CN104236713A - 一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪，包括：依次设置的准直镜、间距渐变标准具、柱面镜与探测器；其中，所述间距渐变标准具为紧贴放置且基于一平面对称的两块玻璃板，靠近所述准直镜的为一矩形玻璃平板，另一块为间距渐变玻璃板，具体为基于一平面对称且由该平面至边缘的厚度逐渐减小的玻璃板；所述间距渐变标准具用于使通过该间距渐变标准具的光线具有不同的光程差。本发明公开的Fabry-Perot干涉光谱成像仪，其分光元件结构简单，装调简便，可以适合多种应用场合，并且后期处理也更为简单。

Description

一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪。

背景技术

干涉光谱成像技术从干涉光束数量上来分可以分为双光束干涉和多光束干涉两种方式。

典型的双光束干涉仪有时间调制的迈克尔逊干涉光谱仪和空间调制的Sagnac(萨格纳克)干涉光谱仪，迈克尔逊干涉仪具有运动部件，相比较于Sagnac空间调制干涉光谱技术稳定性较差，但是通过运动机构较容易实现大光程差；空间调制干涉光谱成像技术没有运动部件，因而具有很好的稳定性，空间调制干涉光谱成像技术的典型例子是Sagnac干涉光谱仪。

现有的Sagnac干涉光谱仪其原理如图1所示，Sagnac干涉光谱仪通过前置光学系统在一次像面上获取目标的图像，在一次像面上放置一个狭缝，同时，狭缝还位于傅氏镜的前焦面上，通过横向剪切仪后狭缝将被剪切成一对虚像，这两个虚像之间的剪切距离为d，傅氏镜的焦距为f，探测器上距离光轴距离为x的像素上获得的干涉图表达式为： $I\left(x\right)=\underset{{\mathrm{\σ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\σ}}_{\max }}{\∫}}B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos (2\mathrm{\π\σ}\·\mathrm{OPD}\left(x\right))\mathrm{d\σ},$ 式中 $\mathrm{OPD}\left(x\right)=d\·\sin \mathrm{\θ}=d\·\frac{x}{f}$ 是探测器上距离光轴距离为x处的光程差表达式。

然而，现有的Sagnac干涉光谱仪主要存在如下缺陷：横向剪切仪部分为核心部件，而横向剪切仪一般由二块四面棱镜胶合而成，干涉图的质量取决于胶合的工艺，微小的偏差会带来干涉图质量的严重下降；同时，对干涉仪的装调也存在一定的困难。

多光束干涉仪的典型代表是Fabry-Perot(法布里-珀罗)干涉仪，与双光束干涉仪不同之处是，多光束干涉仪是将一束入射光分成多束相干光后产生干涉，传统的Fabry-Perot干涉仪具有极高的光谱分辨率，但是由于受到自由光谱区的限制只能应用于极窄带谱段的光谱探测，Fabry-Perot干涉仪的核心光学元件是Fabry-Perot标准具，它由两块严格平行的矩形玻璃平板组成，如图2所示，两块矩形玻璃平板之间距离为h，距离h决定Fabry-Perot的自由光谱区范围；在两块平板玻璃的第1、4面上镀增透膜而在第2、3面上镀反射膜，反射面上的反射系数R直接决定Fabry-Perot干涉仪的光谱分辨率。

Fabry-Perot干涉仪核心元件是Fabry-Perot标准具，标准具间距固定或可调。如图3所示，当一束光线以入射角θ进入Fabry-Perot标准具，该光线将会在标准具的内表面中多次反射，而这多次干涉光形成多束具有相干性的光，每两束光线之间具有相同的光程差为OPD(θ)＝2nh·cosθ，其中h为标准具的间距，n为标准具的介质折射率，最终到达探测器上的透射光是由多束具有相干性的光线干涉得到，其干涉强度为 $I=\frac{1}{1+F{\sin }^2(2\mathrm{\πnh\σ}\·\cos \mathrm{\θ})}{I}_0,$ 其中 $F=\frac{4*R}{{(1-R)}^2},$ R为标准具反射率，I₀为入射光强度。由干涉强度的表达式可知，当入射角θ相同，不同的波数σ₁，σ₂只要满足m₁＝nhσ₁·cosθ，m₂＝nhσ₂·cosθ，此时将出现光谱混叠现象，因此传统的Fabry-Perot干涉仪具有极窄的自由光谱范围为

