CN108871572B - 双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法及其成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法及其成像装置，包括将目标入射光剪切为两束存在夹角或横向剪切量，且偏振方向为垂直的等振幅线偏振光，两束偏振光再通过改进型格兰棱镜产生四束相干光，并且将四束相干光分为两个通道，每个通道包含的两束光各自干涉并成像，以获得不同波段范围的光谱图像数据，最后通过数据解调、配准、融合得到波段扩展的光谱图像数据。采用共轴光路、单一分光干涉系统，易于双波段视场中图像和光谱配准，满足不同目标宽波段光谱图像同时探测的需要，实现目标双波段二维图像和一维光谱信息的同时探测，具有光谱波段范围宽的独特优势。
Description
技术领域
本发明属于傅里叶变换成像光谱技术领域；涉及一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法；还涉及基于上述方法的双折射傅里叶变换成像光谱装置。
背景技术
20世纪80年代发展起来的干涉成像光谱技术是集双光束干涉技术、面阵光电探测器技术、二维成像技术以及高分辨率光谱技术于一体的高新遥感探测技术。干涉光谱技术，又称傅里叶变换光谱技术，利用目标干涉图与辐射光谱之间内在的傅里叶变换关系，变换反演得到目标的光谱信息，可实现目标的高信噪比、多通道光谱同时测量。建立在这种技术基础上的傅里叶变换成像光谱仪在环境监测、生物医学、天文观察以及遥感等领域也得到了非常广泛的应用。
早期结构多采用迈克尔逊干涉结构，扫描一个完整的周期获取目标完整的光谱和图像信息。但其工作时，需要动镜高精度匀速扫描，且不能发生倾斜或者晃动，对环境扰动敏感，不适宜快速变化目标的准确测量，应用环境和条件也受到极大限制。为解决这一问题，静态傅里叶变换成像光谱仪发展成为了主流。
静态傅里叶变换成像光谱仪按照其分束器的不同又分为反射型(如Sagnac型成像光谱仪)和双折射型。前者采用半透半反分束器和三角共光路系统实现入射光的双光束干涉；后者采用双折射晶体分束器和直线共轴光路将入射光分为两束线偏振光并通过检偏器发生干涉。目前已经发展出以Wollaston棱镜和Savart偏光镜分束器为核心的双折射傅里叶变换成像光谱仪。
对于这类成像光谱仪来说，其性能主要由光谱分辨率、光谱波段范围和信噪比等参数决定。系统一旦确定，其光谱分辨率、光谱波段范围等参数便不能改变。为了满足不同任务的需求，必须具备宽的光谱波段范围、高的光谱分辨率和高的信噪比。但是，系统的光谱波段范围不仅仅受限于探测器的响应范围，同时也取决于系统分光部件的光学效率，单台仪器很难同时满足紫外、可见光到红外宽波段范围探测的需要，这已成为限制成像光谱仪器发展的主要瓶颈。传统获取宽光谱范围数据的方法主要有两种：第一种采用多台成像光谱仪拼接，每一台成像光谱仪获取一部分波段范围内的光谱图像数据，再对其进行拼接得到宽波段范围的光谱图像数据。第二种共用一套前置望远系统，采用分束器或者二向色滤光片等将入射光分为多个光谱波段探测通道，每个通道包含独立的光谱分光成像器件及焦平面探测器，对一部分波段范围进行探测，最后进行波段拼接。
上述两种方式极大地增加了系统重量、体积和复杂程度，对系统装配、定标和图像数据配准提出了很高的要求，造价昂贵，同时由于包含多个分束、分光元件对光能带来了较大的损失，限制了宽波段成像光谱仪器的广泛应用。
发明内容
本发明提供了一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法及其成像装置；采用共轴光路、单一分光干涉系统，易于双波段视场中图像和光谱配准，满足不同目标宽波段光谱图像同时探测的需要，实现目标双波段二维图像和一维光谱信息的同时探测，具有光谱波段范围宽的独特优势。
