CN109632099B - 一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种法布里‑珀罗干涉型成像光谱仪，包括依次设置的聚焦透镜、第一微透镜阵列、F‑P谐振腔、第二微透镜阵列和探测相机；目标物体放置在所述聚焦透镜一侧，目标物体发出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上；所述探测相机位于所述第二微透镜阵列的后焦面处；所述聚焦透镜将入射光聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上，再通过所述第一微透镜阵列将入射光平行入射到所述F‑P谐振腔上，从所述F‑P谐振腔出射的平行光再入射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。其结构简单，分辨率高，精确度高，成像性能好。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪。
背景技术
成像光谱技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，所以利用该技术发明的成像光谱仪集合了相机和光谱仪两者的功能。它能够探测到目标场景的三维光谱立方体，即目标场景的图像信息和图像中各点的光谱信息。光谱仪采用的分光技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积。应用较为广泛的成像光谱仪主要是色散型和干涉型，但色散型成像光谱仪的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，就需不断减小狭缝的宽度，这样就会使通过整个系统的能量很低，从而导致探测灵敏度很低。随着对成像光谱仪的空间分辨率、光谱分辨率、和对弱信号的探测能力等性能要求越来越高，而利用干涉技术的干涉型成像光谱仪在原理上具有高分辨率和高能量利用率等优点，能够满足越来越高的应用需求。
干涉型成像光谱技术可分为双光束干涉法和多光束干涉法，基于多光束干涉法较为典型的就是法布里-珀罗(Fabry-Perot)分光技术。F-P干涉仪的装置是由两块镀有高反射膜的平板组成，光在两平板间多次反射和折射，形成多光束干涉，所以它具有极高的光谱分辨率。Jarkko Antila等人和Neelam Gupta等人分别研制了一种基于微机电系统技术的F-P干涉仪，该F-P干涉仪的重点在于利用微机电技术控制两反射镜间的空气间隔，进而控制滤波选择，这种微机电结构可以有效降低高光谱成像仪的尺寸、重量以及所消耗的功率，还能减少设计和加工等方面的成本。Anbang Fu等人提出了一种可调谐法布里-珀罗高光谱成像干涉仪，该结构通过低幅度的电信号来调整填充在法布里-珀罗干涉腔中液晶材料的折射率，再利用薄膜矩阵方程，可以计算出从F-P谐振腔中出射的红外光谱特性。AaltoUniversity在推动的3U-cubesat项目，其中对地球表面进行探测的成像光谱仪的结构就是基于一个可调谐法布里-珀罗干涉仪和一台RGB三通道CMOS图像传感器。采用压电陶瓷来改变腔长，从而达到滤波的效果。
上述F-P干涉仪的技术关键都在于如何提高平行腔间的反射率和如何更精准得控制两个平行腔的平行度，以获得更高的分辨率和光谱范围。但是，光谱分辨率依然只有10nm左右，其主要原因是单一孔径的成像系统中，任一成像点都对应一定发散角的入射光线，而法布里珀罗干涉仪的光谱分辨率对入射光的发散角又极其敏感，因此分辨率会下降。如图1所示，为传统的法布里-珀罗干涉光谱仪结构示意图。由第一腔镜G1和第二腔镜G2构成的F-P谐振腔前后各放置了一块透镜L、L’，透镜L用于将入射光平行入射到F-P谐振腔上，透镜L’用于将从F-P谐振腔中出射的多光束干涉光聚焦到探测相机上成像，这种结构入射到FP腔的光线平行性较好，因而可以得到较高的分辨率。但是这种结构用来成像时，不同像点对应不同的入射角。在一定的腔长条件下，不同像点上接收的波长将不一致，这就会增加光谱图像后期处理的难度。此外，基于微机电系统的法布里-珀罗成像光谱仪的控制结构较为复杂，对各种微机械器件要求精准。且对反射膜的选择也有很高的要求，总的来说，技术复杂度较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，其结构简单，分辨率高，精确度高，成像性能好。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，包括依次设置的聚焦透镜、第一微透镜阵列、F-P谐振腔、第二微透镜阵列和探测相机；目标物体放置在所述聚焦透镜一侧，目标物体发出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上；所述探测相机位于所述第二微透镜阵列的后焦面处；
其中，所述聚焦透镜将入射光聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上，再通过所述第一微透镜阵列将入射光平行入射到所述F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再入射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。
作为优选的，所述第一微透镜阵列的前焦面上设置有孔板，所述孔板对前级像进行离散采样。
作为优选的，所述第二微透镜阵列和第一微透镜阵列配合设置。
作为优选的，所述探测相机包括多个像素点，经所述第二微透镜阵列的光线聚焦在像素点上。
作为优选的，所述探测相机为CCD或CMOS。
作为优选的，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列皆为一维微透镜阵列。
作为优选的，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列皆为二维微透镜阵列。
