本發(fā)明屬于光譜成像，尤其涉及一種屋脊階梯法布里珀羅干涉成像光譜儀。

背景技術：

1、傅里葉變換光譜技術是一種廣泛使用的獲取目標場景紅外光譜的測量方法，應用范圍十分廣闊，已經從實驗室延伸到遙感領域。大多數(shù)傅里葉變換光譜儀采用時間調制的邁克爾遜干涉系統(tǒng)，測量入射光譜與邁克爾遜干涉系統(tǒng)相互作用產生的時間調制干涉信號，并通過傅里葉變換進行光譜解調。在基于邁克爾遜干涉系統(tǒng)的傅里葉變換紅外光譜儀中，使用移動反射鏡對干涉圖案進行時間采樣，該移動反射鏡通過輸入光束的分束，在兩光束之間產生隨時間變化的光程差。在單色光的照射下，探測器對這種時間變化光程差的響應是隨著光程差變化的正弦信號。通過精確測量光程差的變化，通常使用參考激光信號，從采樣干涉信號中恢復入射光的波長信息。多個波長的照明產生相加的合成干涉圖案，使用傅里葉變換便可以恢復各個波長的強度，即光譜信息。由于基于邁克爾遜干涉系統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀需要分束器進行入射光束的分束與合束，并需要高精度的精密動鏡掃描機構進行光程差的控制，導致基于邁克爾遜干涉系統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀的體積大、重量沉、集成難度大且極易受到外界環(huán)境的影響，難以適應無人機機載、微納衛(wèi)星星載等新型科技領域的應用需求。

2、法布里-珀羅干涉系統(tǒng)相比于邁克爾遜干涉系統(tǒng)具有結構緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)勢，因此特別適用于無人機機載、微納衛(wèi)星星載等應用需求。傳統(tǒng)的法布里-珀羅干涉系統(tǒng)通常用作非常窄的帶通濾波器，通過使用非常高的反射率涂層來實現(xiàn)窄帶濾波。如果法布里-珀羅腔表面使用較低的反射率涂層，則光譜透射本質上為正弦曲線，可以通過傅里葉變換來復原光譜。但是涂層反射率過低又會導致條紋對比度降低，導致干涉失效。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提供一種屋脊階梯法布里珀羅干涉成像光譜儀，以解決現(xiàn)有的基于邁克爾遜干涉系統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀存在體積大、重量沉、集成難度大且極易受到外界環(huán)境影響的技術問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一種屋脊階梯法布里珀羅干涉成像光譜儀，包括掃描反射鏡、望遠物鏡、法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)和探測系統(tǒng)；其中，

4、掃描反射鏡，位于望遠物鏡的物方焦面上，對目標光場進行橫向推掃；

5、望遠物鏡采用像方遠心光路結構，用于收集目標光場并將目標光場成像于法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)的fp諧振腔中；

6、法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)位于望遠物鏡的像方焦面上，法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)包括平行平板和屋脊形階梯鏡，平行平板作為法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)的前干涉板，屋脊形階梯鏡作為法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)的后干涉板，屋脊形階梯鏡的臺階高度呈中間向兩側遞減式分布，屋脊形階梯鏡上任意相鄰兩個臺階之間的階梯高度差均相同，屋脊形階梯鏡中間處的最高臺階與平行平板緊密貼合，使得平行平板與屋脊形階梯鏡之間形成厚度呈階梯變化的空氣間隙，空氣間隙每個區(qū)域的厚度分別對應一個光程差，平行平板、空氣間隙與屋脊形階梯鏡組成fp諧振腔陣列；

7、探測系統(tǒng)位于法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)的出射方向上，用于對法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)調制的干涉光場進行成像，獲得干涉圖像陣列。

8、進一步的，平行平板與屋脊形階梯鏡相對的兩個表面分別作為反射界面，兩個反射界面與空氣間隙形成fp諧振腔，兩個反射界面的反射率為30%~40%。

9、進一步的，平行平板采用高折射率平板，在高折射率平板背離屋脊形階梯鏡的表面蒸鍍增透膜，高折射率平板朝向屋脊形階梯鏡的表面不予鍍膜，或者平行平板采用低折射率平板，在低折射率平板背離屋脊形階梯鏡的表面蒸鍍增透膜，在低折射率平板朝向屋脊形階梯鏡的表面蒸鍍高折射率介質膜并作為fp諧振腔的反射界面。