本发明的技术方案是：一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，包括将目标入射光剪切为两束存在夹角或横向剪切量，且偏振方向为垂直的等振幅线偏振光，改进型格兰棱镜对两束等振幅线偏振光进行分束和检偏，产生四束相干光，并且将四束相干光分为两个波段通道，每个通道包含的两束光各自干涉并成像，以获得不同波段范围的光谱图像数据，最后通过数据解调、配准、融合得到波段扩展的光谱图像数据。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中通过起偏器和棱镜模块将入射光剪切为两束存在夹角或横向剪切量，且偏振方向为垂直的等振幅线偏振光；其中棱镜模块为偏振棱镜或偏光镜，棱镜模块或者为偏振棱镜和偏光镜的组合。
其中使用该方法获取的双波段干涉图干涉分量部分分别表示为：
其中δb1和δb2为棱镜模块产生的两个波段的光程差，t1为起偏器的透过率，t2和t3分别为改进型格兰棱镜中o光和e光透射率，Sb1(σ)和Sb2(σ)分别为两个波段通道中目标点的光谱，σ为波数。
其中棱镜模块为偏光镜，偏光镜的光程差为：
a＝1/ne，b＝1/no为，t为偏光镜偏光板的厚度，ib1和ib2分别为两个焦平面探测器的水平视场角。
其中棱镜模块为偏振棱镜，偏振棱镜的光程差为：δb1＝2Bxtan(α)/Mb1 (3)
δb2＝2Bxtan(α)/Mb2 (4)
其中B＝ne-no为晶体的双折射率，α为偏振棱镜的楔角，Mb1和Mb2分别为双波段成像透镜的放大倍率，x是条纹距离零光程差点的偏移量。
使用该方法对目标光进行傅里叶变换得到的两个光束的光谱表示为：
对应的其光谱分辨率为：
本发明的另一技术方案是：一种双折射傅里叶变换成像光谱装置，该成像装置基于上述的双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，具体包括起偏器，起偏器接入目标光，起偏器连接棱镜模块，棱镜模块连接改进型格兰棱镜，改进型格兰棱镜的左板为等腰三角形，改进型格兰棱镜的两个光路出口分别连接成像镜和面阵探测器。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中棱镜模块为偏振棱镜或偏光镜，或偏振棱镜和偏光镜的组合。
其中棱镜模块的主截面与起偏器的透振方向成±45°，棱镜模块的主截面与改进型格兰棱镜的检偏方向成±45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法与现有的双折射干涉成像光谱仪或者反射式干涉成像光谱仪相比，其优势在于实现了双波段同时获取功能。能够方便有效地覆盖宽光谱波段范围，在满足多任务需要的同时，缩短数据处理时间，提高系统信噪比，从而使仪器总体性能达到最优；其次，其工作原理决定了其不需要类似迈克尔逊干涉仪中的动镜推扫来获取目标的光谱、图像数据，因此抗振能力强，具有较好的航空航天及野外环境适应性。
本发明的有益效果还在于：该装置没有任何运动部件，采用单一双折射干涉分光系统就能够同时获取两个波段的干涉光谱图像数据，覆盖紫外、可见光至红外波段的宽光谱波段范围。相对于传统光谱波段扩展手段，该装置采用共轴光路系统，结构简单、紧凑，装调方便，易于双波段视场和图像配准，满足不同目标宽波段光谱图像同时探测的需要。此外，整个系统结构简单紧凑，设计、加工、调试方便，非常有利于新型成像光谱仪的推广和应用。
附图说明
图1为本发明基于偏振棱镜的结构示意图；
图2为本发明基于偏光镜的结构示意图。
图中1为前置望远系统；2为起偏器；3为棱镜模块；4为改进型格兰棱镜；5为成像镜；6为面阵探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，利用起偏器2和棱镜模块3将目标入射光剪切为两束存在一定角度或横向剪切量，且偏振方向垂直的等振幅线偏振光，然后再由改进型格兰棱镜产生四束相干光，且将四束相干光分为两个通道，最后通过各自对应的成像镜在焦平面上成像，并两两干涉，从而获取目标光谱和图像数据，实现目标入射光的双波段宽光谱同时探测。
其中棱镜模块3为偏振棱镜或偏光镜，棱镜模块或者为偏振棱镜和偏光镜的组合。优选的偏振棱镜为Wollaston棱镜，偏光镜为Savart偏光镜。
其中使用该方法获取的双波段干涉图干涉分量部分分别表示为：
其中δb1和δb2为棱镜模块产生的两个波段的光程差，t1为起偏器的透过率，t2和t3分别为改进型格兰棱镜中o光和e光透射率，Sb1(σ)和Sb2(σ)分别为两个波段通道中目标点的光谱，σ为波数。
其中棱镜模块为偏光镜时，偏光镜的光程差为：
