太阳红外成像光谱仪关键技术研究

We are going to invent two devices in our project: shearing splitter, and image shifter; We hope to utility these two devices to the principle prototype of infrared spectral imager proposed by us...In the recent 30 years,the technique of spatial modulation spectral imager close to perfect; The corresponding product has been existed. ..But, it is hard extending this technique to the infrared band, since the problem of optical path difference primarily (OPD)...The shear distance of our shearing splitter can be 100 to 1000 times more than recent one, and the OPD we achieve can meet the requirement of the infrared spectral imager...The pix number of recent infrared detector cannot meet the requirement of recording the whole interferogram. We can record the ‘big’ infrared image with a small detector by using of the image shifter we propose...Based on the research above, we will develop a principal prototype of spectral imager for the solar observation. The operating bandwidth is about 8 micron to 14 micron, which is corresponding to the atmospheric window. ..The spectrometer is planned to used a spatial modulated structure, the inference is achieved by the shearing splitter; the spectral and spatial information are record by the two dimension on the detector respectively...An OPD of 5 millimeter is obtained by the shearing splitter, which case corresponds to the resolution of two wave number difference. Comparing to the spectrometer without the splitter, the resolution is improved by two orders of magnitude, which is highest one among the spectrometer without mobile mirror in our country.

成像光谱仪兼具空间分辨能力和光谱分辨能力；还能通过“差谱”法减除背景影响，获得所关注区域“纯净的谱”，使用相移技术，或能得到物质组成、速度等信息；未来可用于空间探测。但空间调制型成像光谱技术延伸到红外波段还有诸多困难，包括光程差、探测器像元数等问题。.本项目拟针对这些问题发明两种装置：剪切分束装置、移像装置。.项目发明的剪切分束装置可以得到比Sagnac棱镜高2~3个数量级的剪切量，基本满足红外成像光谱仪的光程差需求。.当前红外探测器的像元数目不足以记录全频干涉图像，本项目发明的移像装置可用小面阵探测器获得“大”红外图像。.在此研究基础上，研制太阳红外成像光谱仪原理样机。光谱仪拟采用空间调制型结构，由剪切分束装置实现干涉；探测器上一维得到光谱信息，另一维记录空间信息。采用发明的红外剪切装置，可实现2波数的分辨率。比Sagnac结构提高约2个数量级，远超国内无动镜红外成像光谱仪的最高指标。

目前，在国内的太阳研究领域，中长波红外光谱观测工作几乎完全停滞，很多很多工作还是空白。针对这样的情况，我们开展的太阳光谱观测技术关键技术研究工作所面临的困难比原预计的要大得多；根据光谱仪的工作原理，我们把光谱仪分为色散型光谱仪和干涉型光谱仪两大类。第一类，色散型光谱仪，性能指标严重依赖色散元件的性能和参数，具备比较高的性能潜力；但是缺点有二，一是光能量利用率很低。二是尺寸很大，对三维空间尺寸都会提出很大要求。第二类光谱仪即干涉型光谱仪，它由空间调制型和时间调制型两种基本类型组成。迈克尔逊双臂干涉仪是时间调制型干涉仪的代表；Sagnac型干涉仪代表了空间型干涉仪。通常来说，迈克尔逊干涉仪具备高光谱分辨率，低的时间分辨率，且有运动部件因此需要一个超稳定的结构；相反的，空间调制型光谱仪，一般光谱分辨率不高，但是具有时间分辨率高、空间尺寸紧凑、光能利用率高的优势。.调制型光谱仪，光谱分辨率取决于光程差；工作波段取决于采样点数量的多寡。具体到空间调制型成像光谱仪，光程差由剪切棱镜决定；而采样点数就是CCD面阵的像元数量。因此传统的空间调制型光谱仪，若要向红外波段推广至少需要解决两个关键性问题，其一，获得更大光程差的剪切装置，其二，用更大规模的CCD，本研究项目瞄准的就是这两个控制性问题。.针对问题一，本项目进行了深入研究和探讨，联合国内相关单位成功研制了一具大剪切量的剪切装置；中波红外专用，大剪切量的剪切装置，目前国内还是唯一一具。.针对问题二，本项目也进行了深入研究、探讨。光谱仪设计之初，我们选择的中波红外探测器是当时能够国产的最好的，尺度是320*240，经过三年技术的发展，以及其他一些情况的变化发展，我们有机会能够采购到640*480尺度的面阵探测器。为此，针对这种更高性能的探测器，我们从头至尾重新完成了整个光机设计。.因此，原项目计划的研究工作我们都按计划完成了；更重要的是，在研究过程中我们发现，红外光谱仪相对于可见光波段的光谱仪，有很多的不同，困难也完全不一样，除了立项时可以预见的研究工作，我们还面对更多未预料的问题，并进行了更进一步的研究。