作为优选的，所述探测相机为二维CCD探测相机或二维CMOS阵列探测相机。
作为优选的，所述F-P谐振腔为可调谐F-P谐振腔。
本发明的有益效果：
1、本发明中经过第一微透镜阵列的平行光可以严格平行地入射到F-P谐振腔上，经过在F-P谐振腔中多次反射和折射，出射的平行光再经过第二微透镜阵列，聚焦在探测相机对应的像素点处，分辨率高，精确度高，光谱仪成像特性好。
2、本发明的光谱仪对入射到F-P谐振腔上的平行光角度有严格地控制，可以使平行光垂直入射到F-P谐振腔上，这种情况下，更有利于F-P谐振腔发挥它获得超精细光谱的性能，从而可以大大提高该种F-P干涉型成像光谱仪的分辨率。
3、本发明微透镜阵列的体积很小，装置的复杂度不会增加，却可以使整个光谱仪的性能提高。
4、本发明中的光谱仪由于其光学元件较少，便于后期在F-P谐振腔上添加各种有效控制F-P谐振腔平行度和提高F-P谐振腔反射率的可调谐装置，可改装空间大。
附图说明
图1为背景技术中传统的法布里-珀罗干涉光谱仪结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中第一微透镜阵列的前焦面上设置孔板的结构示意图。
图中标号说明：10、聚焦透镜；20、第一微透镜阵列；21、前焦面；22、孔板；30、F-P谐振腔；40、第二微透镜阵列；50、探测相机；51、像素点；60、目标物体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图2-图3所示，本发明公开了一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，包括依次设置的聚焦透镜10、第一微透镜阵列20、F-P谐振腔30、第二微透镜阵列40和探测相机50。目标物体60放置在聚焦透镜10的一侧，目标物体60发出的光经过聚焦透镜10聚焦在第一微透镜阵列20的前焦面21上。探测相机50位于第二微透镜阵列40的后焦面处。
目标物体60发出的光入射到聚焦透镜10上，而聚焦透镜10将入射光聚焦在第一微透镜阵列20的前焦面21上。如此，光线经过第一微透镜阵列后，其出射光平行入射到F-P谐振腔30上，从F-P谐振腔30出射的平行光再入射到第二微透镜阵列40上，最后第二微透镜阵列40的出射光聚焦在探测相机50上。探测相机50包括多个像素点51，经第二微透镜阵列40的光线聚焦在每一个对应的像素点51上。
本发明中，微透镜阵列中的每个微透镜都把像上的一点转换成平行光出射，且像上的每个点的光的出射方向平行。
第二微透镜阵列40和第一微透镜阵列20配合设置。第一微透镜阵列20和第二微透镜阵列40之间存在位置对齐和孔径匹配的关系。
本实施例中，探测相机50可选用CCD或COMS。F-P谐振腔为可调谐F-P谐振腔。
本发明中，第一微透镜阵列20和第二微透镜阵列40可皆为一维微透镜阵列，也可皆为二维微透镜阵列。当第一微透镜阵列20和第二微透镜阵列40皆为二维微透镜阵列时，探测相机50为二维CCD阵列探测相机或二维COMS阵列探测相机，如此即可采集二维光谱图像。
在另一实施例中，在上述实施例的基础上，在第一微透镜阵列20的前焦面21上设置有孔板22。如图3所示，为本发明设置有孔板22的光谱仪结构示意图。孔板22位于第一微透镜阵列20的前焦面21上，孔板22上设置有多个孔径光阑，孔径光阑可对前级像进行离散采样，如此可以滤除一些杂散光，提高光谱仪成像质量。
本发明中，F-P谐振腔为法布里-珀罗谐振腔的简称。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，其特征在于，包括依次设置的聚焦透镜、第一微透镜阵列、F-P谐振腔、第二微透镜阵列和探测相机；目标物体放置在所述聚焦透镜一侧，目标物体发出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上；所述探测相机位于所述第二微透镜阵列的后焦面处；
其中，所述聚焦透镜将入射光聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上，再通过所述第一微透镜阵列将入射光平行入射到所述F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再入射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜阵列的出射光聚焦在所述探测相机上；所述第一微透镜阵列的前焦面上设置有孔板，孔板上设置有多个孔径光阑，所述孔板对前级像进行离散采样。
2.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第二微透镜阵列和第一微透镜阵列配合设置。
3.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机包括多个像素点，经所述第二微透镜阵列的光线聚焦在像素点上。
4.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为CCD或CMOS。
5.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列皆为一维微透镜阵列。
6.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵列皆为二维微透镜阵列。
7.如权利要求6所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为二维CCD探测相机或二维CMOS阵列探测相机。
8.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述F-P谐振腔为可调谐F-P谐振腔。
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