CN107664514A - 一种多幅干涉成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

发明所提供的多幅干涉成像光学系统，包括多孔径镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、测量镜组以及光电转换元件阵列。由多孔径镜组接收目标物发出的光并形成目标物的像，像光经过分光镜的投射和反射，并经第一反射镜和第二反射镜反射后形成干涉光，经测量镜组将干涉光汇聚到光电转换元件阵列，由光电转换元件阵列接收和记录，从而成像获得目标物的多幅不同相位差下的干涉图像；本实施例多幅干涉成像光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，其光学视场角大，光通量高，整体系统简单，可靠性高，构建成本低。可以为快照式获得被测物体的二维图像信息和一维光谱信息提供数据基础。

Description

一种多幅干涉成像光学系统
技术领域
本发明涉及干涉测量应用技术领域，特别是涉及一种多幅干涉成像光学系统。
背景技术
现有技术中，普通的成像系统由成像物镜组和光电转换器件阵列构成，物体光进入成像物镜组，形成的像由光电转换器件阵列接收，从而得到物体图像，通过成像系统可实时记录和观测物体形貌。
而光波干涉现象是一种基本的光学物理现象，光学干涉测量是通过产生相干的两路光，一路作为参考光，一路作为测量光，参考光照射到位置固定的参考反射镜，测量光照射到被测对象，由参考反射镜反射回的参考光与被测对象反射回的物光光波叠加发生干涉，干涉条纹反映两路光光程差信息，从而根据干涉条纹的变化获得被测对象的特征信息。光学干涉测量技术不仅可测量长度、位移，还可获得物体显微的光谱信息、偏振信息等多种特性信息。
现有傅里叶变换光谱仪是利用傅里叶变换技术，根据动镜的沿光轴的移动，来生成不同光程差下的目标干涉图，再将干涉图进行傅里叶变换，进而解算出目标光谱分布的仪器。虽然此系统具有光谱分辨率高的特点，但由于存在动镜推扫过程，因而系统的时间分辨率低、抗震能力不足，只能对静止目标测量。
在某些应用方面，需要抛弃推扫过程，对动目标进行三维测量，快速获取目标的二维图像信息和像素级光谱信息。在这种情况下，普通的傅里叶变换光谱仪便不能派上用场。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中无法对动目标进行测量，从而无法解算被测动目标的光谱曲线的技术问题，提供一种多幅干涉成像光学系统，能够在一次探测器积分时间内，成像获得携带目标物形貌信息的多幅不同光程差下的干涉图像，进而可以解算出被测目标每个像元的光谱曲线分布。
本发明提供一种实施例的多幅干涉成像光学系统，包括多孔径镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、测量镜组和光电转换元件阵列；
所述多孔径镜组用于接收物光并形成多幅目标物的像；
所述分光镜位于所述多孔径镜组的像空间，所述分光镜透射部分像光形成一路透射光，所述分光镜反射部分形成一路反射光；
所述第一反射镜位于分光镜的该路透射光照方向上，透射光照射到所述第一反射镜，经第一反射镜反射后返回到所述分光镜中；
所述第二反射镜位于分光镜的该路反射光照方向上，反射光照射到所述第二反射镜，经第二反射镜反射后返回到所述分光镜中；
所述测量镜组位于分光镜产生的干涉光照方向上，所述光电转换元件阵列位于所述测量镜组的后焦平面上，第一反射镜反射到分光镜中的光与第二反射镜反射到分光镜中的光汇合并在空间域发生干涉，测量镜组将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列，由所述光电转换元件阵列对干涉光进行接收和记录；
其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的任意一个到所述分光镜的距离固定，另外一个可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置，在所属光学系统工作时，所述第一反射镜和第二反射镜的位置关系固定。
所述第一反射镜或第二反射镜采用固定倾斜放置时，其与所述分光镜之间的光学介质为空气、玻璃或光学胶体。
在所述分光镜对应第一反射镜或第二反射镜的一面上直接加工出具有倾斜角度的光学平面，从而形成所述第一反射镜或第二反射镜。
所述多孔径镜组的物方一侧设置具有预设带通范围的滤光片，所述滤光片的滤光范围涵盖电磁波的紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
还包括一多维控制器，所述第一反射镜或第二反射镜与所述多维控制器相连接，所述多维控制器控制与其连接的反射镜与光轴的夹角或驱动该反射镜转动或沿光轴方向移动。
所述多维控制器控制与其连接的反射镜与对应光轴的夹角或驱动该反射镜沿光轴方向移动，该反射镜在保持空间角度α、β不变的前提下，移动方向与光轴平行，空间角度α、β的范围均为0°-45°；
其中，以分光镜的中心为原点建立三维直角坐标系，以像光经分光镜透射的方向为Z轴方向，以像光经分光镜反射的方向为X轴方向，Y轴垂直于Z轴及X轴，空间角度α为该反射镜所在的平面与YOZ平面的交角为，空间角度α为该反射镜所在的平面与ZOX平面的交角。
所述分光镜朝向所述多孔径镜组一面的通光孔径等于或大于所述多孔径镜组像方一侧的通光孔径。
