CN108931298B - 一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪，采用在像面前会聚光路中使用改进型横向剪切干涉仪，不需要二次成像的工作模式，直接放置于前置望远物镜和探测器之间就能实现干涉光谱成像，既保持了时空联合调制型干涉成像光谱仪高通量、高稳定性和高灵敏度的优点，同时还能克服原有技术的不足，大大降低干涉成像光谱仪的体积、质量，结构极其紧凑。

Description

一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪。

背景技术

光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，将光谱和成像技术相结合，在成像过程中，以优于纳米级的光谱分辨率，获得地物几十乃至上千个波段的连续光谱信息，实现了目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取形成三维数据立方体。可直接反映出被观测物体的几何影像和理化信息，实现对目标特性的综合探测感知与识别。与传统的遥感技术相比，成像光谱仪不但能够获得被测目标的图像，还能够得到空间目标的光谱特征，因为它具有更强大的信息获取能力，极大地扩展了遥感探测技术的目标识别、监测能力，具有其它遥感技术不可取代的优势，被广泛应用于资源勘探、环境和灾害监测、刑事物证鉴定等各种领域。一般的光谱成像系统都分为前置望远物镜和光谱仪系统两个部分，其中光谱仪系统是整个仪器的核心，其分光方式直接影响系统的光机结构复杂性和整个体积质量。按照分光方式的不同光谱成像主要分为棱镜/光栅色散型、干涉成像型等。

其中，基于光栅或棱镜的色散型成像光谱技术优势在于它的原理简明，不需要经过其他处理，光谱数据能直接获取，因此是最早进入工程应用的。但是由于色散型成像光谱仪具有狭缝，其光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，因此，要获得更高的光谱分辨率，就需要减小狭缝的宽度，这大大限制了系统的能量通过能力，存在探测灵敏度低的缺点。

干涉成像光谱技术利用光的干涉原理获取目标干涉数据信息，再利用数据处理方法获得目标的光谱信息，相较于色散型成像光谱技术，具有更高的探测灵敏度、更高的信噪比。按照干涉信息调制方法的不同，可分为时间调制干涉成像光谱仪、空间调制干涉成像光谱仪和时空联合调制干涉成像光谱仪。时间调制干涉成像光谱仪基本都是基于迈克尔逊干涉仪及其变形的形式，系统中没有狭缝，原理如图1所示，它通过动镜的往返运动获得光程差，使被分束器分开的两束光在像面上形成干涉。动镜的往返运动与时间相关，因而此类成像光谱仪的干涉图是随着时间的变化而被采集的。主要优点是灵敏度高、光谱分辨率高，但是具有运动部件，造成了其稳定性差的不足。而基于静态干涉成像光谱技术的空间调制干涉成像光谱仪回避了时间调制干涉成像光谱仪中具有运动部件的问题，如图2所示。但是系统中一次像面处出现了狭缝，因此其光通量仍然受到了限制，信噪比下降。为了同时获得高通量、高稳定性和高灵敏度的特点，产生了时空联合调制干涉成像光谱仪，其原理图如图3所示。时空联合调制干涉成像光谱仪在像面上不同视场处，具有不同的光程差。当平台推扫整个视场后，就得到了整个光程差的干涉图。由于其没有狭缝和运动部件，因而具有高光谱分辨率、高通量和高稳定性等优点，目前，正逐渐成为国际上一个新的研究热点。

显然，无论是时间、空间还是时空联合调制型干涉型成像光谱仪其整个光学系统都由多个部分组成，都需要望远物镜先将目标成像到一次像面或狭缝，然后光线通过干涉仪后再次成像，整个系统体积过于庞大、复杂。而二次成像这种工作模式的存在导致系统难以进一步降低体积、质量，难以适应轻小型、快速灵活搭载平台的应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪，具有加工装调容易、结构紧凑、高通量和高稳定性的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪，包括：前置望远物镜系统、横向剪切干涉仪及面阵探测器，各部分通过相机整体结构固连；其中：

目标光束经过前置望远物镜系统会聚成像，主光线垂直于分界面入射横向剪切干涉仪；任一条光线经过横向剪切干涉仪后分成两条互相分离的相干光线，出射后相遇形成双光束干涉，并被面阵探测器接收；一次曝光成像整个面阵探测器获取目标二维空间信息，以及与该目标所在视场位置对应的光程差的干涉信息；通过平台推扫运动，目标遍历整个视场，得到全光程差的干涉数据，实现三维数据立方体获取。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，干涉仪工作在汇聚光路中，不需要二次成像的工作模式，直接放置于前置望远物镜和探测器之间就能实现干涉光谱成像，既保持了时空联合调制型干涉成像光谱仪高通量、高稳定性和高灵敏度的优点，同时还能克服原有技术的不足，大大降低干涉成像光谱仪的体积、质量，结构极其紧凑。

