CN110307902B - 双通道干涉型高光谱成像装置及方法 - Google Patents
双通道干涉型高光谱成像装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双通道干涉型高光谱成像装置及方法，装置包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜、第一滤光片阵列、光阑、准直物镜、起偏器、第二滤光片阵列、双折射剪切器阵列、检偏器、后置成像物镜和面探测器阵列。入射光经前置成像物镜成像在光阑处，通过光阑上的两片滤光片、准直物镜，变为两束不同波段的平行光，经起偏器再经两片滤光片分别入射至相应的双折射剪切器，光束被剪切为两组不同波段且具有一定光程差的偏振光，经检偏器、后置成像物镜成像在面探测器上产生两组干涉信息，最后经光谱复原得到待测目标的光谱信息。本发明采用两组双折射剪切器以在一次推扫成像中获得两组不同剪切量的干涉图，实现双通道成像，提高了光谱分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光学成像探测领域，特别是一种双通道干涉型高光谱成像装置及方法。
背景技术
成像光谱技术将成像技术与光谱技术相结合，能够同时获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，在对目标的空间特性和光谱特性地分析中有着非常重要的作用，从而可以识别出目标的种类、材质、状态等，在遥感探测、环境监测、生物医学等领域得到了重要应用。
基于成像光谱技术的光谱探测仪称为成像光谱仪。成像光谱仪最常见的为色散型成像光谱仪和干涉型成像光谱仪，色散型成像光谱仪采用棱镜或者光栅作为色散元件，直接获得目标光谱，其原理相对简单，技术相对成熟，但结构复杂度较高，光通量受到入射狭缝的限制。干涉型成像光谱仪基于傅里叶变换光谱学原理来求取目标光谱，具有高光通量、高分辨率等优点，因而受到研究者的广泛关注。干涉型成像光谱仪的基本原理为利用系统对探测目标反射的光程差实现调制并获取干涉图像，并利用干涉图与光源光谱图之间的对应关系，通过测量离散干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换计算，反演得到光谱图，进而得到光谱信息，从而实现光谱信息的获取。
目前的干涉型成像光谱仪研究方向以基于双折射器件的单通道成像为主。双折射器件是光谱分光调制的核心组件之一，它利用了双折射晶体的特性产生光程差，具有高通量、结构简单稳定等优势，受到越来越多研究者的关注。西安交通大学提出了一种基于Savart板的偏振干涉成像光谱仪，系统采用两块Savart平板进行光程差调制获取干涉图；美国华盛顿大学提出了数字阵列扫描干涉成像光谱仪，采用单块Wollaston棱镜实现双光束干涉，并成功进行机载实验，实现了对地面目标和大气环境的检测；西安交通大学在此基础上研制了一种基于Wollaston双折射剪切器的成像光谱仪，系统基于两块Wollaston双折射棱镜实现光程差的空间调制，入射光经过两个双折射棱镜后被分为两束幅度相等且有较小横向位移的正交偏振光束，最后在探测器上实现干涉成像。但目前此类基于双折射器件的单通道光谱成像存在的普遍问题是：单一通道下，由于双折射器件的物理特性，系统在宽波段范围内会出现随波长增大光谱分辨率降低的情况，造成在长波段下光谱分辨率不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服现有干涉型成像光谱仪存在长波段光谱分辨率下降的不足，实现目标光谱双通道成像，并显著提升系统的光谱分辨率及成像信噪比的高光谱成像装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：双通道干涉型高光谱成像装置，包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜、第一滤光片阵列、光阑、准直物镜、起偏器、第二滤光片阵列、双折射剪切器阵列、检偏器、后置成像物镜和面探测器阵列；其中第一滤光片阵列位于光阑内侧；
