高通量傅里叶变换成像光谱仪调制度分析

　　0　引言

　　传统的傅里叶变换成像光谱仪采用迈克尔逊干涉仪或其它类似的干涉仪作为分光器件,光的干涉通过动镜的扫描来实现.但由于采用动镜扫描带来的难以克服的加工困难和稳定性差等缺点,80年代后期以来又发展了以静态迈克尔逊干涉仪为代表的无动镜干涉成像光谱技术[1].90年代后期在此基础上又提出了大孔径静态干涉成像光谱仪(LASIS)的概念[2,3].

　　本文基于文献[4]高通量傅里变换叶成像光谱仪(HEIFTS),分析了干涉系统的光学原理,提出了改进型Mach2Zehnder像面干涉仪的设计方案,定量分析了像面与探测器平面之间的横向和纵向偏差及CCD单元尺寸等因素对光谱仪调制度的影响.进而论证了该光谱仪用于航天领域的可行性.

　　1　HEIFTS干涉系统原理

　　图1为HEIFTS的结构原理图[5],HEIFTS其实就是在普通的光学成像系统中间加上一个像面干涉仪,从而使得原来成像于一点的光线分束,进而分别成像于两点.通过两个像点之间的干涉,得到目标物体的干涉图,从而获得光谱.

　　2　Mach2Zehnder干涉仪原理及光程差分析

　　2.1　Mach2Zehnder干涉仪原理

　　干涉光谱成像仪要进行成像,就必须有一个像面干涉仪.HEIFTS系统中使用的像面干涉仪是改进型Mach2Zehnder干涉仪,其原理见图2[6].Mach2Zehnder干涉仪是由两块分光镜和两块反射镜所构成,如图2(a)和2(b).当入射光不是单频,而是一定频段光时,为了避免色散对结果带来的影响,必须保证两束光通过两块分光镜时的入射角相等,同时要保证两束光之间有一定夹角,从而使得两束光的光程差不恒为零,故采用对Mach2Zehnder干涉仪加上两块反光镜以改进,如图2(c).图中,BS表示分光镜(Beamsplitter),RF表示反射镜(Reflector).

　　由于改进型Mach2Zehnder干涉仪的两分束光要分别通过一个分光镜,所以它不会如Sagnac横向剪切干涉仪那样产生附加的光程差.

　　2.2　改进型Mach2Zehnder干涉仪光程差计算

　　如图3,分光后经过主光轴的两束光线聚焦在CCD面阵的同一点上,夹角为θ,在此点上两束光的光程差为零.但轴外光线不会聚焦在CCD面阵平面上,而是分别聚焦在与CCD平面成±θ/2的两个像平面上.此时,当两束光分别到达其像平面时的光程是相等的,但它们相聚于CCD平面时的光程是不相等的,就会产生光程差.其光程差应为CCD平面与两个像平面之间的两段光程Δl1和Δl2之和.

　　当光线与主光轴成β角时,经过透镜中心的两条光线到达CCD平面处与零光程差点的距离分别为x1和x2.则

　　式中l为透镜到像平面的距离,也即像距.当θ<10°,即θ/2<5°时,sin(θ/2)和sinβsin(θ/2)都是小量,则有x1≈x2.所以可以认为两条光线在CCD平面上相交于一点,此点到零光程差点处的距离为x,且