CN110501074B - 高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱成像领域，涉及一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法及装置。首先将目标光准直后色散；然后将色散的光谱按照不同谱段反射至空间的不同位置；再将反射光束汇聚后进入广角迈克尔逊干涉仪获得干涉条纹；将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩后沿狭缝方向拉长；最后将干涉条纹沿与干涉条纹垂直的方向进行二次色散，获得高通量、宽谱段、高分辨光谱干涉条纹；光电探测器接收干涉条纹图像。解决了传统的高精度交叉色散阶梯光栅光谱仪和相干色散光谱仪这两种光谱成像方法中存在的光通量低、光电探测器靶面大小限制光谱展宽、光谱范围越宽条纹对比度越差、高的光谱分辨率会使光电探测器单个像元信噪比减小、交叉色散引起光谱谱线弯曲等问题。

Description

高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法及装置

技术领域

本发明属于光谱成像领域，涉及一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法及装置。

背景技术

光谱成像技术融合了光谱技术和成像技术，目前已广泛应用于军事、农业、医学、航空航天、环境监测、大气探测、天文观测等领域。干涉和色散技术是光谱成像领域应用最主要的技术，但通常情况下两种技术都是分开使用的，只有在测风、测量恒星或者行星运行的视向速度等情况下，才会将这两种技术结合起来，以达到较为理想的测量精度。

将干涉和色散技术结合起来的传统的光谱仪主要有高精度交叉色散阶梯光栅光谱仪和相干色散光谱仪，它们都有各自相应的优点并在遥感领域和天文领域得到了广泛的应用，但是仍然存在一定的问题。前者由于使用高色散阶梯棱镜导致整个系统透过率相对较低，而且交叉色散技术会使谱线弯曲更加严重，增加后期数据处理的难度，此外该技术每次只能观测单个目标，观测成本昂贵；对于后者而言，可通过选择较低分辨率透过率更高的色散器件弥补前者透过率低的缺点，并允许单级次测量，可实现多目标探测，但是由于受到光电探测器像元的限制，在应用到宽谱段范围时，光谱分辨率和干涉条纹对比度方面仍然存在一定的问题。

发明内容

为了解决传统的高精度交叉色散阶梯光栅光谱仪和相干色散光谱仪这两种光谱成像方法中存在的光通量低、光电探测器靶面大小限制光谱展宽、光谱范围越宽条纹对比度越差、高的光谱分辨率会使光电探测器单个像元信噪比减小、交叉色散引起光谱谱线弯曲等问题，本发明提出一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法及装置。

本发明的技术解决方案是提供一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法，包括以下步骤：

步骤一：将目标光准直后色散；

步骤二：将色散的光谱按照不同谱段反射至空间的不同位置；

步骤三：将步骤二中反射光束汇聚后进入广角迈克尔逊干涉仪获得干涉条纹；

步骤四：将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩后沿狭缝方向拉长；

步骤五：将步骤四中拉长后的干涉条纹沿与干涉条纹垂直的方向进行二次色散，获得高通量、宽谱段、高分辨光谱干涉条纹；

步骤六：光电探测器接收干涉条纹图像。

本发明还提供一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的第一准直系统、第一光栅、第一透镜、像切分器、第二透镜、广角迈克尔逊干涉仪、柱透镜、狭缝、第二准直系统、第二光栅、成像镜及光电探测器；上述狭缝位于柱透镜的焦点处；

目标光源经过第一准直系统准直后入射至第一光栅，经第一光栅色散，入射至第一透镜汇聚后，通过像切分器将宽谱段的光切分成若干窄谱段，并将窄谱段沿不同角度反射至第二透镜，且反射方向垂直于第一光栅的色散方向，第二透镜将经像切分器反射的光汇聚后入射至广角迈克尔逊干涉仪产生干涉条纹，从广角迈克尔逊干涉仪出射的干涉条纹经过柱透镜汇聚到狭缝处，经过狭缝之后，再通过第二准直系统将光线准直，并入射到第二光栅上，并沿着与干涉条纹垂直的方向继续色散后在成像镜成像，光电探测器接收得到的干涉条纹图像。

优选地，上述第一准直系统与第二准直系统为透镜组合或反射镜组合。

优选地，上述第一光栅与第二光栅为透射式光栅或反射式光栅。

优选地，广角迈克尔逊干涉仪中的分束器的分束比为5:5。

本发明的有益效果是：

(1)在光通量方面该系统为光谱仪提供了更多的光能。该方法利用广角迈克尔逊干涉仪，入射在干涉仪中的光无需经过准直，允许大的立体角范围内的光被收集，提高了入射光通量，从而也提高了系统的灵敏度。

