CN103076092B - 一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱的装置及方法,该装置包括沿光路依次放置的前置光学系统、色散平板Sagnac横向剪切分束系统、成像系统和信号处理系统;目标各点的入射光进入前置光学系统,消除杂散光并形成准直光束;随后进入色散平板Sagnac横向剪切分束系统,光被横向剪切分束系统横向剪切,由于平板色散作用,剪切距离随着光波长而变化,进而引入随波数变化的光程差信息;剪切开的两束光随后进入成像系统;通过旋转横向剪切分束器或者旋转整个系统获取目标各点不同光程差下的干涉信息;对获取的目标物点干涉信息进行离散傅里叶变换,得到高分辨率的光谱信息和各谱段的二维图像信息;本发明具有高光谱分辨率、高光通量、高目标分辨率等优点。

Description

一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学探测目标领域,特别是一种能够获得目标空间二维图像信息,目 标各点高分辨率光谱信息的探测方法。

背景技术

[0002] 成像光谱技术采用辐射成像技术和光谱测量技术相结合方法,能够获得目标的二 维空间辐射光强信息和目标各点的光谱信息。其中干涉成像光谱技术是上世纪80年代发 展起来的新型探测技术,利用干涉信息与光谱信息之间存在的傅里叶变换关系来计算目标 的光谱信息,并且获取目标的二维空间信息。90年代中后期出现的像面干涉成像光谱技术, 通过在无限远成像系统中加入横向剪切分束器,引入干涉信息;与时间型干涉成像光谱技 术相比,内部不需要动镜推扫,具有结构稳固的优点;与空间型干涉成像光谱技术相比,不 受入射狭缝的限制,具有高光通量、高目标分辨率、高光谱分辨率等优点。像面干涉成像光 谱技术现已成为国内外研究的热点,在工业、农业、医学等领域具有广阔的应用前景。现有 干涉成像光谱技术光谱分辨率受获取干涉光程差影响,光程差越大光谱分辨率越高。受探 测器信噪比、靶面大小等因素的影响,现有干涉成像光谱技术获取的干涉光程差有限,其光 谱分辨率受限,限制了像面干涉光谱成像技术的应用领域。

[0003] 1986年,Okamoto等人首次提出在横向剪切分束器中加入色散平板的方法提高光 谱分辨率,后来由Meigs等人进行了优化。通过选取合适的材料以及不同厚度的色散平板, 可以提高探测波段内的光谱分辨率。该方法目前只用于空间调制型干涉成像光谱仪中,但 是在空间调制型干涉成像光谱仪中,狭缝的使用使得空间分辨率和光通量之间存在制约关 系。为了获得高空间分辨率,通常需要减小狭缝的宽度,而结果导致光通量的极大损失。对 于弱辐射目标,特别是天文目标的光谱探测,将增加探测器响应灵敏度的负担。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置及方法,能够提 高现有像面干涉光谱成像装置的光谱分辨率,扩展其应用领域。。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置, 其特征在于包括沿光路方向依次放置的前置光学系统、色散平板Sagnac横向剪切分束系 统、成像系统和信号处理系统;其中,前置光学系统包括沿光路方向依次设置的前置成像物 镜和准直物镜,前置成像物镜的像面和准直物镜的前焦面重合;色散平板Sagnac横向剪切 分束系统包括沿Sagnac共光路系统的内部顺时针光轴依次设置的分束器、高反镜、色散平 板、高反镜,其中分束器与色散平板Sagnac横向剪切分束系统的入射光轴成逆时针45° 角,高反镜与顺时针入射光轴成逆时针67. 5°角,高反镜与顺时针入射光轴成67. 5°角, 色散平板位于高反镜和高反镜之间;成像系统包括沿光路方向依次设置的成像物镜、探测 器,其中探测器的靶面位于成像物镜的后焦面上;信号处理系统与探测器相连;所有光学 元件相对于基底同轴等高,即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。

[0006] 该发明装置的光路走向如下:探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜成像 在其像面上,消除杂散光,随后经过准直物镜,形成准直光束;前置光学系统形成的准直光 束经过分束器后形成第一反射光和第一透射光两支:第一反射光首先入射到第一高反镜, 发生反射,然后入射色散平板,发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变 化,在色散平板的出射面形成平行光束出射,随后入射高反镜,发生反射后,入射到分束器, 形成第二发射光和第二透射光,其中第二反射光进入成像系统;第一透射光首先入射到第 一高反镜,发生反射,然后入射色散平板,发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度 随波数变化,在色散平板的出射面形成平行光束出射,随后入射高反镜,发生反射后,入射 到分束器,形成第三发射光和第三透射光,其中第三透射光进入成像系统。从分束器出射的 第二反射光和第三透射光的剪切量随波数变换进而引入随波数变换的光程差信息,随后光 束经过成像物镜汇聚到成像物镜的后焦面处的探测器的靶面上,通过电控旋转平台进行旋 转Sagnac色散横向剪切分束器或者旋转整套系统对被测目标进行推扫可以获取目标各点 不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像,并转化成电信号进入信号处理系统;