然而，传统的Fabry-Perot干涉仪主要存在如下缺陷：传统的Fabry-Perot干涉仪标准具具有固定或者是可调间距，但是，某一时刻的情况下为固定值。传统的Fabry-Perot受限于自由光谱区，因此其应用范围较窄。另外，传统的Fabry-Perot干涉仪获得的是干涉环数据，对干涉环的处理没有干涉条纹直接、方便，数据处理存在一定困难；并且，传统的Fabry-Perot干涉仪一般很难应用于干涉光谱成像领域，这也限制了它的应用场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪，其分光元件结构简单，装调简便，可以适合多种应用场合，并且后期处理也更为简单。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪，包括：依次设置的准直镜、间距渐变标准具、柱面镜与探测器；

其中，所述间距渐变标准具为紧贴放置且基于一平面对称的两块玻璃板，靠近所述准直镜的为一矩形玻璃平板，另一块为间距渐变玻璃板，具体为基于一平面对称且由该平面至边缘的厚度逐渐减小的玻璃板；所述间距渐变标准具用于使通过该间距渐变标准具的光线具有不同的光程差。

进一步的，所述间距渐变标准具包括：

所述矩形玻璃平板靠近所述间距渐变玻璃板的表面，以及所述间距渐变玻璃板靠近所述矩形玻璃平板的表面均镀有反射膜。

进一步的，所述间距渐变玻璃板为一棱镜玻璃板或一曲面玻璃板；

其中，棱镜玻璃板为一体成型棱镜或由两个直角棱镜胶合而成。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，与传统的Fabry-Perot干涉光谱仪中标准具采用两块相同的玻璃平板相比，本发明采用两块不同的玻璃板组成标准具，这使得在探测器上获得的不再是干涉环而是与空间调制干涉仪一样的干涉条纹，干涉条纹的处理也更加的简单，并且通过推扫还可以获取目前的空间图像，适合于高光谱遥感领域；另外，该方案采用的两块玻璃板结构非常简单，装调容易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的Sagnac干涉仪工作原理的示意图；

图2为本发明背景技术提供的传统Fabry-Perot干涉仪的标准具的示意图；

图3为本发明背景技术提供的传统Fabry-Perot干涉仪工作原理的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种间距渐变玻璃板为一体成型棱镜玻璃板的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种间距渐变玻璃板为任意曲面玻璃板的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种间距渐变玻璃板为两个直角棱镜胶合而成的示意图

图8为本发明实施例提供的一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光谱曲线的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种干涉曲线的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种复原光谱的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图4为本发明实施例提供的一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪的示意图。如图4所示，其主要包括：

依次设置的准直镜、间距渐变标准具、柱面镜与探测器；

其中，所述间距渐变标准具为紧贴放置且基于一平面对称的两块玻璃板，靠近所述准直镜的为一矩形玻璃平板，另一块为间距渐变玻璃板，具体为基于一平面对称且由该平面至边缘的厚度逐渐减小的玻璃板；所述间距渐变标准具用于使通过该间距渐变标准具的光线具有不同的光程差。

进一步的，所述间距渐变标准具包括：

所述矩形玻璃平板靠近所述间距渐变玻璃板的表面，以及所述间距渐变玻璃板靠近所述矩形玻璃平板的表面均镀有反射膜。

进一步的，所述间距渐变玻璃板为一棱镜玻璃板或一曲面玻璃板；

其中，棱镜玻璃板为一体成型棱镜或由两个直角棱镜胶合而成。

为了便于理解本发明，下面结合附图5-11对本发明做进一步的说明。

本发明实施例中，间距渐变标准具为紧贴放置且基于一平面对称的两块玻璃板，靠近所述准直镜的为一矩形玻璃平板，另一块为间距渐变玻璃板，具体为基于一平面对称且由该平面至边缘的厚度逐渐减小的玻璃板；例如，可以为一棱镜玻璃板或一任意曲面玻璃板；其中，棱镜玻璃板为一体成型棱镜或由两个直角棱镜胶合而成。通过这种结构的标准具，可以获得干涉条纹，其结构形式非常简单，尤其适合高光谱探测领域。

示例性的，所述间距渐变标准具可以使用如图5-图7的结构来实现。图5-图7的区别主要在于间距渐变玻璃板；图5中间距渐变玻璃板为一体成型棱镜玻璃板，图6中间距渐变玻璃板为任意曲面玻璃板，图7中间距渐变玻璃板为两个直角棱镜胶合而成；从图5-图7中可以看出，无论间距渐变玻璃板使用何种结构，其都是基于一平面对称(YZ平面)且该平面至边缘的厚度均逐渐减小。