(2)实现了干涉条纹对比度与波长无关、空间分部周期也与波长无关。利用广角迈克尔逊干涉仪，根据具体的光程差与入射角之间的关系，折射率与波长相关系，材料的线膨胀系数以及折射率随温度的变化系数，选取特殊结构和材料完成视场补偿、色散补偿、温度补偿，实现了在整个工作波段内都能探测干涉条纹的位相的变化。

(3)解决了光电探测器像元的行列数与宽谱段之间相互限制的问题。该方案首先通过光栅将光束色散，再通过像切分器将宽谱段的光切分成若干窄谱段，并将窄谱段反射到不同行，最后通过后色散系统中的光栅进行二次色散，从而获得较高的光谱分辨率。

(4)减小了光谱宽度对干涉条纹对比度的影响。本发明通过先色散，再通过像切分器移位，再干涉，最后色散的方法，即经过两次同方向的色散，且干涉条纹的方向与色散方向相互垂直，因此减小了谱段宽度对干涉条纹对比度的影响。

(5)可有效解决上述两种传统光谱仪中的谱线弯曲。本发明的两次色散是沿同一个方向，因此不会出现交叉色散中棱镜导致的谱线弯曲现象；还可通过将狭缝设计成具有一定曲率的弧形结构，小谱线弯曲，从而有效减小了后期数据处理的难度。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图中附图标记为：1-第一准直系统，2-第一光栅，3-第一透镜，4-像切分器，5-第二透镜，6-广角迈克尔逊干涉仪，61-分束器，62-第一反射镜，63-第二反射镜，64-补偿板，7-柱透镜，8-狭缝，9-第二准直系统，10-第二光栅，11-成像镜，12-光电探测器。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

本发明采用一种先色散后干涉再色散的测量方法，首先将目标光准直后色散；其次将色散的光谱按照不同谱段反射至空间的不同位置；再次将步骤二中反射光束汇聚后进入广角迈克尔逊干涉仪获得干涉条纹；再次将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩后沿狭缝方向拉长；再次将步骤四中拉长后的干涉条纹沿与干涉条纹垂直的方向进行二次色散，获得高通量、宽谱段、高分辨光谱干涉条纹；最后光电探测器接收干涉条纹图像。

可以采用高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置实现上述方法，利用广角迈克尔逊干涉仪改善了系统的光通量；根据视场展宽原理，通过补偿解决谱宽与条纹对比度的问题；系统中采用像切分器将宽谱段切分成若干窄谱段，再将这些窄谱段反射在空间的不同位置，再经过广角迈克尔逊干涉仪和中分辨率光栅之后，从而实现高的光谱分辨率，也减小了交叉色散导致的谱线弯曲的问题，同时可将狭缝设置成具有一定曲率半径的弧形进一步减小了谱线弯曲的问题。

具体可以通过图1所示的装置进行测量，从图1可以看出，该装置包括沿光路依次设置的第一准直系统1、第一光栅2、第一透镜3、像切分器4、第二透镜5、广角迈克尔逊干涉仪6、柱透镜7、狭缝8、第二准直系统9、第二光栅10、成像镜11及光电探测器12；第一准直系统1和第二准直系统9可以是透镜组合，也可以用反射镜组合代替。第一光栅2和第二光栅10均可用透射式光栅代替，本发明考虑到系统的小型化，选用了反射光栅。平行光通过光栅衍射后，对于同一波段具有相同的衍射角，因此经过第一透镜3可将相同波长的光汇聚在同一点，又由于不同波长的光进过光栅的衍射角不同，所以经过第一透镜3会得到一条色散开的光线。这将有利于之后像切分器4对宽谱段进行切分。像切分器4可根据角度的不同将光线或者图像进行切分，并根据角度的不同，可将切分得到的若干窄带光谱或者图像反射到空间的不同行。第二透镜5的作用是为了让光束以汇聚光的形式进入到干涉仪中，这也体现了大视场迈克尔逊干涉仪的特点，能够增加进入干涉仪中的光通量，从而增加系统的灵敏度。干涉仪中的分束器61可以是立方形的分束器，也可以利用平板形的分束器代替，但分束比应该保持5:5。干涉仪中的补偿板64可加在反射光路或者透射光路中(附图是加在反射光路中)，该补偿板由两种材料组成，通过对两种材料种类和长度的设计，能够实现视场补偿、色散补偿和温度补偿，同时还可用于改变光程差。

上述柱透镜7的作用是将干涉光形成的干涉条纹会聚成像到狭缝8处。狭缝8的作用是后续色散器件的入射狭缝，是后续色散分光系统的一次像面，也起到了消杂光的作用。第二准直系统9的作用是为了将通过狭缝后的光整理成平行光(附图中为了方便只画出了三条平行光线)入射到后续的色散器件光栅上。光电探测器12的作用是采集按照波长分布的干涉条纹信号，将光信号转变成电信号，将信号进行放大、滤波等处理，为反演目标参数提供必要的数据。

