微小型快照式红外干涉成像光谱仪理论与关键技术研究

According to the urgent requirements of the microminiaturized instrument for real-time acquiring spectrum and image information in the field of environment, resource, weather, and security, a new-style microminiaturized snapshot infrared interference imaging spectrometer was developed by introducing the multiple imaging performance of micro lens array. In this project, the scalar diffraction theory model of multiple imaging coupled transmission combined multiple image field modulation interference will be established, the generalized pupil function model of micro lens array and generalized screen function model of micro multi-mirrors will be constructed to complete the collaborative design for micro lens array and micro multi-mirrors, and the interferogram image array data will be analyzed and processed for image and spectrum reconstruction. Finally, we will complete the experimental verification for this system. This system take advantage of the mirror field modulation and coupled transmission by micro lens array and micro multi-mirrors to realize the image and spectrum measurement, the static structure enhanced the stability, the snapshot measurement improved the real time performance, and the micro optical device reduced system size and weight. This research would establish the theory and technology foundation for the manufacture of microminiaturized snapshot infrared interference imaging spectrometer.

针对于目前环境、资源、气象及安全等诸多领域对可实时获取目标场景图像与光谱信息的微小型化仪器提出的迫切需求，本项目在前期研究工作基础上，拟通过引入微透镜阵列的多重成像特性开展一种微小型快照式红外干涉成像光谱仪的研究，建立多重成像耦合传输与多重像场调制干涉的标量衍射理论模型，构建微透镜阵列与多级微反射镜的调制函数模型进行器件的协同设计，并进行图谱重构的数据分析与处理，最终完成系统原理验证。该系统通过微透镜阵列与多级微反射镜对光场的镜场调制和耦合传输实现图谱合一的实时测量，其静态结构提高了系统的稳定性，快照式测量提高了系统的实时性，且微光学器件降低了系统的尺寸和重量，本项目的研究将为微小型快照式红外干涉成像光谱仪的研制奠定理论与技术基础。

针对目前资源、空间、军事、安全等诸多领域对可实时获取目标场景图谱信息的微小型化仪器提出的迫切需求，本项目提出了一种微小型快照式红外干涉成像光谱仪结构。通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合，实现快速场景或迅变目标的快照式图谱探测。本项目从理论上分析了微透镜阵列和多级微反射镜的光场调制屏函数模型，建立了多重成像耦合传输与像场调制干涉的标量衍射光传输模型，基于该光传输模型对成像视场、入射光场波像差、微透镜阵列的波像差、偏心误差及阵列非均匀性误差、多级微反射镜的表面面形误差、阶梯高度误差等对图谱重构的影响进行了分析，并提出了有效地光谱误差校正方法。对多级微反射镜进行了参数设计和制备方法的研究，并完成了元件加工与多级微反射镜的制造。对成像光谱系统进行了光学设计优化，解决了像差校正、复消色差以及多重成像均一性等问题，完成了光学系统的光线追迹全链路仿真。最后对整体系统进行了光机集成与干涉图像阵列的图像光谱数据处理，构建了以图像单元提取和特征点匹配算法为基础的图像分割配准数据重构方法流程。搭建了平台实验系统，使用窄带滤光片完成了光谱标定，对高温靶标和酒精喷灯进行了图谱测量实验，目标点的重构光谱与标准光谱可以实现很好的吻合。系统的成像通道为16×16，光谱分辨率可以达到31.5cm-1@MWIR。本项目首次提出将多级微反射镜与微透镜阵列相结合，用于解决中波红外波段快速迅变目标的图像光谱瞬时测量的问题，设计并研制了微小型快照式红外干涉成像光谱仪系统，突破了中波红外快照式干涉成像光谱仪在分析、设计、器件、算法等方面的理论与关键技术，将促进其在空间探测、航空遥感、资源勘测、军事侦察等诸多领域的工程化应用，具有十分广阔的应用前景。