CN103267573A

CN103267573A - 可调波片式偏振干涉成像光谱仪

Info

Publication number: CN103267573A
Application number: CN2013101785917A
Authority: CN
Inventors: 马臻; 李英才; 李旭阳
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明涉及一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，包括第一检偏器、延迟量调节装置、第二检偏器以及光学成像探测系统；第一检偏器、延迟量调节装置以及第二检偏器依次设置在同一光轴上；光学成像探测系统与第二检偏器设置在同一光路上。本发明提供了一种结构简单且体积重量大幅减小的可调波片式偏振干涉成像光谱仪。

Description

可调波片式偏振干涉成像光谱仪

技术领域

本发明属于光电领域，涉及一种成像光谱仪，尤其涉及一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪。

背景技术

成像光谱所获取的三维甚至四维光谱图像数据是对于传统多光谱图像的重要拓展。其主要的能力是提供了精细光谱、物质鉴别的能力，其应用有望包括：食品安全、环境监测、低成本医疗、颜色鉴别、特殊物品鉴别等广阔的民用领域。

成像光谱仪从上世纪80年代开始发展了很多种形式，如：色散型、滤光片型、傅立叶变换型、层析型等，可谓种类繁多。解决其图谱合一获取能力的关键在于如何将光谱图像数据立方体进行变换，经过凝视或扫描成像，使二维空间分辨的能力上增加了光谱维信息。

而成像光谱技术的应用瓶颈在于两个方面：

信息获取的条件苛刻，由于大多数的成像光谱技术要么在成像仪器的设计上有天然的限制（视场角、相对孔径受限制），要么必须进行高稳定度的推扫过程（色散型、傅立叶变换型）；同时必须建立完整的辐射定标体系，设备成本动辄上几十万人民币，重量几十公斤，从而大幅度的限制了其应用。

传统的成像光谱技术主要应用在航空航天遥感领域，但硬件成本高、可靠性低，应用技术不成熟，大幅度限制了其应用推广。

其中傅立叶变换成像光谱基于傅立叶干涉成像原理，将光程差调制的干涉图与光谱谱线成为一对傅立叶变换对，获取的干涉图数据经过傅立叶逆变换可以反演获得光谱信息，从而可实现从高光谱到超光谱图像数据的获取。其种类有：1）萨格奈克干涉仪分光实现空间调制型的成像光谱仪；2）利用迈克耳逊干涉形式进行动镜调制的光谱仪；3）利用马赫泽德干涉形式的双光路成像光谱仪；4）利用偏振干涉原理的空间调制型干涉成像光谱仪光谱仪等等，这些干涉成像谱仪都具有结构原理复杂，视场孔径受限制等诸多问题。

利用液晶调制器的成像光谱仪（LCTF）以及声光调制型成像光谱仪（AOTF）实现的都是单波段图像，成像波段受到液晶等元器件的限制，并非傅立叶调制方式，不具备多通道优点，且复杂性高、成本高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种结构简单且体积重量大幅减小的可调波片式偏振干涉成像光谱仪。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特殊之处在于：所述可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括第一检偏器、延迟量调节装置、第二检偏器以及光学成像探测系统；所述第一检偏器、延迟量调节装置以及第二检偏器依次设置在同一光轴上；所述光学成像探测系统与第二检偏器设置在同一光路上。

上述延迟量调节装置是连续可调式或阶梯可调式。

上述延迟量调节装置是连续可调式时，所述延迟量调节装置是索累补偿器。

上述延迟量调节装置是阶梯可调式时，所述延迟量调节装置包括切入切出装置以及设置在切入切出装置上的等比间隔延迟量的偏振波片组；所述切入切出装置是条板、圆盘或转盘。

上述等比间隔延迟量的偏振波片组包括多片按照延迟量等比设计的波片；所述切入切出装置是条板；所述多片波片同方向依次叠加设置在切入切出装置上；所述切入切出装置是圆盘或转盘；所述多片波片按圆盘或转盘的圆周方向依次设置在切入切出装置上。

上述光学成像探测系统包括光学镜头以及设置在光学镜头成像面上的探测器；所述光学镜头与第二检偏器设置在同一光路上。

上述探测器是面阵探测器。

上述第一检偏器以及第二检偏器均是分立器件或者第一检偏器以及第二检偏器均直接镀制或贴在索累补偿器的镜面上。

一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特殊之处在于：所述可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括一个或多个线阵探测器以及与线阵探测器数量相对应的延迟量调节装置；所述延迟量调节装置与线阵探测器一一对应后依次设置在同一光路上。