所述第一滤光片阵列包括沿光轴对称设置的波段不同的第一滤光片、第二滤光片，第二滤光片阵列包括沿光轴对称设置的波段不同的第三滤光片、第四滤光片，位于光轴同一侧的两个滤光片的波段相同，且第一滤光片的波段小于第二滤光片的波段；双折射剪切器阵列包括沿光轴对称设置的第一双折射剪切器、第二双折射剪切器；其中，第一双折射剪切器包括两片厚度均为h1的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第一双折射剪切板和第二双折射剪切板；第二双折射剪切器包括两片厚度均为h2的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第三双折射剪切板和第四双折射剪切板，且h2＞h1。其中，第二滤光片阵列用以确保通过双折射剪切器的光来自同一波段。
双通道干涉型高光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、入射光束通过前置成像物镜成像在光阑上，设置于光阑上的第一滤光片、第二滤光片将入射光分为两个波段的光并入射至准直物镜，形成两束不同波段的准直光入射至起偏器，起偏器将两束准直光束变为线偏振光；
步骤2、两束线偏振光分别通过第三滤光片、第四滤光片后入射至第一双折射剪切器、第二双折射剪切器；
其中，波段相对短的线偏振光入射至相对较薄的第一双折射剪切板，另一束线偏振光入射至比第一双折射剪切板厚的第三双折射剪切板，之后再分别入射至与第一双折射剪切板厚度相同的第二双折射剪切板、与第三双折射剪切板厚度相同的第四双折射剪切板；第一双折射剪切板、第三双折射剪切板将线偏振光分解为振动方向相互正交的两束光o光和e光；第二双折射剪切板、第四双折射剪切板将o光变为e光偏折记为oe光后出射，将e光变为o光偏折记为eo光后出射；每组出射光束中的oe光和eo光平行，并具有光程差，且两组之间的光程差不同；
步骤3、所述两组出射光线入射至检偏器，获得两组偏振方向相同的光束；
步骤4、所述两组偏振方向相同的光束入射至后置成像物镜后会聚于面阵探测器上并发生干涉，形成两幅干涉图像；
步骤5、旋转第一双折射剪切板和第三双折射剪切板的角度，以使两组干涉图像在面探测器阵列靶面上分开；
步骤6、将整个高光谱成像装置水平旋转，改变目标光的入射角以对光程差进行调制，获得两组干涉图像序列，根据所获取的干涉图像信息进行光谱复原，即可获得两个波段下每个目标点的光谱信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)在一次像面放置两片不同波段的滤光片并且采用两组双折射剪切器结构，可以在一次推扫成像中获得两组干涉图，以此等效为两个并行干涉仪，从而实现双通道成像；2)两组双折射剪切板厚度有所不同，短波段的光对应较薄的双折射剪切板，长波段的光对应较厚的双折射剪切板，解决了双折射剪切板厚度一定时，光谱分辨率在长波段会降低的问题，由此显著提高了系统在整个波段范围内的光谱分辨率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明双通道干涉型高光谱成像装置的结构示意图。
图2为本发明第一双折射剪切器和第二双折射剪切器的结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜1、第一滤光片阵列2、光阑3、准直物镜4、起偏器5、第二滤光片阵列6、双折射剪切器阵列7、检偏器8、后置成像物镜9和面探测器阵列10；其中第一滤光片阵列2位于光阑3内侧；
所述第一滤光片阵列2包括沿光轴对称设置的波段不同的第一滤光片2-1、第二滤光片2-2，第二滤光片阵列6包括沿光轴对称设置的波段不同的第三滤光片6-1、第四滤光片6-2，位于光轴同一侧的两个滤光片的波段相同，且第一滤光片2-1的波段小于第二滤光片2-2的波段；双折射剪切器阵列7包括沿光轴对称设置的第一双折射剪切器7-1、第二双折射剪切器7-2，其结构如图2所示；其中，第一双折射剪切器7-1包括两片厚度均为h1的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第一双折射剪切板7-1-1和第二双折射剪切板7-1-2；第二双折射剪切器7-2包括两片厚度均为h2的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第三双折射剪切板7-2-1和第四双折射剪切板7-2-2，且h2＞h1。