所述分光镜朝向所述测量镜组一面的通光孔径等于或小于所述测量镜组朝向所述分光镜一侧的通光孔径。
所述分光镜为分光棱镜，分光棱镜为正方体结构，所述分光棱镜的第一表面、第三表面垂直于所述多孔径镜组的中心光轴方向，第二表面、第四表面垂直于所述测量镜组的光轴方向。
所述光电转换元件阵列包括CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列光电转换器件。
本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明多幅干涉成像光学系统，能成像获得携带移动目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，从而为获得物体显微的光谱信息、偏振等提供数据基础。同时进一步的通过调整两个反射镜的三维角度，实现不同的光程差效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多幅干涉成像光学系统的示意图。
图2为本发明另一实施例提供的一种多幅干涉成像光学系统的示意图。
10-多孔径镜组、11-分光镜、12-第一反射镜、13-第二反射镜、14-测量镜组、15-光电转换元件阵列、16-滤光片、17-多维控制器、18-分光膜系面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提供一种实施例的多幅干涉成像光学系统，包括多孔径镜组10、分光镜11、第一反射镜12、第二反射镜13、测量镜组14和光电转换元件阵列15；
所述多孔径镜组10用于接收物光并形成多幅目标物的像；
所述分光镜11位于所述多孔径镜组10的像空间，所述分光镜11透射部分像光形成一路透射光，所述分光镜11反射部分形成一路反射光；
所述第一反射镜12位于分光镜11的该路透射光照方向上，透射光照射到所述第一反射镜12，经第一反射镜12反射后返回到所述分光镜11中；
所述第二反射镜13位于分光镜11的该路反射光照方向上，反射光照射到所述第二反射镜13，经第二反射镜13反射后返回到所述分光镜11中；
所述测量镜组14位于分光镜11产生的干涉光照方向上，所述光电转换元件阵列15位于所述测量镜组14的后焦平面上，第一反射镜12反射到分光镜11中的光与第二反射镜13反射到分光镜11中的光汇合并在空间域发生干涉，测量镜组14将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列15，由所述光电转换元件阵列15对干涉光进行接收和记录；
其中，所述第一反射镜12和所述第二反射镜13中的任意一个到所述分光镜11的距离固定，另外一个可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置。
多孔径镜组10和测量镜组14是由透镜组成的光学组件，其中多孔径镜组10用于接收物光并形成目标物的像，分光镜11位于多孔径镜组的像空间，其中第一反射镜12和第二反射镜13分别处于由多孔径镜组10和分光镜11组成的光学系统的焦平面附近，使像光中透射的部分光和反射的部分光分别照射到第一反射镜12和第二反射镜13。
本实施例多幅干涉成像光学系统中，由多孔径镜组10接收目标物发出的光并形成目标物的像，像光经过分光镜11，一部分进行透射，另一部分进行反射，透射光照射到第一反射镜12，反射后返回到分光镜11被反射出；反射光照射到第二反射镜13，反射后返回到分光镜11被透射出，第一反射镜12和第二反射镜13中的任意一个到分光镜11的距离固定，另外一个可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置，通过可移动反射镜调整两路光之间的光程差；由分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经测量镜组14将干涉光汇聚到光电转换元件阵列15，由光电转换元件阵列15接收和记录，从而成像获得目标物的干涉图像。
请参考图1，为本实施例提供的一种多幅干涉成像光学系统的示意图。本实施例多幅干涉成像光学系统包括多孔径镜组10、分光镜11、第一反射镜12、第二反射镜13、测量镜组14以及光电转换元件阵列15。
所述多孔径镜组10用于接收物光并形成目标物的像。多孔径镜组10由透镜组成，应用中可以根据具体的使用需求，相应设计多孔径镜组的相关结构参数，比如每个孔径的直径、正反面的曲率半径、中心厚度、位置关系等。
分光镜11位于多孔径镜组10的像空间。所述分光镜11透射部分像光形成一路透射光，反射部分像光形成另一路反射光。请参考图1所示，本实施例描述中以分光镜11的中心为原点建立三维直角坐标系，以像光经分光镜11透射的方向为Z轴方向，以像光经分光镜11反射的方向为X轴方向，Y轴垂直于Z轴及X轴。
第一反射镜12位于Z轴上，其镜面垂直于Z轴。像光中经分光镜11透射的部分光照射到第一反射镜12，经第一反射镜12反射后，返回到分光镜11中。其中，第一反射镜12位于由多孔径镜组10和分光镜11组成的光学系统的焦平面上，使目标物可成像在第一反射镜12上。
第二反射镜13位于X轴上，其镜面垂直于X轴。像光中经分光镜11反射的部分光照射到第二反射镜13上，经第二反射镜13的反射后，返回到分光镜11中。其中，第二反射镜13位于由多孔径镜组10和分光镜11组成的光学系统的焦平面上，使目标物成像在第二反射镜13上。