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时间调制型干涉成像光谱仪的示意图；

图2为本发明背景技术提供的空间调制型干涉成像光谱仪的示意图；

图3为本发明背景技术提供的时空联合调制型干涉成像光谱仪的示意图

图4为本发明实施例提供的一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪的示意图；

图5为本发明实施例提供的横向剪切干涉仪的示意图；

图6为本发明实施例提供的横向剪切干涉仪相干原理示意图。

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。

本发明针对现有成像光谱仪系统体积大，结构复杂的问题，提出了一种加工装调容易、结构紧凑、高通量和高稳定性的时空联合调制型干涉成像光谱仪。本发明方案中的干涉仪工作在汇聚光路中，不需要二次成像的工作模式，直接放置于前置望远物镜和探测器之间就能实现干涉光谱成像，既保持了时空联合调制型干涉成像光谱仪高通量、高稳定性和高灵敏度的优点，同时还能克服原有技术的不足，大大降低干涉成像光谱仪的体积、质量，结构极其紧凑。如图4所示为发明实施例提供的一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪的示意图，其主要包括：

前置望远物镜系统1、横向剪切干涉仪2及面阵探测器3，各部分通过相机整体结构固连；其中：前置望远物镜系统1实现对目标成像的功能；横向剪切干涉仪2是干涉元件，实现对光线的横向剪切，目标的任意一条光线经过横向剪切干涉仪后分成两条互相分离的相干光线，相遇后发生干涉；面阵探测器3通过光电效应获取和记录数字信息，一次曝光成像整个面阵探测器获取目标二维空间信息，以及与该目标所在视场位置对应的光程差的干涉信息。通过平台推扫运动，目标遍历整个视场，得到全光程差的干涉数据，实现三维数据立方体获取。

本发明实施例中，为了使横向剪切干涉仪内各视场光线产生完全相同的光程差，并且在分界面处折射情况一致，要求系统中各视场具有相同的光束结构，因此进入干涉仪的光束必须是远心光束，即要求前置望远物镜系统设计成像方远心系统。

本发明实施例中，横向剪切干涉仪是本方案的关键部件，它是分光产生双光束干涉的元件，如图5所示，其主要包括：第一角反射体4、第二角反射体6以及设置在两个角反射体之间的分束膜5；区别于传统横向剪切干涉仪，上述两个角反射体中用于反射入射光线的第二个反射面均发生一定角度的倾斜(相对于图5中虚线所示)，保证了剪切后的出射双光束相遇发生干涉，倾斜角度的具体数值可以根据实际情况来设定。

本发明实施例提供的干涉成像光谱仪的工作流程如下：

1)前置望远物镜系统设计成像方远心系统，目标光束经过前置望远物镜系统会聚成像，主光线垂直于分界面入射横向剪切干涉仪。

2)横向剪切干涉仪位于像面前，从前置望远物镜系统出射的会聚光束会先进入横向剪切干涉仪，通过横向剪切干涉仪内部的分束膜分光，得到射向第二角反射体的透射光线和第一角反射体中的反射光线。

3)反射光线在第一角反射体中先后经过两次反射后从横向剪切干涉仪中出射。

4)透射光线在第二角反射体中先后经过三次反射后从横向剪切干涉仪中出射。

5)由于第一与第二角反射体中两反射面小角度倾斜，出射的两光束相遇形成双光束干涉，干涉信号被面阵探测器接收；一次曝光成像整个面阵探测器获取目标二维空间信息，以及与该目标所在视场位置对应的光程差的干涉信息；通过平台推扫运动，目标遍历整个视场，得到全光程差的干涉数据，实现三维数据立方体获取。

如之前所述，横向剪切干涉仪中第一与第二角反射体中两反射面小角度倾斜，保证了剪切后的出射双光束相遇发生干涉；下面针对其原理做详细介绍。

干涉成像光谱技术的基础理论与干涉光谱技术是完全相同的，都是利用各种技术手段通过测量目标的干涉强度分布I(x)来复原获得产生该干涉的目标的光谱强度分布B(σ)，两者是傅里叶变换与反变换的关系。而干涉强度分布I(x)即为探测器接收的对应各光程差x处的干涉强度信息，为了能够准确的复原目标的光谱强度分布B(σ)，必须了解本方案中干涉仪光程差x的产生原理。

考虑到进入干涉仪的光束是远心光束，各视场具有完全相同的光束结构，不失一般性，选择中心视场光线进行分析。如图6所示，为横向剪切干涉仪相干原理示意图，轴上视场主光线垂直于分界面入射横向剪切干涉仪，第一、第二角反射体宽度分别为a、b，相对偏移为h。

先分析反射面未倾斜时产生横向剪切的结果，根据图中光线几何关系，则剪切量d为：

d＝O₃O₄+O₇O₈ (1)

其中，

从图中几何关系可知，

O₇C₂＝b-B₂O₂ (4)

