CN104748855B - 双通道高通量干涉成像光谱装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双通道高通量干涉成像光谱装置及方法，该装置包括前置光学系统、双通道横向剪切分束系统、第一成像系统和第二成像系统；入射光经前置光学系统，确定目标视场，消除杂散光并形成准直光束，进入双通道横向剪切分束系统，经两个光通道出射，每个通道的出射光被横向剪切，进而引入光程差信息；在两个成像系统的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，提取干涉信息，对其进行傅里叶变换,复原目标图像，得到目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。本发明具有高光通量、实现双通道成像的特点；利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像，也可以实现可见光和红外的双通道成像。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种双通道高通量干涉成像光谱装置及方法，利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像，也可以实现可见光和红外的双通道成像。
背景技术
光是信息的载体，成像仪可以通过采集的光学影像直观的获取目标的外观信息，即空间信息；光谱仪可以根据光谱特征获取目标的结构特征，成像光谱仪则是二者功能的有机结合，我们把可以同时获得影像信息与像元的光谱信息的光学传感器称为成像光谱仪，成像光谱技术的实质是既得到目标图像，又能得到每个像元对应的目标元的光谱曲线，即同时获得目标图像和各点光谱信息的双重功能。
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，它源于传统干涉光学与光谱学的融合。1880年迈克尔逊发明了以他名字命名的干涉仪;后来英国物理学家瑞利认识到干涉仪产生的干涉图(干涉条纹)与光谱之间有着一种数学对应关系，即干涉图可以通过傅立叶变换而得到光谱图，此原理导致了干涉光谱技术的产生和发展，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，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。
横向剪切分束器是横向剪切干涉光谱仪的核心部件，目前应用比较多的主要有三角形循环光路横向剪切分束器即Sagnac分束器和利用双折射晶体实现横向剪切的分束器。Sagnac分束器采用共光路结构，系统装调方便，抗噪声能力强，但是体积大，不利于系统的轻小型化。利用双折射晶体实现横向剪切的分束器，能够实现剪切系统的轻小型化，但是受限于双折射晶体材料，该系统用于红外波段探测受到限制。本发明双通道高通量干涉成像光谱装置及方法中采用的双通道横向剪切分束器采用非共光路结构，在实际使用中可以控制其结构紧凑，双通道高通量干涉成像光谱装置及方法具有高通量的特点，利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像，也可以实现可见光和红外的双通道成像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道高通量干涉成像光谱装置及方法，能够实现双通道的光束产生横向剪切，利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像，也可以实现可见光和红外的双通道成像。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双通道高通量干涉成像光谱装置，包括沿光路方向依次放置的前置光学系统、双通道横向剪切分束系统、第一成像系统和第二成像系统；其中，前置光学系统包括共光轴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；双通道横向剪切分束系统包括顺时针依次设置的第一半透半反分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第二半透半反分束镜，第一半透半反分束镜与第二半透半反分束镜平行，第四反射镜偏离第一反射镜关于第一半透半反分束镜和第二半透半反分束镜的中心连线的中垂线对称的位置，第三反射镜同向偏离第二反射镜关于第一半透半反分束镜和第二半透半反分束镜的中心连线的中垂线对称的位置；第三反射镜与第四反射镜的偏离方向相同，且距离相等。其中第一半透半反分束镜、第一反射镜、第二反射镜和第二半透半反分束镜构成一个光通道，第一半透半反分束镜、第三反射镜、第四反射镜和第二半透半反分束镜构成另一个光通道；第一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；第二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；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。
本发明双通道高通量干涉成像光谱装置，光路走向如下：光线经过前置物镜确定目标视场，消除杂散光进入准直物镜形成的准直光束经过第一半透半反分束镜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，发生反射后经第二反射镜反射后入射到第二半透半反分束镜，光线经过第二半透半反分束镜后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一成像系统的成像物镜，第二透射光进入第二成像系统的成像物镜；第一透射光首先入射到第三反射镜，经第三反射镜反射到第四反射镜，经第四反射镜反射，光线经过第二半透半反分束镜后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二成像系统的成像物镜，第三透射光进入第一成像系统的成像物镜。
本发明双通道高通量干涉成像光谱装置及方法，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通道横向剪切分束系统；
步骤二：通过前置光学系统的准直光束进入双通道横向剪切分束系统，形成两个通道，经两个光通道出射的光被横向剪切，进而引入随视场角变化的光程差信息；