本实施例中，优选为所述分光镜11对光的透过率和反射率的比值近似于1:1，使分成两路光光强度均匀一致，使形成的干涉图像清晰，对比度高。由于本光学系统对一定光谱带宽内的光进行处理，因此所述分光镜11要求在本光学系统的整个光谱带宽内具有较好的分光特性，能达到1:1分光特性。
优选的，所述分光镜11朝向所述多孔径镜组10一面的通光孔径大于或等于所述多孔径镜组10像方一侧的通光孔径，这样可以保证，多孔径镜组10的出射光能够全部进入分光镜11。
由分光镜11反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经测量镜组14汇聚到所述光电转换元件阵列15。所述分光镜11朝向所述测量镜组14一面的通光孔径小于或等于所述测量镜组14朝向所述分光镜11一侧的通光孔径，这样可以保证干涉光全部通过测量镜组14，减小系统的光通量损失。
所述分光镜11可采用分光棱镜，所述分光棱镜优选为正四棱柱。分光棱镜的中心位于多孔径镜组10的光轴上，所述分光棱镜的第一表面垂直于所述多孔径镜组10的光轴方向，第二表面垂直于照射在所述第一反射镜12的透射光的传播方向，第三表面垂直于照射在所述第二反射镜13的反射光的传播方向，第四表面垂直于所述测量镜组14的光轴方向。
本实施例分光棱镜在对角面(指图中的分光膜系面18)上设置有多层分光膜层，通过分光膜层实现对入射光的分光作用，所述分光棱镜可采用消偏振分光棱镜或者偏振分光棱镜。
优选的，可参考图2，在本实施例多幅干涉成像光学系统的一种具体实施方式中，可在多孔径镜组10的物方一侧设置具有预设带通范围的滤光片16，通过滤光片16控制目标物光通过的波段范围。在应用中，可以根据具体使用需求设置滤光片16的带通范围。本实施例中所述滤光片的带通范围可以涵盖紫外光谱段、可见光谱段、红外光谱段等全谱段范围。并且优选的，滤光片16在其带通范围内具有较高的光学透过率，可以减少光能损失。
进一步地，结合图2所示，本实施例中，所述多幅干涉成像光学系统还包括一多维控制器17，在第一反射镜12和第二反射镜13中，可沿光路方向移动的反射镜由多维控制器17连接，多维驱动器17用于带动该反射镜沿其所在光路方向移动。当然，所述多维驱动器17还可以驱动与其相连接的反射镜相对光轴倾斜转动，可实现该反射镜的倾斜固定设置。如，第一反射镜12倾斜固定放置，这里假设第一反射镜12倾斜放置后所在的平面与YOZ平面的交角为α，与ZOX平面的交角为β，则α、β的范围均为0度～45度。
本实施例中，到分光镜11距离固定的反射镜，可以是独立设置的反射镜，或者也可以是与分光镜11集成一体，成为分光镜的一个内反射表面。该固定反射镜的镜面要具有较高面形精度，避免为干涉图像引入相位误差，其面形精度最好优于直线驱动器的位移精度。进一步的，该固定反射镜的平均反射率要尽可能高，以保证光学系统的光通量损失较小。
进一步地，到分光镜11距离固定的反射镜的镜面面积要大于由所述多孔径镜组10和所述分光镜11组成的光学系统形成的出射光在该反射镜镜面上形成的投影面面积，保证使目标物像完整成像到该反射镜上。
更进一步地，该距离固定反射镜的反射带通范围大于本光学系统的光谱段范围Δλ(即滤光片16的带通范围)，使得像光中全光谱段光都能被反射。
由分光镜11反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经测量镜组14汇聚到所述光电转换元件阵列15。所述光电转换元件阵列15位于所述测量镜组14的像方焦平面上，使干涉图像成像到光电转换元件阵列上，保证获得干涉图像清晰。
测量镜组14透射光光谱带宽应大于本光学系统的光谱段范围Δλ，光电转换元件阵列15的光谱带宽应大于本光学系统的光谱段范围Δλ。另外，光电转换元件阵列15的频率应根据系统的实际应用要求而定。所述光电转换元件阵列15可以是CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD(雪崩二极管)元件阵列，其构型可以为线阵探测器、面阵探测器或者单点探测器等形式。
本实施例多幅干涉成像光学系统，多孔径镜组10可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。多孔径镜组10可以为单孔径透镜组或多孔径透镜组，可以是普通透镜组、像方远心透镜组、物方远心透镜组、像方物方双远心透镜组等结构形式。
测量镜组14可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。可以为单孔径透镜组或多孔径透镜组。
所述第一反射镜12或者所述第二反射镜13可以采用平面反射镜、角锥反射镜等各种类型的反射镜。
更进一步地，所述多孔径镜组10的后截距l满足以下关系式：
l≥a+d+w；
其中，a表示所述分光镜朝向所述多孔径镜组一面的宽度，d表示可移动反射镜的移动行程d，w表示所述多幅干涉成像光学系统的机械装配空间w。