进一步地，准直物镜4的前焦面与前置成像物镜1的成像面重合。
进一步地，第一滤光片阵列2以及光阑3位于前置成像物镜1的成像面上。
进一步地，第三滤光片6-1、第四滤光片6-2的尺寸大于第一滤光片2-1、第二滤光片2-2的尺寸。
进一步地，起偏器5和检偏器8的透光轴方向与X轴正方向的夹角为45°；第一双折射剪切板7-1-1、第三双折射剪切板7-2-1的光轴在XOZ平面内，且与X、Z轴正方向夹角为45°；第二双折射剪切板7-1-2、第四双折射剪切板7-2-2的光轴在YOZ平面内，且与Y、Z轴正方向夹角为45°。
示例性优选地，上述四片双折射剪切板均为负单轴晶体。
双通道干涉型高光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：
步骤1、入射光束通过前置成像物镜1成像在光阑3上，设置于光阑3上的第一滤光片2-1、第二滤光片2-2将入射光分为两个波段的光并入射至准直物镜4，形成两束不同波段的准直光入射至起偏器5，起偏器5将两束准直光束变为线偏振光；
步骤2、两束线偏振光分别通过第三滤光片6-1、第四滤光片6-2后入射至第一双折射剪切器7-1、第二双折射剪切器7-2；
其中，波段相对短的线偏振光入射至相对较薄的第一双折射剪切板7-1-1，另一束线偏振光入射至比第一双折射剪切板7-1-1厚的第三双折射剪切板7-2-1，之后再分别入射至与第一双折射剪切板7-1-1厚度相同的第二双折射剪切板7-1-2、与第三双折射剪切板7-2-1厚度相同的第四双折射剪切板7-2-2；第一双折射剪切板7-1-1、第三双折射剪切板7-2-1将线偏振光分解为振动方向相互正交的两束光o光和e光；第二双折射剪切板7-1-2、第四双折射剪切板7-2-2将o光变为e光偏折记为oe光后出射，将e光变为o光偏折记为eo光后出射；每组出射光束中的oe光和eo光平行，并具有光程差，且两组之间的光程差不同；
步骤3、所述两组出射光线入射至检偏器8，获得两组偏振方向相同的光束；
步骤4、所述两组偏振方向相同的光束入射至后置成像物镜9后会聚于面阵探测器10上并发生干涉，形成两幅干涉图像；
步骤5、旋转第一双折射剪切板7-1-1和第三双折射剪切板7-2-1的角度，以使两组干涉图像在面探测器阵列10靶面上分开；
步骤6、将整个高光谱成像装置水平旋转，改变目标光的入射角以对光程差进行调制，获得两组干涉图像序列，根据所获取的干涉图像信息进行光谱复原，即可获得两个波段下每个目标点的光谱信息。
本发明双通道干涉型高光谱成像装置及方法，通过在一次成像面位置光阑处放置两片滤光片，以及采用两组双折射剪切器结构，可以在一次推扫成像中，获得两组不同剪切量的干涉图序列，等效为两个并行干涉仪，实现双通道成像，解决了双折射剪切板厚度一定时，光谱分辨率在长波段会降低的问题，显著提高了光谱分辨率。
Claims (7)
1.一种双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，包括沿光轴方向依次设置的前置成像物镜(1)、第一滤光片阵列(2)、光阑(3)、准直物镜(4)、起偏器(5)、第二滤光片阵列(6)、双折射剪切器阵列(7)、检偏器(8)、后置成像物镜(9)和面探测器阵列(10)；其中第一滤光片阵列(2)位于光阑(3)内侧；