步骤三：被双通道横向剪切分束系统剪切开的双通道的两束光分别进入第一成像系统和第二成像系统，在第一成像系统的探测器靶面上和在第二成像系统的探测器靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像；
步骤四：对步骤三中携带有干涉条纹的目标图像提取干涉信息，对干涉信息进行傅里叶变换，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。
本装置用于可见光和近红外双通道成像探测时，在第一成像系统前放置一个滤光片，该滤光片只能透过可见光波段，在第二成像系统前放置一个滤光片，该滤光片只能透过近红外波段，分别加上滤光片后，第一成像系统则对可见光波段实现成像，第二成像系统对近红外波段实现成像，即该双通道高通量干涉成像光谱装置实现了可见光和近红外的双通道成像。
在第一成像系统和第二成像系统所成的像是物体的上下部分，将两成像系统所成的像进行拼接，即进行视场拼接，从而实现大画幅的成像。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像。
（2）利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现可见光和红外的双通道成像。
附图说明
图1为本发明双通道高通量干涉成像光谱装置结构示意图。
图2为实现双视场拼接进行大画幅成像的模拟结果图，其中（a）为目标图像，（b）为第一成像系统探测的图像，（c）为第二成像系统探测的图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明双通道高通量干涉成像光谱装置，包括沿光路方向依次放置的前置光学系统1、双通道横向剪切分束系统2、第一成像系统3和第二成像系统4；其中，前置光学系统1包括共光轴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；双通道横向剪切分束系统2包括顺时针依次设置的第一半透半反分束镜21、第一反射镜22、第二反射镜23、第三反射镜24、第四反射镜25和第二半透半反分束镜26。第一半透半反分束镜21与第二半透半反分束镜26平行，第四反射镜25偏离第一反射镜22关于第一半透半反分束镜21和第二半透半反分束镜26的中心连线的中垂线对称的位置一段距离，第三反射镜24同向偏离第二反射镜23关于第一半透半反分束镜21和第二半透半反分束镜26的中心连线的中垂线对称的位置相同的距离。其中第一半透半反分束镜21、第一反射镜22、第二反射镜23和第二半透半反分束镜26构成一个光通道，第一半透半反分束镜21、第三反射镜24、第四反射镜25和第二半透半反分束镜26构成另一个光通道；第一成像系统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；第二成像系统4包括沿光路方向依次设置的成像物镜41、探测器42，其中探测器42的靶面位于成像物镜41的后焦面上；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，前置光学系统1形成的准直光束经过第一半透半反分束镜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，发生反射后经第二反射镜23反射后入射到第二半透半反分束镜26，光线经过第二半透半反分束镜26后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一成像系统3的成像物镜31，第二透射光进入第二成像系统4的成像物镜41；第一透射光首先入射到第三反射镜24，经第三反射镜24反射到第四反射镜25，经第四反射镜25反射，光线经过第二半透半反分束镜26后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二成像系统4的成像物镜41，第三透射光进入第一成像系统3的成像物镜31。 在第一成像系统3的探测器32靶面形成目标图像的上半部分如图2中（b）；第二透射光和第三反射光进入第二成像系统4的成像物镜41，在第二成像系统4的探测器42靶面形成目标图像的下半部分如图2中（c）。
本发明双通道高通量干涉成像光谱装置，其中双通道横向剪切分束系统内光路走向如下：前置光学系统1形成的准直光束经过第一半透半反分束镜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，发生反射后经第二反射镜23反射后入射到第二半透半反分束镜26，光线经过第二半透半反分束镜26后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一成像系统3的成像物镜31，第二透射光进入第二成像系统4的成像物镜41；第一透射光首先入射到第三反射镜24，经第三反射镜24反射到第四反射镜25，经第四反射镜25反射，光线经过第二半透半反分束镜26后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二成像系统4的成像物镜41，第三透射光进入第一成像系统3的成像物镜31。
本发明双通道高通量干涉成像光谱装置及方法，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，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通道横向剪切分束系统2；
步骤二：通过前置光学系统1的准直光束进入双通道横向剪切分束系统2，形成两个通道，经两个光通道出射的光被横向剪切，进而引入随视场角变化的光程差信息；
步骤三：被双通道横向剪切分束系统2剪切开的双通道的两束光分别进入第一成像系统3和第二成像系统4，在第一成像系统3的探测器32靶面上和在第二成像系统4的探测器42靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像；
步骤四：对步骤三中携带有干涉条纹的目标图像提取干涉信息，对干涉信息进行傅里叶变换，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。
第一成像系统3和第二成像系统4所成的像是物体的上下部分，将两成像系统所成的像进行拼接，即进行视场拼接，从而实现大画幅的成像。