[0007] 本发明的一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱方法,包含以下步骤:

[0008] 第一步,探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜成像在其像面上,消除杂 散光,随后经过准直物镜,形成准直光束,以准直光束形式进入色散平板Sagnac横向剪切 分束系统;

[0009] 第二步,前置光学系统形成的准直光束经过分束器后形成第一反射光和第一透射 光两支:第一反射光首先入射到第一高反镜,发生反射,然后入射色散平板,发生色散,形成 发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板的出射面形成平行光束出射,随 后入射高反镜,发生反射后,入射到分束器,形成第二发射光和第二透射光,其中第二发射 光进入成像系统;第一透射光首先入射到第一高反镜,发生反射,然后入射色散平板,发生 色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板的出射面形成平行光 束出射,随后入射高反镜,发生反射后,入射到分束器,形成第三发射光和第三透射光,其中 第三透射光进入成像系统。

[0010] 第三步,从分束器出射的第二反射光和第三透射光的剪切量随波数变换进而引入 随波数变换的光程差信息,随后光束经过成像物镜汇聚到成像物镜的后焦面处的探测器的 靶面上,通过电控旋转平台进行旋转Sagnac色散横向剪切分束器或者旋转整套系统对被 测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像,并转 化成电信号进入信号处理系统;

[0011] 第四步,信号处理系统从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数 据,对干涉数据进行傅里叶变换,得到复原的目标图像,从而得到目标各点的光谱信息及各 个谱段的二维图像信息。

[0012] 本发明与现有技术相比,其显著优点:1、具备像面干涉成像光谱技术的优点:

[0013] 1)探测器之前器件为全光器件,无声光、电光调制,方法简单实用。

[0014] 2)具有高通量、高信噪比的优点。

[0015] 2、能够提高像面干涉成像光谱技术的光谱分辨率,能够兼顾高光通量和高光谱分 辨率探测。

附图说明

[0016] 图1为实现本发明方法的装置结构示意图。

具体实施方式 [0017]

[0018] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0019] 参照图1,一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置,其特征在于包括沿光路方向 依次放置的前置光学系统1、色散平板Sagnac横向剪切分束系统2、成像系统3和信号处理 系统4 ;其中,前置光学系统1包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜11和准直物镜12, 前置成像物镜11的像面和准直物镜12的前焦面重合;色散平板Sagnac横向剪切分束系统 2包括沿Sagnac共光路系统的内部顺时针光轴依次设置的分束器21、高反镜22、色散平板 24、高反镜23,其中分束器21与色散平板Sagnac横向剪切分束系统2的入射光轴成逆时 针45°角,高反镜22与顺时针入射光轴成逆时针67. 5°角,高反镜23与顺时针入射光轴 成67. 5°角,色散平板24位于高反镜22和高反镜23之间;成像系统3包括沿光路方向依 次设置的成像物镜31、探测器32,其中探测器32的靶面位于成像物镜31的后焦面上;信号 处理系统4与探测器32相连;所有光学元件相对于基底同轴等高,即相对于光学平台或仪 器底座同轴等高。

[0020] 该发明装置的光路走向如下:探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜11 成像在其像面上,消除杂散光,随后经过准直物镜12,形成准直光束;前置光学系统1形成 的准直光束经过分束器21后形成第一反射光和第一透射光两支:第一反射光首先入射到 第一高反镜22,发生反射,然后入射色散平板24,发生色散,形成发散光束穿过色散平板, 发散角度随波数变化,在色散平板24的出射面形成平行光束出射,随后入射高反镜23,发 生反射后,入射到分束器21,形成第二发射光和第二透射光,其中第二反射光进入成像系 统3 ;第一透射光首先入射到第一高反镜23,发生反射,然后入射色散平板24,发生色散,形 成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板24的出射面形成平行光束出 射,随后入射高反镜22,发生反射后,入射到分束器21,形成第三发射光和第三透射光,其 中第三透射光进入成像系统3。从分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量随波 数变换进而引入随波数变换的光程差信息,随后光束经过成像物镜31汇聚到成像物镜31 的后焦面处的探测器32的靶面上,通过电控旋转平台进行旋转Sagnac色散横向剪切分束 器2或者旋转整套系统对被测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干 涉信息的目标干涉图像,并转化成电信号进入信号处理系统4。

[0021] 一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱方法,步骤为:

[0022] 第一步,探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜11成像在其像面上,消除 杂散光,随后经过准直物镜12,形成准直光束,以准直光束形式进入色散平板Sagnac横向 剪切分束系统2 ;

[0023] 第二步,前置光学系统1形成的准直光束经过分束器21后形成第一反射光和第一 透射光两支:第一反射光首先入射到第一高反镜22,发生反射,然后入射色散平板24,发生 色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板24的出射面形成平 行光束出射,随后入射高反镜23,发生反射后,入射到分束器21,形成第二发射光和第二透 射光,其中第二发射光进入成像系统3 ;第一透射光首先入射到第一高反镜23,发生反射, 然后入射色散平板24,发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色 散平板24的出射面形成平行光束出射,随后入射高反镜22,发生反射后,入射到分束器21, 形成第三发射光和第三透射光,其中第三透射光进入成像系统3。