所述第一滤光片阵列(2)包括沿光轴对称设置的波段不同的第一滤光片(2-1)、第二滤光片(2-2)，第二滤光片阵列(6)包括沿光轴对称设置的波段不同的第三滤光片(6-1)、第四滤光片(6-2)，位于光轴同一侧的两个滤光片的波段相同，且第一滤光片(2-1)的波段小于第二滤光片(2-2)的波段；双折射剪切器阵列(7)包括沿光轴对称设置的第一双折射剪切器(7-1)、第二双折射剪切器(7-2)；其中，第一双折射剪切器(7-1)包括两片厚度均为h1的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第一双折射剪切板(7-1-1)和第二双折射剪切板(7-1-2)；第二双折射剪切器(7-2)包括两片厚度均为h2的双折射剪切板，分别为沿光轴依次设置的第三双折射剪切板(7-2-1)和第四双折射剪切板(7-2-2)，且h2＞h1。
2.根据权利要求1所述的双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，所述准直物镜(4)的前焦面与前置成像物镜(1)的成像面重合。
3.根据权利要求1所述的双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，所述第一滤光片阵列(2)以及光阑(3)位于前置成像物镜(1)的成像面上。
4.根据权利要求1所述的双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，所述第三滤光片(6-1)、第四滤光片(6-2)的尺寸大于第一滤光片(2-1)、第二滤光片(2-2)的尺寸。
5.根据权利要求1所述的双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，所述起偏器(5)和检偏器(8)的透光轴方向与X轴正方向的夹角为45°；第一双折射剪切板(7-1-1)、第三双折射剪切板(7-2-1)的光轴在XOZ平面内，且与X、Z轴正方向夹角为45°；第二双折射剪切板(7-1-2)、第四双折射剪切板(7-2-2)的光轴在YOZ平面内，且与Y、Z轴正方向夹角为45°。
6.根据权利要求1所述的双通道干涉型高光谱成像装置，其特征在于，所述四片双折射剪切板均为负单轴晶体。
7.基于权利要求1至6任意一项所述的双通道干涉型高光谱成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、入射光束通过前置成像物镜(1)成像在光阑(3)上，设置于光阑(3)上的第一滤光片(2-1)、第二滤光片(2-2)将入射光分为两个波段的光并入射至准直物镜(4)，形成两束不同波段的准直光入射至起偏器(5)，起偏器(5)将两束准直光束变为线偏振光；
步骤2、两束线偏振光分别通过第三滤光片(6-1)、第四滤光片(6-2)后入射至第一双折射剪切器(7-1)、第二双折射剪切器(7-2)；
其中，波段相对短的线偏振光入射至第一双折射剪切板(7-1-1)，另一束线偏振光入射至比第一双折射剪切板(7-1-1)厚的第三双折射剪切板(7-2-1)，之后再分别入射至与第一双折射剪切板(7-1-1)厚度相同的第二双折射剪切板(7-1-2)、与第三双折射剪切板(7-2-1)厚度相同的第四双折射剪切板(7-2-2)；第一双折射剪切板(7-1-1)、第三双折射剪切板(7-2-1)将线偏振光分解为振动方向相互正交的两束光o光和e光；第二双折射剪切板(7-1-2)、第四双折射剪切板(7-2-2)将o光变为e光偏折记为oe光后出射，将e光变为o光偏折记为eo光后出射；每组出射光束中的oe光和eo光平行，并具有光程差，且两组之间的所述光程差不同；
步骤3、所述两组之出射光束入射至检偏器(8)，获得两组偏振方向相同的光束；
步骤4、所述两组偏振方向相同的光束入射至后置成像物镜(9)后会聚于面阵探测器(10)上并发生干涉，形成两幅干涉图像；
步骤5、旋转第一双折射剪切板(7-1-1)和第三双折射剪切板(7-2-1)的角度，以使两组干涉图像在面探测器阵列(10)靶面上分开；
步骤6、将整个高光谱成像装置水平旋转，改变目标光的入射角以对光程差进行调制，获得两组干涉图像序列，根据所获取的干涉图像信息进行光谱复原，即可获得两个波段下每个目标点的光谱信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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