此外本装置用于可见光和近红外双通道成像探测时，在第一成像系统3前放置一个滤光片，该滤光片只能透过可见光波段，在第二成像系统4前放置一个滤光片，该滤光片只能透过近红外波段，分别加上滤光片后，第一成像系统3对可见光波段实现成像，第二成像系统4对近红外波段实现成像，即该双通道高通量干涉成像光谱装置实现了可见光和近红外的双通道成像。
本发明双通道高通量干涉成像光谱装置采用双通道成像系统成像，利用双通道光束的横向剪切干涉原理，可以实现双视场拼接进行大画幅成像，也可以实现可见光和红外的双通道成像。
Claims (5)
1.一种双通道高通量干涉成像光谱装置，其特征在于：包括沿光路方向依次放置的前置光学系统(1)、双通道横向剪切分束系统(2)、第一成像系统(3)和第二成像系统(4)；其中，前置光学系统(1)包括共光轴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；双通道横向剪切分束系统(2)包括顺时针依次设置的第一半透半反分束镜(21)、第一反射镜(22)、第二反射镜(23)、第三反射镜(24)、第四反射镜(25)和第二半透半反分束镜(26)，第一半透半反分束镜(21)与第二半透半反分束镜(26)平行，第四反射镜(25)偏离第一反射镜(22)关于第一半透半反分束镜(21)和第二半透半反分束镜(26)的中心连线的中垂线对称的位置，第三反射镜(24)偏离第二反射镜(23)关于第一半透半反分束镜(21)和第二半透半反分束镜(26)的中心连线的中垂线对称的位置；第三反射镜(24)与第四反射镜(25)的偏离方向相同，且距离相等；其中第一半透半反分束镜(21)、第一反射镜(22)、第二反射镜(23)和第二半透半反分束镜(26)构成一个光通道，第一半透半反分束镜(21)、第三反射镜(24)、第四反射镜(25)和第二半透半反分束镜(26)构成另一个光通道；光被双通道横向剪切分束系统横向剪切，进而引入光程差信息；在第一成像系统(3)的探测器(32)靶面上和在第二成像系统(4)的探测器(42)靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像；第一成像系统(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；第二成像系统(4)包括沿光路方向依次设置的成像物镜(41)、探测器(42)，其中探测器(42)的靶面位于成像物镜(41)的后焦面上；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。
2.根据权利要求1所述的双通道高通量干涉成像光谱装置，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第一半透半反分束镜(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)，发生反射后经第二反射镜(23)反射后入射到第二半透半反分束镜(26)，光线经过第二半透半反分束镜(26)后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一成像系统(3)的成像物镜(31)，第二透射光进入第二成像系统(4)的成像物镜(41)；第一透射光首先入射到第三反射镜(24)，经第三反射镜(24)反射到第四反射镜(25)，经第四反射镜(25)反射，光线经过第二半透半反分束镜(26)后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二成像系统(4)的成像物镜(41)，第三透射光进入第一成像系统(3)的成像物镜(31)。
3.根据权利要求1所述的双通道高通量干涉成像光谱装置，其特征在于：本装置用于可见光和近红外双通道成像探测时，在第一成像系统(3)前放置一个滤光片，该滤光片只能透过可见光波段，在第二成像系统(4)前放置一个滤光片，该滤光片只能透过近红外波段，分别加上滤光片后，第一成像系统(3)则对可见光波段实现成像，第二成像系统(4)对近红外波段实现成像，即该双通道高通量干涉成像光谱装置实现了可见光和近红外的双通道成像。
4.根据权利要求1所述的双通道高通量干涉成像光谱装置，其特征在于：第一半透半反分束镜(21)、第一反射镜(22)、第二反射镜(23)、第三反射镜(24)、第四反射镜(25)和第二半透半反分束镜(26)采用相同的玻璃材料。
5.一种基于权利要求1所述的双通道高通量干涉成像光谱装置的成像方法，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通道横向剪切分束系统(2)；
步骤二：通过前置光学系统(1)的准直光束进入双通道横向剪切分束系统(2)，形成两个通道；前置光学系统(1)形成的准直光束经过第一半透半反分束镜(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)，发生反射后经第二反射镜(23)反射后入射到第二半透半反分束镜(26)，光线经过第二半透半反分束镜(26)后分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一成像系统(3)的成像物镜(31)，第二透射光进入第二成像系统(4)的成像物镜(41)；第一透射光首先入射到第三反射镜(24)，经第三反射镜(24)反射到第四反射镜(25)，经第四反射镜(25)反射，光线经过第二半透半反分束镜(26)后分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二成像系统(4)的成像物镜(41)，第三透射光进入第一成像系统(3)的成像物镜(31)；经两个光通道出射的光被横向剪切，进而引入随视场角变化的光程差信息；
步骤三：被双通道横向剪切分束系统(2)剪切开的双通道的两束光分别进入第一成像系统(3)和第二成像系统(4)，在第一成像系统(3)的探测器(32)靶面上和在第二成像系统(4)的探测器(42)靶面上得到携带有干涉条纹的目标图像；
步骤四：对步骤三中携带有干涉条纹的目标图像提取干涉信息，对干涉信息进行傅里叶变换，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170804 Termination date: 20201225 |
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