[0024] 第三步,从分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量随波数变换进而 引入随波数变换的光程差信息,随后光束经过成像物镜31汇聚到成像物镜31的后焦面处 的探测器32的靶面上,通过电控旋转平台进行旋转Sagnac色散横向剪切分束器2或者旋 转整套系统对被测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目 标干涉图像,并转化成电信号进入信号处理系统4 ;

[0025] 第四步,信号处理系统4从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数 据,对干涉数据进行傅里叶变换,得到复原的目标图像,从而得到目标各点的光谱信息及各 个谱段的二维图像信息。

[0026] 本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置探测器之前器件为全光器件,无声光、 电光调制,方法简单实用;具有高目标分辨率、高通量的优点;能够提高干涉成像光谱技术 的光谱分辨率。

Claims (3)

1. 一种提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置,其特征在于:包括沿光路方向依次放置 的前置光学系统(1)、色散平板Sagnac横向剪切分束系统(2)、成像系统(3)和信号处理系 统(4);其中,前置光学系统(1)包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜(11)和准直物镜 (12),前置成像物镜(11)的像面和准直物镜(12)的前焦面重合;色散平板Sagnac横向剪 切分束系统(2)包括沿Sagnac共光路系统的内部顺时针光轴依次设置的分束器(21)、第一 高反镜(22)、色散平板(24)、第二高反镜(23),其中分束器(21)与色散平板Sagnac横向剪 切分束系统(2 )的入射光轴成逆时针45°角,第一高反镜(22)与顺时针入射光轴成逆时针 67. 5°角,第二高反镜(23)与顺时针入射光轴成67. 5°角,色散平板(24)位于第一高反镜 (22) 和第二高反镜(23)之间;成像系统(3)包括沿光路方向依次设置的成像物镜(31 )、探 测器(32),其中探测器(32)的靶面位于成像物镜(31)的后焦面上;信号处理系统(4)与探 测器(32)相连;所有光学元件相对于基底同轴等高,即相对于光学平台或仪器底座同轴等 商。
2. 根据权利要求1所述的提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置,其特征在于,装置的 光路走向如下:探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜(11)成像在其像面上,消除 杂散光,随后经过准直物镜(12),形成准直光束;前置光学系统(1)形成的准直光束经过分 束器(21)后形成第一反射光和第一透射光两支:第一反射光首先入射到第一高反镜(22), 发生反射,然后入射色散平板(24),发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波 数变化,在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射,随后入射第二高反镜(23),发生反 射后,入射到分束器(21),形成第二反射光和第二透射光,其中第二反射光进入成像系统 (3);第一透射光首先入射到第二高反镜(23),发生反射,然后入射色散平板(24),发生色 散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板(24)的出射面形成平行 光束出射,随后入射第一高反镜(22),发生反射后,入射到分束器(21),形成第三反射光和 第三透射光,其中第三透射光进入成像系统(3);从分束器(21)出射的第二反射光和第三透 射光的剪切量随波数变换进而引入随波数变换的光程差信息,随后光束经过成像物镜(31) 汇聚到成像物镜(31)的后焦面处的探测器(32)的靶面上,通过电控旋转平台进行旋转色 散平板Sagnac横向剪切分束系统(2)或者旋转整套系统对被测目标进行推扫可以获取目 标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像,并转化成电信号进入信号处理系 统⑷。
3. -种基于权利要求1所述的提高光谱分辨率的干涉成像光谱装置的光谱成像方法, 其特征在于,包含以下步骤: 第一步,探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜(11)成像在其像面上,消除杂 散光,随后经过准直物镜(12),形成准直光束,以准直光束形式进入色散平板Sagnac横向 剪切分束系统(2); 第二步,前置光学系统(1)形成的准直光束经过分束器(21)后形成第一反射光和第一 透射光两支:第一反射光首先入射到第一高反镜(22),发生反射,然后入射色散平板(24), 发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度随波数变化,在色散平板(24)的出射面形 成平行光束出射,随后入射第二高反镜(23),发生反射后,入射到分束器(21),形成第二反 射光和第二透射光,其中第二反射光进入成像系统(3);第一透射光首先入射到第二高反镜 (23) ,发生反射,然后入射色散平板(24),发生色散,形成发散光束穿过色散平板,发散角度 随波数变化,在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射,随后入射第一高反镜(22),发 生反射后,入射到分束器(21 ),形成第三反射光和第三透射光,其中第三透射光进入成像系 统(3); 第三步,从分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量随波数变换进而引入 随波数变换的光程差信息,随后光束经过成像物镜(31)汇聚到成像物镜(31)的后焦面处 的探测器(32)的靶面上,通过电控旋转平台进行旋转色散平板Sagnac横向剪切分束系统 (2)或者旋转整套系统对被测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干涉 信息的目标干涉图像,并转化成电信号进入信号处理系统(4); 第四步,信号处理系统(4)从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据, 对干涉数据进行傅里叶变换,得到复原的目标图像,从而得到目标各点的光谱信息及各个 谱段的二维图像信息。
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