CN103424190B - 双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置及方法,该装置包括前置光学系统、双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统、成像系统和信号处理系统;入射光进入前置光学系统,确定目标视场,消除杂散光并形成准直光束,进入双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统,光被横向剪切,由于双楔板的色散作用,剪切距离随着光波长而变化,引入随波数变化的光程差信息进入成像系统,在成像物镜后焦面处的探测器靶面上得到携带干涉条纹的目标图像,旋转横向剪切分束器或整个系统获取目标各点不同光程差下的干涉信息,信号处理系统对干涉信息进行傅里叶变换,得到超分辨率的光谱信息及各个谱段的二维图像信息;本发明具有超光谱分辨率、高光通量、高目标分辨率的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域,具体涉及一种双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置及方法,能够获得目标空间二维图像信息和目标各点的超分辨率光谱信息。
背景技术
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。
干涉成像光谱技术与色散型成像光谱技术相比,具有高光通量、高目标分辨率等优点,具有广阔的应用前景,在工业、农业、军事侦察、大气探测等领域具有重要的应用价值。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,其光谱分辨率最高也只能达到纳米量级,很难实现亚纳米成像光谱探测。无法满足超光谱分辨率的应用要求。
现有超光谱成像技术根据分光方式主要分为色散型和干涉型。色散型方案中需要采用狭缝进行推扫成像,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,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。
干涉型超光谱成像技术分为空间调制型和空间外差型。现有空间调制型干涉超光谱技术主要有两种,一种方法是采用空间外差光谱技术,另一种方法是通过在共光路干涉光路中增加色散棱镜来实现。其中,空间外差干涉光谱方法由Harlander等人提出,目前已应用于天文探测领域,具有亚纳米级光谱分辨能力。空间外差光谱技术通过在光路中加入视场展宽棱镜可以有效扩大观测视场,并且可以实现全反射型光路,适用于紫外波段和红外光谱的探测。但是现有空间外差光谱技术假定探测目标具有均匀统一的光谱分布,因此主要用于点目标成像探测。此外,空间外差干涉光谱技术难以采用共光路干涉形式,并且入射到衍射光栅的光束要求为严格的准直光,因此该方法对系统光学元件的精度要求较高,对干扰源较为敏感。而且,该方法获取的光谱信息存在重叠,需要复杂的方法来区分探测中心波数前后的光谱信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置及方法。能够提高现有干涉光谱成像装置的光谱分辨率,可以实现目标亚纳米量级的超分辨率光谱成像探测。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,包括沿光路方向依次放置的前置光学系统、双楔色散板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;双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统包括共光轴顺时针依次设置的分束器、第一反射镜、第一楔形色散板、第二楔形色散板、第二反射镜,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。
本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,其中双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统内光路走向如下: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反射镜,发生反射,出射光垂直进入第一楔形色散板,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第二楔形色散板,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第二反射镜,经分束器出射,形成第二反射光和第二透射光两支,其中第二反射光进入成像系统;第一透射光首先入射到第二反射镜,发生反射,出射光垂直进入第二楔形色散板,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第一楔形色散板,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第一反射镜,经分束器出射,形成第三反射光和第三透射光两支,其中第三透射光进入成像系统。
本发明基于双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置的成像方法,包括以下步骤:
步骤一:来自目标各点的入射光进入前置光学系统,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双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统;
步骤二:通过前置光学系统的准直光束进入双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统,光被横向剪切分束系统横向剪切,由于双楔板的色散作用,剪切距离随着光波长而变化,进而引入随波数(波长倒数)变化的光程差信息;
步骤三:被双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统剪切开的两束光进入成像系统,在成像物镜后焦面处的探测器靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像。获取的干涉信息受到双楔板色散剪切分束器调制,分布规律不同于传统的干涉光谱仪。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。并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统;
步骤四:信号处理系统收集探测器信号。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。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
(1)具备像面干涉成像光谱技术的优点;
(2)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;
(3)具有高目标分辨率、高通量、多通道优点;
(4)能够提高干涉成像光谱技术的光谱分辨率,实现亚纳米量级分辨率的光谱成像探测。
附图说明
图1为本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像光路结构示意图。
图2为双楔板实现色散原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1,本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,包括沿光路方向依次放置的前置光学系统1、双楔色散板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;双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统2包括共光轴顺时针依次设置的分束器21、第一反射镜22、第一楔形色散板24、第二楔形色散板25、第二反射镜23,其中第一楔形色散板24和第二楔形色散板25规格相同;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。
结合图2,一束光垂直入射第一楔形色散板24,光线先经第一长直角边面5,接着经过第一斜边面6,在第一斜边面6处,由于光线是从玻璃入射至空气,会发生折射,不同的光波长对应不同的折射率,所以在第一斜边面6处,不同波长的光折射的角度不同,一束光变为多束光,多束光经过第二斜边面7,由于双楔色散板的对称性,光线平行于原入射光传播,最后在第二长直角边面8出射平行光束。
第一长直角边面5为第一楔形色散板24包含两条长直角边的面,第一斜边面6为第一楔形色散板24包含两条斜边的面;第二斜边面7为第二楔形色散板25包含两条斜边的面;第二长直角边面8为第二楔形色散板25包含两条长直角边的面。
本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,其中双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统2内光路走向如下: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反射镜22,发生反射,出射光垂直进入第一楔形色散板24,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第二楔形色散板25,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第二反射镜23,经分束器21出射,形成第二反射光和第二透射光两支,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反射镜23,发生反射,出射光垂直进入第二楔形色散板25,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第一楔形色散板24,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第一反射镜22,经分束器21出射,形成第三反射光和第三透射光两支,其中第三透射光进入成像系统3。
本发明基于双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置的成像方法,包括以下步骤:
步骤一:来自目标各点的入射光进入前置光学系统1,确定目标视场,消除杂散光并形成准直光束;