上述延迟量调节装置具有不同延迟量的波片组件；所述波片组件中包括一片或多片波片；所述波片组件中的每个波片与线阵探测器一一对应后依次设置在同一光路上。

上述不同延迟量的波片组件是按照延迟量等比设计的。

本发明的优点是：

本发明将偏振干涉调制的原理应用到了动镜傅里叶成像光谱领域，将迈克尔逊动镜成像光谱仪中的动镜调制装置变更为偏振延迟量调节装置，形成了全新的一种成像光谱仪，其延迟量调节装置将入射光分成等强度的两束o光和e光，并可调节其光程差，合束后通过光学镜头成像。使这种成像光谱仪的结构变得异常简单，大幅度的减小了体积和重量。本发明所提供的可调波片式偏振干涉成像光谱仪克服了动镜式干涉仪不耐受振动等问题，但继承了其它优点如多通道、高通量、分辨率高等特点，而且与其它种类的干涉成像光谱仪相比具有以下优点：

1）共光路干涉，延迟量只与扫描位置和延迟元件设计有关，对振动不敏感，对元件定位精度要求低。

2）对光学成像透镜设计无特殊要求，不需要类似空间调制型傅里叶变换成像光谱仪的特殊光学设计，视场角和孔径角不受限制。

3）补偿器等平面原件工作在平行光路中无成像像差。且厚度可以较薄，因此使设备体积和重量大幅度减小。

4）能量利用率高：塞格奈克型富氏干涉仪中使用了剪切式棱镜分光，其分光设计总效率通常只有30%～40%，而本发明只有检偏器影响能量利用率，在可见光波段内可达到48%以上。

5）干涉图对比度高：广泛适用于干涉成像光谱仪的分光膜都存在存在着偏振失配问题，其s波与p波的反射率差异将导致干涉调制度下降。而本发明的光程差调制方式造成的偏振对比度只与偏振膜的安置装配精度及偏振膜的偏振对比度有关，保守（普通商业偏振片）估算可达到100：1。

6）光谱分辨率可灵活调整，对傅立叶光谱技术的光谱分辨率与最大光程差成反比。成像透镜与探测器不作改动的情况下，本发明只需更换更大光程差补偿器即可将光谱分辨率提高，并无其他硬件改动，有利于进行模块化设计。

7）探测器利用率高：所有探测器获得数据没有冗余，克服了空间调制型富氏干涉仪需进行双边采样的探测器开销。

8）可实现偏振图像的获取，由于检偏器前置，通过联动旋转检偏器可快速获得目标的偏振信息，丰富了应用领域。

9）利用简单的单色光源与探测器可以进行仪器的自我标定。对延迟量的调制运动精度要求大幅度降低，有利于产业化。

附图说明

图1是偏振波片产生光程差的原理示意图；

图2是本发明所提供的偏振干涉成像光谱仪的第一实施例结构示意图；

图3是本发明所提供的偏振干涉成像光谱仪的第二实施例结构示意图；

图4是本发明所提供的偏振干涉成像光谱仪的第三实施例结构示意图；

其中：

1-第一检偏器；2-索累补偿器；3-第二检偏器；4-光学镜头；5-探测器；6-线阵探测器；7-波片组件；8-圆盘式切入切出装置。

具体实施方式

参见图1，本发明的工作原理是：将入射其上的o光和e光提供特定的光程差，该光程差的可以从正到负进行准确的调节，而其调节范围是可以根据波段和光谱分辨率进行设计。偏振移相装置的特点是：两线偏振检偏器为平行，且与波片的快慢轴成45度夹角。偏振移相装置的特点是：o光和e光间的光程延迟量可以连续可调或阶梯连续可调。

本发明提供了一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，该可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括第一检偏器1、延迟量调节装置、第二检偏器3以及光学成像探测系统；第一检偏器1、延迟量调节装置以及第二检偏器3依次设置在同一光轴上；光学成像探测系统与第二检偏器3设置在同一光路上。

延迟量调节装置是连续可调式或阶梯可调式；延迟量调节装置是连续可调式时，延迟量调节装置是索累补偿器2。

其中，第一检偏器1以及第二检偏器3可以是分立器件，也可以直接镀制或贴在索累补偿器2的镜面上。

参见图2，当第一个检偏器将入射光变为线偏振光，然后进入到索累补偿器2，其光束偏振方向按照45度或-45度投影到索累补偿器2的快慢轴方向上，因此分解为等量的o光和e光，经过索累补偿器2后两束偏振光获得光程不同，经过第二检偏器3（偏振方向平行于第一个检偏器）后合成形成干涉，进入光学镜头4成像到探测器，经采集后成为数字信号，经计算机反演处理后成为光谱图像数据立方体。

当延迟量调节装置是阶梯可调式时，延迟量调节装置包括切入切出装置以及设置在切入切出装置上的等比间隔延迟量的偏振波片组；切入切出装置是条板、圆盘或转盘（圆盘式切入切出装置8）。参见图4。

等比间隔延迟量的偏振波片组包括多片按照延迟量等比设计的波片；切入切出装置是条板；多片波片同方向依次叠加设置在切入切出装置上；切入切出装置是圆盘或转盘；多片波片按圆盘或转盘的圆周方向依次设置在切入切出装置上。