其中，a＝1/ne，b＝1/no为，t为偏光镜偏光板的厚度，ib1和ib2分别为两个焦平面探测器的水平视场角。
其中棱镜模块为偏振棱镜，偏振棱镜的光程差为：δb1＝2Bxtan(α)/Mb1 (3)
δb2＝2Bxtan(α)/Mb2 (4)
其中B＝ne-no为晶体的双折射率，α为偏振棱镜的楔角，Mb1和Mb2分别为双波段成像透镜的放大倍率，x是条纹距离零光程差点的偏移量。
使用该方法对目标光进行傅里叶变换得到的两个光束的光谱表示为：
其对应的光谱分辨率为：
据此，能够针对不同目标探测的需求，采用相应的波段探测器，使其光谱范围能够满足多任务的需求。
本发明的一种双折射傅里叶变换成像光谱装置的实施例为：
实施例1
如图1所示，该成像装置包括起偏器2，起偏器2通过前置望远系统1接入目标入射光，起偏器2还连接棱镜模块3，棱镜模块3为偏振棱镜，偏振棱镜优选为Wollaston棱镜；偏振棱镜3的主截面与起偏器2的透振方向夹角为±45°；偏振棱镜连接改进型格兰棱镜4，偏振棱镜3的主截面与改进型格兰棱镜4的检偏方向夹角为±45°；改进型格兰棱镜4的左板为等腰三角形，且改进型格兰棱镜4输出的两条光路分别通过成像镜5在面振探测器6上成像。
实施例2
如图2所示，该成像装置包括起偏器2，起偏器2通过前置望远系统1接入目标入射光，起偏器2还连接棱镜模块3，棱镜模块3为偏光镜，偏光镜优选为Savart偏光镜；偏光镜的主截面与起偏器2的透振方向夹角为±45°；偏光镜连接改进型格兰棱镜4，偏光镜3的主截面与改进型格兰棱镜4的检偏方向夹角为±45°；改进型格兰棱镜4的左板为等腰三角形，且改进型格兰棱镜4输出的两条光路分别通过成像镜5在面振探测器6上成像。
实施例3
该成像装置中棱镜模块3采用偏光镜和偏振棱镜的组合。
Claims (7)
1.一种双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，其特征在于，包括将目标入射光剪切为两束存在夹角或横向剪切量，且偏振方向为垂直的等振幅线偏振光，改进型格兰棱镜(4)对两束等振幅线偏振光进行分束和检偏，产生四束相干光，并且将四束相干光分为两个波段通道，每个通道包含的两束光各自干涉并成像，以获得不同波段范围的光谱图像数据，最后通过数据解调、配准、融合得到波段扩展的光谱图像数据。
2.根据权利要求1所述的双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，其特征在于，通过起偏器和棱镜模块将入射光剪切为两束存在夹角或横向剪切量，且偏振方向为垂直的等振幅线偏振光；其中棱镜模块为偏振棱镜或偏光镜，棱镜模块或者为偏振棱镜和偏光镜的组合。
3.根据权利要求2所述的双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，其特征在于，使用该方法获取的双波段干涉图干涉分量部分分别表示为：
其中δb1和δb2为棱镜模块产生的两个波段的光程差，t1为起偏器的透过率，t2和t3分别为改进型格兰棱镜(4)中o光和e光透射率，Sb1(σ)和Sb2(σ)分别为两个波段通道中目标点的光谱，σ为波数。
4.根据权利要求3所述的双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，其特征在于，使用该方法对目标干涉光进行傅里叶变换得到的两个波段的光谱表示为：
其对应的光谱分辨率为：
5.一种双折射傅里叶变换成像光谱装置，其特征在于，该成像装置基于权利要求1所述的双折射傅里叶变换成像光谱波段扩展方法，具体包括起偏器(2)，起偏器(2)接入目标光，起偏器(2)连接棱镜模块(3)，棱镜模块(3)连接改进型格兰棱镜(4)，改进型格兰棱镜(4)的左板为等腰三角形，改进型格兰棱镜(4)的两个光路出口分别连接成像镜(5)和面阵探测器(6)。
6.根据权利要求5所述的双折射傅里叶变换成像光谱装置，其特征在于，所述棱镜模块(3)为偏振棱镜或偏光镜，或偏振棱镜和偏光镜的组合。
7.根据权利要求6所述的双折射傅里叶变换成像光谱装置，其特征在于，所述棱镜模块(3)的主截面与起偏器(2)的透振方向成±45°，棱镜模块(3)的主截面与改进型格兰棱镜的检偏方向成±45°。
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