步骤二:通过前置光学系统的准直光束进入双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统2,光被横向剪切分束系统横向剪切,由于双楔板的色散作用,剪切距离随着光波长而变化,进而引入随波数(波长倒数)变化的光程差信息。
步骤三:被双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统2剪切开的两束光进入成像系统3,在成像物镜后焦面处的探测器靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像。获取的干涉信息受到双楔板色散剪切分束器调制,分布规律不同于传统的干涉光谱仪。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。并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统4;
步骤四:信号处理系统4收集探测器信号。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。
本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置探测步骤为:
步骤一: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双楔色散板Sagnac横向剪切分束系统2;
步骤二: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反射镜22,发生反射,出射光垂直进入第一楔形色散板24,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第二楔形色散板25,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第二反射镜23,经分束器21出射,形成第二反射光和第二透射光两支,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反射镜23,发生反射,出射光垂直进入第二楔形色散板25,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第一楔形色散板24,由于楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第一反射镜22,经分束器21出射,形成第三反射光和第三透射光两支,其中第三透射光进入成像系统3;
步骤三:从分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量即水平剪切距离随波数变换,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双楔色散板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,并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统4;
步骤四:信号处理系统4提取各物点不同光程差下的干涉数据,进行傅里叶变换可以获取目标各点超分辨率的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
本发明双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置具备像面干涉成像光谱技术的优点,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,实现亚纳米量级分辨率的光谱成像探测。
Claims (3)
1.一种双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,其特征在于:包括沿光路方向依次放置的前置光学系统(1)、双楔板色散剪切分束器(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物镜(11)和准直物镜(12),前置物镜(11)的像面和准直物镜(12)的前焦面重合;双楔板色散剪切分束器(2)包括共光轴顺时针依次设置的分束器(21)、第一反射镜(22)、第一楔形色散板(24)、第二楔形色散板(25)、第二反射镜(23);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;
分束器(21)的反射光束射入第一楔形色散板(24)的底面,第一楔形色散板(24)的底面包含两条较长的直角边;分束器(21)的透射光束射入第二楔形色散板(25)的底面,第二楔形色散板(25)的底面包含两条较长的直角边;第一楔形色散板(24)包含两条斜边的面和第二楔形色散板(25)包含两条斜边的面相平行;
其中第一楔形色散板(24)和第二楔形色散板(25)所用材料、尺寸和形状相同。
2.根据权利要求1所述的双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置,其特征在于:光路走向如下:光线经过前置物镜(11)确定目标视场,消除杂散光进入准直物镜(12)形成的准直光束经过分束器(21)后分为第一反射光和第一透射光:第一反射光首先入射到第一反射镜(22),发生反射,出射光垂直进入第一楔形色散板(24),由于第一楔形色散板(24)和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第一楔形色散板(24)后经过折射作用形成多束光束,随后经过第二楔形色散板(25),由于第二楔形色散板(25)和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第二楔形色散板(25)后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第二反射镜(23),再经分束器(21)出射,形成第二反射光和第二透射光两支,其中第二反射光进入成像系统(3)的成像物镜(31);第一透射光首先入射到第二反射镜(23),发生反射,出射光垂直进入第二楔形色散板(25),由于第二楔形色散板(25)和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第二楔形色散板(25)后经过折射作用形成多束光束,随后经过第一楔形色散板(24),由于第一楔形色散板(24)和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第一楔形色散板(24)后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第一反射镜(22),经分束器(21)出射,形成第三反射光和第三透射光两支,其中第三透射光进入成像系统(3)的成像物镜(31);经过成像系统(3)的成像物镜(31)的第二反射光和第三透射光,最后进入信号处理系统(4)。
3.一种基于权利要求1所述的双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置的成像方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:来自目标各点的入射光进入前置光学系统(1),通过前置物镜(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双楔板色散剪切分束器(2);
步骤二:通过前置光学系统(1)的准直光束进入双楔板色散剪切分束器(2),光被双楔板色散剪切分束器横向剪切,由于双楔板的色散作用,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,具体步骤如下: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反射镜(22),发生反射,出射光垂直进入第一楔形色散板(24),由于第一楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第一楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第二楔形色散板(25),由于第二楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第二楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第二反射镜(23),经分束器(21)出射,形成第二反射光和第二透射光两支,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反射镜(23),发生反射,出射光垂直进入第二楔形色散板(25),由于第二楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第二楔形色散板后经过折射作用形成多束光束,随后经过第一楔形色散板(24),由于第一楔形色散板和空气折射率不同,发生色散作用,穿过第一楔形色散板后经过折射作用成平行光束,平行光束经过第一反射镜(22),经分束器(21)出射,形成第三反射光和第三透射光两支,其中第三透射光进入成像系统(3);
步骤三:被双楔板色散剪切分束器(2)剪切开的两束光进入成像系统(3),在成像物镜后焦面处的探测器(32)靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像;获取的干涉信息受到双楔板色散剪切分束器调制,分布规律不同于传统的干涉光谱仪;通过旋转双楔板色散剪切分束器(2)或者旋转整个双楔板色散剪切干涉超光谱成像装置获取目标各点不同光程差下的干涉信息;并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统(4);
步骤四:信号处理系统(4)收集探测器信号,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;
上述步骤三中,具体步骤如下:从分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量即水平剪切距离随波数变换,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双楔板色散剪切分束器(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,并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统(4)。
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