光学成像探测系统包括光学镜头4以及设置在光学镜头4成像面上的探测器5；光学镜头4与第二检偏器3设置在同一光路上；探测器5是面阵探测器、多元探测器或单元探测器，这些探测器的工作谱段可以为紫外、可见或红外。

延迟量调节装置可以安装于光学镜头4前的平行光路中，也可以安装于探测器前。其偏振移相装置的可以安置在成像系统的平行光路中，如无穷远或准无穷远成像镜头前，或者成像镜头的其他准直平行光路中。也可以放置于镜头的焦平面前，但是此时应将对会聚或发散光路的相对孔径进行限制以避免移相误差干扰。为此，本发明还提供了与上述结构基本类似且工作原理一致的另外一种结构，该结构的延迟量调节装置是多个延迟量的波片分别对映多路探测器或同一探测器的不同部分。

本发明所采用的延迟量标定用的单色光源可以采用激光器或LED、带滤光片灯泡等，而光电探测器可以使用相应波段的光电二极管、光电三极管、光敏电阻或阵列等光电元件。

一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括一个或多个线阵探测器6以及与线阵探测器6数量相对应的延迟量调节装置；延迟量调节装置与线阵探测器6一一对应后依次设置在同一光路上。

延迟量调节装置具有不同延迟量的波片组件7；波片组件7中包括一片或多片波片；波片组件7中的每个波片与线阵探测器6一一对应后依次设置在同一光路上。本发明可采用如下延迟量监视装置：将单色光源依次通过第一检偏器、延迟量调节装置、第二检偏器的的照亮光电探测器，从而可以获取其延迟量信息。

不同延迟量的波片组件7是按照延迟量等比设计的。

参见图3，线阵推扫完成扫描的情况，为N个线阵探测器6被N个波片光程调制后同时工作，同一地物先后在各行探测器上，从而得到图像在不同光程差调制下的多个图像，见多个图像对准后在光程差维进行富立叶变换即可得到多个谱段的图像。

该实施例中，光程差随波长变化带来数据处理困难，但是通过光谱定标和非均匀插值可以进行纠正，也能实现本发明的目的，解决了需要解决的技术问题。自由光谱范围受到检偏器与双折射器件的波段透过率以及偏振对比度的影响。温度敏感性高：由于通常波片的光学延迟量受温度影响，设备工作温度受限。但通过标定延迟量消除该偏差。延迟量于视场角的余弦成反比关系，对于大视场应用必须进行零视场纠正。处理软件也必须相应变化。对照明变化较为敏感，在图像获取的过程中照明如果发生较大的改变，结果将变得不可使用。在工频干扰的人工光源照明环境下，必须使用合理的曝光方式调整进行处理校正。

Claims

1.一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括第一检偏器、延迟量调节装置、第二检偏器以及光学成像探测系统；所述第一检偏器、延迟量调节装置以及第二检偏器依次设置在同一光轴上；所述光学成像探测系统与第二检偏器设置在同一光路上。

2.根据权利要求1所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述延迟量调节装置是连续可调式或阶梯可调式。

3.根据权利要求2所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述延迟量调节装置是连续可调式时，所述延迟量调节装置是索累补偿器。

4.根据权利要求2所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述延迟量调节装置是阶梯可调式时，所述延迟量调节装置包括切入切出装置以及设置在切入切出装置上的等比间隔延迟量的偏振波片组；所述切入切出装置是条板、圆盘或转盘。

5.根据权利要求4所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述等比间隔延迟量的偏振波片组包括多片按照延迟量等比设计的波片；所述切入切出装置是条板；所述多片波片同方向依次叠加设置在切入切出装置上；所述切入切出装置是圆盘或转盘；所述多片波片按圆盘或转盘的圆周方向依次设置在切入切出装置上。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述光学成像探测系统包括光学镜头以及设置在光学镜头成像面上的探测器；所述光学镜头与第二检偏器设置在同一光路上。

7.根据权利要求6所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述探测器是面阵探测器、多元探测器或单元探测器。

8.根据权利要求2或3或4或5所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述第一检偏器以及第二检偏器均是分立器件或者第一检偏器以及第二检偏器均直接镀制或贴在索累补偿器的镜面上。

9.一种可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述可调波片式偏振干涉成像光谱仪包括一个或多个线阵探测器以及与线阵探测器数量相对应的延迟量调节装置；所述延迟量调节装置与线阵探测器一一对应后依次设置在同一光路上。

10.根据权利要求9所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述延迟量调节装置具有不同延迟量的波片组件；所述波片组件中包括一片或多片波片；所述波片组件中的每个波片与线阵探测器一一对应后依次设置在同一光路上。

11.根据权利要求10所述的可调波片式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于：所述不同延迟量的波片组件是按照延迟量等比设计的。