将公式(2)～(4)代入(1)中，整理可得：

从公式(5)可知，光线在干涉仪中被分为两束，两者之间的横向剪切量仅与干涉仪的结构参数有关，与光线本身入射情况无关。亦即，任意光线经过干涉仪后的横向剪切量是定值。

如图6所示，光线由O₁入射横向剪切干涉仪，在分束膜的O₂位置分束为透射光线与反射光线，反射光线通过第一角反射体产生两次反射后出射横向剪切干涉仪，其路径为O₂→O₃→O₄→O₅→O₆，用OPD₁表示；透射光线通过第二角反射体产生三次反射后出射横向剪切干涉仪，其路径为O₂→O₇→O₈→O₉→O₁₀，用OPD₂表示；则两束光的光程差OPD为：

OPD＝OPD₁-OPD₂ (6)

其中，

OPD₁＝O₂O₃+O₃O₄+O₄O₅+O₅O₆ (7)

OPD₂＝O₂O₇+O₇O₈+O₈O₉+O₉O₁₀ (8)

从图中几何关系可知，

O₉O₁₀-O₅O₆＝d (11)

将公式(7)～(11)代入(6)中，整理可得：

从公式(5)中已经推导出剪切量d与结构参数的关系，代入上式可得：

若要求轴上视场光程差为0，则偏移量必须满足：

在上述推导过程中忽略了剪切干涉仪介质折射率n的影响，因为光线都处于同一种介质中，并不影响最终结果。

显然，此时两出射光束O₆O₁₁、O₁₀O₁₂垂直入射探测器且不相交，在会聚光路中无法产生干涉，需要改进横向剪切干涉仪中光束路径。如图6虚线所示，当剪切干涉仪中的第一与第二两角反射体反射面A₁C₁、B₃C₃发生小角度θ倾斜时，出射光束与分界面A₂B₁分别交于O₆′、O₁₀′两点，与A₂B₁法线夹角为2θ。若介质折射率为n，折射角为θ′，则根据折射定律有：

nsin2θ＝sinθ' (15)

此时，两光线于O₆′、O₁₀′两点以角度θ′出射，并交于探测器O点，两光束相交发生干涉。两光束对应像面为I₁、I₂，因像面与主光线垂直，则两像面与探测器夹角为θ′。对于探测器上任意点Y，在两像面I₁、I₂上对应像点Y₁、Y₂，Y₁、Y₂两者与Y之间的距离为该点光程差x，即：

x＝2sinθ'·y (16)

由几何关系可知：

2(tanθ'·O₆O₁₁+tan2θ·O₄O₆)＝d (17)

当θ较小时：tanθ≈sinθ，代入上式可得：

将式(18)代入(16)中可知：

由公式(19)可知，光程差是y的线性函数，y与视场对应，实际成像过程中通过平台推扫运动，目标遍历整个视场，就可以得到全光程差的干涉数据，实现两维空间信息和一维光谱信息的获取。

本领域技术人员可以理解，上述原理介绍时，所涉及的一系列带下标的标记O表示的是位置点，而在公式中出现的两个标记形式的参数，则表示两个位置点的直线距离，例如公式(2)中的“C₁O₃”；如果两个位置点均与光线相关，则也可以理解为相应的光线，例如，前文提到的“出射光束O₆O₁₁、O₁₀O₁₂”。

与现有技术方案相比，本发明的主要为：

1)采用在像面前会聚光路中使用改进型横向剪切干涉仪，克服了二次成像带来的体积庞大、结构臃肿的缺点，使得整个成像光谱仪系统紧凑、轻便，降低了加工装调难度和研制成本。

2)前置望远物镜系统构成像方远心光路，使各视场光线在系统中具有相同的光束结构，减少了光程差不一致性所带来的一系列问题。

3)无狭缝，无运动部件，具有高通量，高稳定性优点。

4)成像光谱系统可进行一体化的优化设计，提高系统设计、加工、装调过程的精度。

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 (2)

1.一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪，其特征在于，包括：前置望远物镜系统、横向剪切干涉仪及面阵探测器，各部分通过相机整体结构固连；其中：

目标光束经过前置望远物镜系统会聚成像，主光线垂直于分界面入射横向剪切干涉仪；任一条光线经过横向剪切干涉仪后分成两条互相分离的相干光线，出射后相遇形成双光束干涉，并被面阵探测器接收；一次曝光成像整个面阵探测器获取目标二维空间信息，以及与该目标所在视场位置对应的光程差的干涉信息；通过平台推扫运动，目标遍历整个视场，得到全光程差的干涉数据，实现三维数据立方体获取；

其中，所述横向剪切干涉仪包括：第一角反射体、第二角反射体以及设置在两个角反射体之间的分束膜；其中，两个角反射体中用于反射入射光线的第二个反射面均发生一定角度的倾斜；从前置望远物镜系统出射的会聚光束通过分束膜分光，得到射向第二角反射体的透射光线和第一角反射体中的反射光线；反射光线在第一角反射体中先后经过两次反射后从横向剪切干涉仪中出射；透射光线在第二角反射中先后经过三次反射后从横向剪切干涉仪中出射，且出射的两光束相遇形成双光束干涉。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪，其特征在于，所述前置望远物镜系统为像方远心系统。

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