相位光栅的光学衍射原理，单元像素之间的间隙也通过覆盖其上的底层反射面25和顶层反射面光栅26一起充当有效光学衍射区域的一部分，所以在光学衍射方向上形成完全无缝的光学调制效果，有效地避免了DMD的反射镜式光调制器单元像素间隙造成的光学干扰。

采用光栅平动式光调制器线阵5实现被色散元件分光后的光谱面的空间调制，如图4所示，每个像素对应一个光通道。像素状态为“开”时，经过该光通道的光可以通过后续光路达到探测器件；像素状态为“关”时，经过该光通道的光不能达到探测器件，被衍射到了其他空间位置。这样按照被色散元件分光后的对应光谱位置编程驱动依次打开光栅平动式光调制器线阵5中的像素，使得光谱信息中的各波长成分分时到达探测器7，则用光栅平动式光调制器线阵5可以实现光谱维信息的压缩，达到降低探测器维数的目的。

Claims (4)

1.一种基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，其特征在于：它由接收光学***（2）、色散元件（3）、成像镜（4）、光栅平动式光调制器阵列（5）、会聚镜（6）、探测器（7）组成；所述色散元件（3）设置于接收光学***（2）的出射光路上；成像镜（4）、光栅平动式光调制器阵列（5）依次设置于色散元件（3）的出射光路上；会聚镜（6）、探测器（7）依次设置于光栅平动式光调制器阵列（5）的出射光路上；目标物的辐射信息通过所述接收光学***（2）按时间顺序逐行成像在色散元件（3）上，经色散元件（3）分光后再经过成像镜（4）成像到可编程光栅平动式光调制器阵列（5）上，通过对光栅平动式光调制器阵列（5）编程驱动，使不同波长的光顺序通过，并经过会聚镜（6）会聚到探测器（7）上，最后通过数据处理得到目标物的空间维信息和光谱维信息；光栅平动式光调制器阵列（5）为线阵，光栅平动式光调制器阵列（5）的每个像素单元对应一个光通道，像素状态为“开”时，经过该光通道的光可以通过后续光路达到探测器件；像素状态为“关”时，经过该光通道的光不能达到探测器件，被衍射到其他空间位置，按照被色散元件（3）分光后的对应光谱位置进行逐个加电压编程驱动，依次打开光栅平动式光调制器阵列（5）中的像素，使得光谱信息中的各波长成分分时到达探测器（7），实现对目标物的光谱维信息进行分时选通，对应探测器（7）为线阵探测器。

2.根据权利要求1所述的基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，其特征在于：所述接收光学***（2）优选由牛顿式、卡塞格林式或里奇－克莱琴式反射望远镜方式构成。

3.根据权利要求1所述的基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，其特征在于：所述色散元件（3）为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。

4.根据权利要求1所述的基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，其特征在于：所述成像镜(4)和会聚镜(6)为反射式或透射式镜子。

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