10、進一步的，高折射率平板采用硅或鍺介質材料，低折射率平板采用石英、氟化鈣、氟化鎂或藍寶石介質材料。

11、進一步的，屋脊形階梯鏡包括臺階基底，臺階基底采用高折射率介質，在高折射率介質的臺階基底的上表面不予鍍膜并作為fp諧振腔的反射界面，在高折射率介質的臺階基底的下表面蒸鍍增透膜；或者，臺階基底采用低折射率介質，在低折射率介質的臺階基底的上表面蒸鍍高折射率介質膜并作為fp諧振腔的反射界面，在低折射率介質的臺階基底的下表面蒸鍍增透膜。

12、進一步的，低折射率介質采用石英、氟化鈣、氟化鎂或藍寶石介質材料；高折射率介質采用硅或鍺介質材料；高折射率介質膜采用硅膜或鍺膜。

13、進一步的，屋脊形階梯鏡上任意相鄰兩個臺階之間的階梯高度差均為d，則第 m個臺階所對應的空氣間隙的厚度 h( m)為：

14、。

15、進一步的，對于入射的寬帶光譜，階梯高度差d滿足如下關系：

16、；

17、其中，λmin為寬帶光譜的最小波長，θmax為最大視場角光線在fp諧振腔中對應的入射角，j為光譜諧波級次，n0為fp諧振腔中的介質折射率；

18、對于入射的窄帶光譜，階梯高度差d滿足如下關系：

19、；

20、其中，λs為窄帶光譜的最短波長，λl為窄帶光譜的最長波長， k為光譜折疊級次，取小于等于的任意整數(shù)。

21、進一步的，設屋脊形階梯鏡的階梯級數(shù)為2m，臺階基底的制備過程為：

22、s1：提供橫向寬度為2a、縱向寬度為2a的平面基底，并對平面基底進行拋光清洗；

23、s2：對平面基底進行雙向刻蝕形成二階梯結構，雙向刻蝕深度為md/2，雙向刻蝕寬度為a/2；

24、s3：對二階梯結構進行雙向刻蝕形成四階梯結構，雙向刻蝕深度為md/4，雙向刻蝕寬度為a/4，重復步驟s3，保證每次雙向刻蝕的深度與寬度均為上一次刻蝕的1/2，直到階梯高度差為d，階梯寬度為a/m為止。

25、進一步的，探測系統(tǒng)包括中繼成像鏡、冷屏光闌和面陣探測器；其中，

26、中繼成像鏡位于法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)的出射方向上，中繼成像鏡采用物方遠心光路結構，用于將反射式法布里珀羅標準具陣列調制的干涉光場成像到面陣探測器上；

27、冷屏光闌位于中繼成像鏡的像方焦面上，用于對物方數(shù)值孔徑進行限制；

28、面陣探測器位于中繼成像鏡的像面處，用于對干涉光場進行光電轉換，獲得干涉圖像陣列。

29、進一步的，利用掃描反射鏡沿著垂直于屋脊形階梯鏡的階梯方向對目標光場進行線性推掃，掃描反射鏡的掃描步長為屋脊形階梯鏡的一個階梯寬度所對應的視場，在完成一個周期的推掃后，獲得干涉圖像數(shù)據(jù)立方體；將干涉圖像數(shù)據(jù)立方體沿著屋脊形階梯鏡的階梯方向剪切為對應于各個不同干涉級次的干涉圖像單元，按照空間順序對零光程差臺階所對應不同時刻的干涉圖像單元進行拼接，獲得目標的全景圖像；按照光程差順序對目標所對應不同臺階的干涉圖像單元進行拼接，獲得該目標的干涉圖像序列并進行離散傅里葉變換運算，獲得復原光譜。

30、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明創(chuàng)造能夠取得如下有益效果：

31、本發(fā)明采用具有中低反射率的屋脊形階梯鏡構建法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)傅里葉變換成像光譜儀中的分束器及精密動鏡掃描機構，簡化并輕量化了傅里葉變換成像光譜儀的光機結構，提高了傅里葉變換成像光譜儀的穩(wěn)定性與魯棒性，具有體積小、重量輕、結構緊湊、靜態(tài)、穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。同時屋脊形階梯鏡的入射界面采用中低反射率，可以通過傅里葉變換進行光譜的復原，降低了傳統(tǒng)法布里-珀羅干涉系統(tǒng)光譜復原的難度。通過法布里珀羅陣列干涉系統(tǒng)對光場的耦合調制傳輸，可以實現(xiàn)干涉圖像序列的同步測量，進而實現(xiàn)了目標場景圖像信息與光譜信息的快照式有效探測，提高了多維信息探測的實時性。