不失一般性，下面以图5为例进行详细的说明。如图5所示，该标准具由一块矩形玻璃平板和棱镜型的玻璃板组成，其中棱镜型玻璃板截面是一等腰三角形，棱镜的顶点与矩形玻璃平板的中点重合放置，使得该标准具基于一平面对称，当距离标准具中心位置距离为x处，棱镜与矩形玻璃平板之间的距离为L₁＝x·tgθ。在垂直纸面的y方向，相同的x矩形玻璃平板与棱镜的距离均为L₁。

在矩形玻璃平板的下表面和棱镜的等腰面上镀反射膜，当一束光垂直于矩形玻璃平板上表面进入到标准具中，则光线第一次通过矩形玻璃平板下表面后到达棱镜的表面上，一部分光直接透射通过棱镜称之为第一次透射光，一部分光被反射再次回到矩形玻璃平板的下表面上，而反射光再次被矩形玻璃平板上表面反射并再次到达棱镜的反射面上，此时光线再次部分透射部分被反射形成第二次透射光，而第二次透射光与第一次透射光是具有一定光程差相干光，同理，之后的反射光还会产生多次透射光，直至能量被全部透射或反射，多次透射产生的透射光是具有相干性的多光束，最终在探测器上将得到多光束干涉图。两两相邻的两束透射光之间均具有相同的光程差为：OPD(x)＝x·tgθ。

基于图5所示的标准具构成的干涉光谱成像仪结构如图8所示，主要包括：准直镜，间距渐变标准具、柱面镜以及探测器。其中，准直镜的作用是将一点发出的光线进行准直变成一束平行光，间距渐变标准具的作用是使通过标准具的光线具有不同的光程差，柱面镜的作用是将物点所发出的具有相同高度而垂直于纸面方向的光收集到一点上，柱面镜的存在可以提高系统的能量利用率，进一步提高光谱复原的信噪比。

物点经过图8所示干涉光谱成像仪后在探测器上获得的干涉强度表达式为式中x为像高也等于探测器到光轴的距离，与传统的Fabry-Perot不同，θ是一个常量但是正是由于θ的存在才能使得不同的位置x具有不同的光程差。通过CCD等光电耦合器件对干涉图进行离散化采样，可以得到干涉强度的表达式为： $I\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{1+F{\sin }^2(2\mathrm{\πn\σ}\·m\·d\·\mathrm{tg\θ})}B\left(k\right),$ 式中d为探测器像元大小，m为探测器像元序列，N为光谱谱段数，如果探测像元数为M个，那么对于同一物点可以得到M个干涉强度值，而对着M个干涉强度组成的方程进行求解便可得到光谱B(k)。

示例性的，若输入如图9所示的光谱曲线，同时，干涉仪参数设计为θ＝1°、像元大小d＝10um，探测大小1024(对应于a＝10.24mm)，我们可以得到图10所示干涉曲线，对由干涉曲线组成的1024个方程求解，便可以得到复原光谱如图11所示。

本发明实施例通过改变Fabry-Perot干涉仪的标准具结构形式改变了传统的Fabry-Perot干涉仪的应用方向，使其可以用于宽谱段范围的光谱获取，而且通过增加柱面镜可以提高系统的能量利用率，进一步提高信噪比。该方案通过一个及其简单的结构便可以获得物点的光谱，与传统的干涉光谱成像仪方案相比系统中没有运动部件且光学元件加工、装调简单，非常有利于仪器的小型化设计；同时，基于本发明实施例提供的标准具，可使得在探测器上获得的不再是干涉环而是与空间调制干涉仪一样的干涉条纹，干涉条纹的处理也更加的简单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种Fabry-Perot干涉光谱成像仪，其特征在于，包括：依次设置的准直镜、间距渐变标准具、柱面镜与探测器；

其中，所述间距渐变标准具为紧贴放置且基于一平面对称的两块玻璃板，靠近所述准直镜的为一矩形玻璃平板，另一块为间距渐变玻璃板，具体为基于一平面对称且由该平面至边缘的厚度逐渐减小的玻璃板；所述间距渐变标准具用于使通过该间距渐变标准具的光线具有不同的光程差。

2.根据权利要求1所述的成像仪，其特征在于，所述间距渐变标准具包括：

所述矩形玻璃平板靠近所述间距渐变玻璃板的表面，以及所述间距渐变玻璃板靠近所述矩形玻璃平板的表面均镀有反射膜。

3.根据权利要求1所述的成像仪，其特征在于，所述间距渐变玻璃板为一棱镜玻璃板或一曲面玻璃板；

其中，棱镜玻璃板为一体成型棱镜或由两个直角棱镜胶合而成。