由上述技术方案可知，本发明所提供的多幅干涉成像光学系统，包括多孔径镜组10、分光镜11、第一反射镜12、第二反射镜13、测量镜组14以及光电转换元件阵列15。由多孔径镜组10接收目标物发出的光并形成目标物的像，像光经过分光镜，一部分透射一部分反射，透射光照射到第一反射镜12，反射后返回到分光镜被反射出，反射光照射到第二反射镜13，反射后返回到分光镜被透射出，第一反射镜12和第二反射镜13中的任意一个到分光镜11的距离固定，另外一个可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置，通过可移动反射镜调整两路光之间的光程差；由分光镜11反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经测量镜组14将干涉光汇聚到光电转换元件阵列15，由光电转换元件阵列15接收和记录，从而成像获得目标物的多幅不同相位差下的干涉图像。
本实施例多幅干涉成像光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，其光学视场角大，光通量高，整体系统简单，可靠性高，构建成本低。可以为快照式获得被测物体的二维图像信息和一维光谱信息提供数据基础。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种多幅干涉成像光学系统，其特征在于：包括多孔径镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、测量镜组和光电转换元件阵列；
所述多孔径镜组用于接收物光并形成多幅目标物的像；
所述分光镜位于所述多孔径镜组的像空间，所述分光镜透射部分像光形成一路透射光，所述分光镜反射部分形成一路反射光；
所述第一反射镜位于分光镜的该路透射光照方向上，透射光照射到所述第一反射镜，经第一反射镜反射后返回到所述分光镜中；
所述第二反射镜位于分光镜的该路反射光照方向上，反射光照射到所述第二反射镜，经第二反射镜反射后返回到所述分光镜中；
所述测量镜组位于分光镜产生的干涉光照方向上，所述光电转换元件阵列位于所述测量镜组的后焦平面上，第一反射镜反射到分光镜中的光与第二反射镜反射到分光镜中的光汇合并在空间域发生干涉，测量镜组将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列，由所述光电转换元件阵列对干涉光进行接收和记录；
其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的任意一个到所述分光镜的距离固定，另外一个可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置，在所属光学系统工作时，所述第一反射镜和第二反射镜的位置关系固定。
2.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述第一反射镜或第二反射镜采用固定倾斜放置时，其与所述分光镜之间的光学介质为空气、玻璃或光学胶体。
3.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：在所述分光镜对应第一反射镜或第二反射镜的一面上直接加工出具有倾斜角度的光学平面，从而形成所述第一反射镜或第二反射镜。
4.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述多孔径镜组的物方一侧设置具有预设带通范围的滤光片，所述滤光片的滤光范围涵盖电磁波的紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
5.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：还包括一多维控制器，所述第一反射镜或第二反射镜与所述多维控制器相连接，所述多维控制器控制与其连接的反射镜与光轴的夹角或驱动该反射镜转动或沿光轴方向移动。
6.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于，所述多维控制器控制与其连接的反射镜与对应光轴的夹角或驱动该反射镜沿光轴方向移动，该反射镜在保持空间角度α、β不变的前提下，移动方向与光轴平行，空间角度α、β的范围均为0°-45°；
其中，以分光镜的中心为原点建立三维直角坐标系，以像光经分光镜透射的方向为Z轴方向，以像光经分光镜反射的方向为X轴方向，Y轴垂直于Z轴及X轴，空间角度α为该反射镜所在的平面与YOZ平面的交角为，空间角度α为该反射镜所在的平面与ZOX平面的交角。
7.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述分光镜朝向所述多孔径镜组一面的通光孔径等于或大于所述多孔径镜组像方一侧的通光孔径。
8.根据权利要求1所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述分光镜朝向所述测量镜组一面的通光孔径等于或小于所述测量镜组朝向所述分光镜一侧的通光孔径。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述分光镜为分光棱镜，分光棱镜为正方体结构，所述分光棱镜的第一表面、第三表面垂直于所述多孔径镜组的中心光轴方向，第二表面、第四表面垂直于所述测量镜组的光轴方向。
10.根据权利要求6所述的多幅干涉成像光学系统，其特征在于：所述光电转换元件阵列包括CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列光电转换器件。
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