具体实现步骤如下：

(1)目标光源经过第一准直系统后入射在第一光栅上，经过第一光栅的色散，不同波长的光按照光栅衍射原理在同一级次上的衍射光会色散到第一透镜的不同位置，由于不同波长的光衍射角是相同的，因此经过第一透镜后，对于相同波长的光的经过第一透镜后，会汇聚在一个点上，对于白光光源来讲，经过光栅色散和透镜聚焦后，我们会得到一条被色散开的光线。第一光栅与第一透镜之间的距离会决定在透镜焦点处得到色散光线的长度尺寸，同时也决定了第一透镜的口径尺寸，当第一光栅与第一透镜之间的距离增加时，得到色散光线的长度越长，所需第一透镜的尺寸也越大。

(2)当色散后的光线入射到像切分器上时，可以将色散得到的宽谱段的光线分割成若干个窄谱段(图1中将其分成3份)，并将不同谱段沿不同角度反射，且反射方向垂直于第一光栅的色散方向，即宽谱段被切分成分布在不同高度上的三个窄谱段。像切分器与第一透镜之间的距离为第一透镜的焦距。

(3)通过第二透镜将沿像切分器反射的光经第二透镜汇聚，并以汇聚光束进入到干涉仪中。

(4)光束在干涉仪中通过分束器，分成反射光和透射光，反射光经过补偿板，入射到第一反射镜，并将其反射，再通过分束器透射；另一束透射光进过第二反射镜后反射，也再次通过分束器反射。两束光满足干涉条件，从而会产生干涉现象。

(5)光从干涉仪出射后，经过柱透镜汇聚到狭缝处，干涉条纹沿狭缝的长度方向分布，与第一光栅的的色散方向垂直。柱面镜使投射到狭缝处的干涉光斑沿狭缝方向拉长，保证了干涉条纹在狭缝方向上拥有了充足的分布空间。需要说明的是狭缝的位置在柱透镜的焦点处，而且狭缝是具有一定曲率的弧形，这有效改善谱线的弯曲效应。

(6)经过狭缝之后，在通过第二准直系统将光线准直，并入射到第二光栅上，将光线沿着与干涉条纹垂直的方向继续色散(与第一光栅的色散方向一致)，获得分辨率更高的干涉条纹。最终利用光电探测器接收得到的干涉条纹图像，进行下一步的数据处理工作。

Claims (5)

1.一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将目标光准直后色散；

步骤二：将色散的光谱按照不同谱段反射至空间的不同位置，且反射方向垂直于第一次色散的方向；

步骤三：将步骤二中反射光束汇聚后进入广角迈克尔逊干涉仪获得干涉条纹，干涉条纹的方向与第一次色散的方向垂直；

步骤四：将干涉条纹沿与干涉条纹垂直方向压缩后沿狭缝方向拉长；

步骤五：将步骤四中拉长后的干涉条纹沿与干涉条纹垂直的方向进行二次色散，第二次色散的方向与第一次色散的方向一致，获得高通量、宽谱段、高分辨光谱干涉条纹；

步骤六：光电探测器接收干涉条纹图像。

2.一种高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的第一准直系统、第一光栅、第一透镜、像切分器、第二透镜、广角迈克尔逊干涉仪、柱透镜、狭缝、第二准直系统、第二光栅、成像镜及光电探测器；所述狭缝位于柱透镜的焦点处；

目标光源经过第一准直系统准直后入射至第一光栅，经第一光栅色散，入射至第一透镜汇聚后，通过像切分器将宽谱段的光切分成若干窄谱段，并将窄谱段的光沿不同角度反射至第二透镜，且反射方向垂直于第一光栅的色散方向，第二透镜将经像切分器反射的光汇聚后入射至广角迈克尔逊干涉仪产生干涉条纹，干涉条纹的方向与第一次色散的方向垂直，从广角迈克尔逊干涉仪出射的干涉条纹经过柱透镜汇聚到狭缝处，经过狭缝之后，再通过第二准直系统将光线准直，并入射到第二光栅上，并沿着与干涉条纹垂直的方向继续色散后在成像镜成像，第二光栅的色散方向与第一光栅的色散方向一致，光电探测器接收得到的干涉条纹图像。

3.根据权利要求2所述的高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述第一准直系统与第二准直系统为透镜组合或反射镜组合。

4.根据权利要求2或3所述的高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述第一光栅与第二光栅为透射式光栅或反射式光栅。

5.根据权利要求2或3所述的高通量宽谱段高分辨率的相干色散光谱成像装置，其特征在于：广角迈克尔逊干涉仪中的分束器的分束比为5:5。

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