基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪的制作方法

文档序号:14726913发布日期:2018-06-19 11:15阅读:来源:国知局
技术特征:

1.基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,包括准直镜(1)、微成像镜阵列(2)、分束器(3)、横向阶梯相位反射镜(4)、纵向阶梯相位反射镜(5)、中继成像镜(6)和面阵探测器(7);

携带目标图像和光谱信息的入射光场经准直镜(1)被准直为平行光束,微成像镜阵列(2)将平行光束分割形成多个独立并行的成像通道,在其像方焦面上形成阵列成像;

分束器(3)将阵列成像的像场进行强度等分后分别投射到横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)上,所述横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)分别对像场进行相位调制后再次经分束器发生干涉并形成多个并行的干涉通道;所述成像通道与干涉通道一一对应,所述成像通道的光场在各干涉通道中并行传输,所述中继成像镜(6)将各干涉通道中的成像光场耦合至面阵探测器(8)形成干涉图像阵列;

其特征是;

设定横向阶梯相位反射镜和纵向阶梯相位反射镜(5)中各行反射镜单元的宽度为a,每个干涉通道(9)的孔径为a×a,微成像镜阵列中每个成像镜单元的像方视场与对应的干涉通道的孔径呈内切结构;

横向阶梯相位反射镜有M个行反射镜单元,纵向阶梯相位反射镜有N个列反射镜单元,微成像镜阵列(2)的每个成像镜单元的像方视场为Φ1,且微成像镜单元的数目为M×N;每个成像单元的像方视场Φ1与阶梯相位反射镜的宽度a之间的关系为Φ1=a;

横向阶梯相位反射镜4的阶梯厚度增量为h,则纵向阶梯相位反射镜的阶梯厚度增量为Mh,横向阶梯相位反射镜(4)的第m0个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的第n0个列反射镜单元相对于分束器镜像重合,第(m,n)个干涉通道所对应的相位差为4πν(nM-m-n0M+m0)h;则微成像镜阵列(2)每个成像镜单元的焦深Z满足Z≥max{m0h,(M-1-m0)h,n0Mh,(N-1-n0)Mh};ν为光波的波数;

设定微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的像方数值孔径为NA1,中继成像镜(6)的物方数值孔径为NA2,则中继成像镜的物方数值孔径满足NA2=NA1;

所述中继成像镜6的物方视场为Φ2,则中继成像镜(6)的物方视场Φ2与阶梯相位反射镜的宽度a和级数之间的关系满足

所述分束器(3)为带有栅棱结构的轻型分束器由栅棱、分束窗和分束膜组成,所述栅棱对分束器进行空间分割形成分束窗阵列,分束膜位于分束窗上表面或分束窗和栅棱的上表面,栅棱对分束膜起支撑作用;

栅网分束器中的栅棱在横向的宽度是其纵向宽度的倍,分束窗在横向的宽度是其纵向宽度的倍,分束窗在横向和纵向的占空比相同;

所述栅网分束器中的栅棱宽度范围为1nm-100cm,分束窗宽度范围为1nm-100cm;栅棱厚度范围为1nm-100cm,分束窗厚度范围为1nm-100cm;

所述栅网分束器中的栅棱的剖面结构为单面矩形、单面平行四边形、单面梯形、双面矩形、双面平行四边形或双面梯形。

2.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于;采用超精密机械加工方法和MOEMS技术实现分束器的制备;

采用超精密机械加工方法制备过程为:在基底上通过一体切割、研磨及抛光技术获得栅棱和分束窗,再整体蒸镀分束膜,完成器件制备;

采用MOEMS技术实现分束器的制备由以下步骤实现:

步骤一、选取单晶硅作为基底,并在所述单晶硅表面制备掩蔽膜;

步骤二、定向光刻,通过刻蚀法去除边槽图形内的掩蔽膜,露出边槽图形;采用单晶硅各向异性腐蚀液腐蚀边槽,边槽腐蚀深度等于分束窗最终的厚度;

步骤三、第二次光刻,通过刻蚀去除分束窗图形内的掩蔽膜,露出分束窗图形;采用单晶硅各向异性腐蚀液同时腐蚀边槽和分束窗,腐蚀深度至边槽腐蚀到厚度为0,分束窗达到最终的厚度;

步骤四、去除栅棱表面的掩蔽膜,整体蒸镀分束膜,完成分束器的制备。

3.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于;

微成像镜阵列(2)将入射光场分割成多个并行的成像通道,横向阶梯相位反射镜(4)与纵向阶梯相位反射镜(5)将入射光场分割为多个并行的干涉通道,每一个成像通道的像方视场对应于横向阶梯相位反射镜的一个行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜的一个列反射镜单元交互形成的交叠的方形区域,使成像通道与干涉通道一一对应。

4.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于;

微成像镜阵列(2)采用多重像方远心光路结构,使各成像通道所对应的成像光束的主光线与两个阶梯相位反射镜的反射面保持正入射关系,所述中继成像镜(6)采用物方远心光路结构,中继成像镜(6)与红外面阵探测器(7)的冷屏光阑相匹配,将中继成像镜(6)的像方焦面设置于红外面阵探测器(7)的冷屏光阑位置,中继成像镜(6)的物方数值孔径与微成像镜阵列(2)中各成像镜单元的的像方数值孔径相匹配,中继成像镜(6)出射光瞳与红外面阵探测器的冷屏光阑相匹配。

5.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,

其特征在于,所述微成像镜阵列(2)由前组微成像镜阵列(2-1)、后组微成像镜阵列(2-2)和光阑阵列(2-3)组成,且前组微成像镜阵列(2-1)的每个微成像镜单元位于后组微成像镜阵列(2-2)对应微成像镜单元的物方焦面上,光阑阵列(2-3)位于前组微成像镜阵列(2-1)的各个微成像镜单元前,且光阑阵列位置(2-3)为准直镜(1)的出射光瞳位置。

6.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于,横向阶梯相位反射镜(4)的某一行反射镜单元与纵向阶梯相位反射镜(5)的某一列反射镜单元相对于分束器(3)镜像重合,且具有不同的厚度分布。阶梯相位反射镜由多个反射镜单元组成,每一个反射镜单元对应一个厚度值,不同厚度的反射镜单元顺序排列成阶梯结构。

7.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于,阶梯相位反射镜各个反射镜单元的平面度要求≤λ/20,表面粗糙度要求≤3nm,反射镜单元厚度h≤λ/4。

8.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于;准直镜的出射光瞳位置位于微成像镜阵列上,横向阶梯相位反射镜(4)和纵向阶梯相位反射镜(5)位于微成像镜阵列的像方焦面上,同时,所述横向阶梯相位反射镜与纵向阶梯相位反射镜相对于分束器处于镜像位置,且阶梯方向互相正交。

9.根据权利要求1所述的基于微成像镜阵列与阶梯相位反射镜的快照成像光谱仪,其特征在于;

干涉图像阵列中含有M×N个干涉图像单元,设每一个干涉图像单元由p×p个像素接收,则面阵探测器共需要pM×pN个像元。对于获得的具有pM×pN个像元的干涉图像阵列,需要将其进行图像分割,形成M×N个像元数为p×p的图像单元,然后将其排列为p×p×(M×N)的干涉图像三维数据立方;将p×p平面上的各个物点沿着第三维方向作离散傅里叶变换,便可以获取p×p×(M×N)的图谱三维数据立方体。

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