CN111307761B - 基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光谱成像装置，特别涉及一种基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，解决了现有基于静态干涉分光原理的高光谱成像装置在宽波段探测时，不同谱段间会引入明显波长分辨率差异的问题。该装置特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、双谱段叠层干涉模块、液晶偏振开关、后置成像物镜及面阵探测器；双谱段叠层干涉模块包括偏振分光棱镜BS、设在偏振分光棱镜BS反射光路的短波剪切器及设在偏振分光棱镜BS透射光路的长波剪切器；液晶偏振开关包括沿光路依次设置的铁电液晶FLC和线偏振器P。在光谱通道数量不变的情况下，本发明不但可以提升长波光谱精细程度，而且可以提升短波信噪比，进而提高光谱复原精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱成像装置，特别涉及一种基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置。
背景技术
光谱信息是目标物质的重要光学参量，反映了目标的物质材料组成，被认为是目标介质的“光学指纹谱”。利用宽波段、高光谱分辨率的成像技术对目标进行精细化的光谱测量，是目标成分分析与识别的重要途径之一，在对地遥感、环境监测、深空探测等光学遥感领域具有重要应用价值。
基于静态干涉分光原理的高光谱成像技术能够获取探测目标二维空间结构上每一点的光谱信息，具有高通量、高分辨率、高稳定性的优点，逐渐发展成为一项极具潜力的精细光谱测量手段。现有的基于静态干涉分光原理的高光谱成像装置，大多采用的是单一的干涉通道，由于其光谱信息复原基于经典傅里叶变换原理，因此，在宽波段探测时，不同谱段之间会引入明显的波长分辨率差异。引入明显的波长分辨率差异，一方面，在光谱通道数确定的情况下，会导致各谱段能量分布不均，从而导致长波光谱精细程度和短波信噪比难以提高；另一方面，与用于定标和对比的光谱分辨率描述方式不同，降低了光谱定标精度；因此，影响光谱复原精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，以解决现有基于静态干涉分光原理的高光谱成像装置在宽波段探测时，不同谱段之间会引入明显的波长分辨率差异的技术问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特殊之处在于：
包括沿光路依次设置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、双谱段叠层干涉模块、液晶偏振开关、后置成像物镜以及面阵探测器；
所述双谱段叠层干涉模块包括偏振分光棱镜BS、短波剪切器以及长波剪切器；所述短波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的反射光路方向；所述长波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的透射光路方向；
所述短波剪切器包括沿光路依次设置的第一滤光片F1、第一半波片HP1、第一沃拉斯顿棱镜WP1以及第一角锥棱镜R1；所述长波剪切器包括沿光路依次设置的第二滤光片F2、第二半波片HP2、第二沃拉斯顿棱镜WP2以及第二角锥棱镜R2；
所述第一滤光片F1和第二滤光片F2均为带通滤光片，其中一个透射短波谱段，截止长波谱段；另一个透射长波谱段，截止短波谱段；
所述第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角数值，所述第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度数值，二者中有一组相等或者两组均不相等；
所述液晶偏振开关包括沿光路依次设置的铁电液晶FLC和线偏振器P。
进一步地，所述第一滤光片F1透射短波谱段，截止长波谱段；所述第二滤光片F2透射长波谱段，截止短波谱段。
进一步地，为了缩小波长分辨率差异的效果更好，光谱复原精度更高，所述第一半波片HP1和第二半波片HP2均为消色差半波片；
定义：偏振分光棱镜BS的反射光路方向为x轴正向，偏振分光棱镜BS的透射光路方向为z轴正向，x轴与z轴所确定平面的法线方向为y轴方向；则第一半波片HP1的快轴垂直于所述x轴，与所述y轴夹角为22.5°；第二半波片HP2的快轴垂直于z轴，与x轴夹角为22.5°。
进一步地，所述第一角锥棱镜R1和第二角锥棱镜R2为实体角锥棱镜或中空角锥棱镜。
进一步地，所述铁电液晶FLC工作时相位延迟量等效于所述消色差半波片；
所述铁电液晶FLC的控制电压为高电平时，铁电液晶FLC的快轴方向平行于z轴，铁电液晶FLC的控制电压为低电平时，铁电液晶FLC的快轴方向垂直于x轴，与y轴夹角为45°。这样，缩小波长分辨率差异的效果更好，光谱复原精度更高。
进一步地，所述线偏振器P为线偏振片或者格兰泰勒棱镜；所述线偏振器P透振方向平行于z轴。
本发明的有益效果是：
(1)本发明基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，利用双谱段叠层干涉模块将探测波段划分为短波谱段和长波谱段，然后通过第一沃拉斯顿棱镜WP1使短波谱段的光程差小一些，通过第二沃拉斯顿棱镜WP2使长波谱段的光程差大一些，针对不同谱段实现不同光程差尺度的干涉调制，缩小了波长分辨率的差异，提高了长波谱段的光谱精细程度和短波谱段的信噪比；同时，本发明采用液晶偏振开关，单次扫描可以同步获取两个干涉通道的干涉信号，相比于常规的往复扫描和视场分割方式，具有较高的时间分辨率、空间分辨率和光谱分辨率；因此，本发明解决了现有基于静态干涉分光原理的高光谱成像装置在宽波段探测时，不同谱段之间会引入明显的波长分辨率差异的技术问题。本发明基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，采用静态干涉分光原理，内部结构中无狭缝和运动部件，具有高通量、高稳定性和高分辨率的优点，大幅度改善了高光谱成像测量性能。
(2)本发明的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，优选地第一半波片HP1和第二半波片HP2均为消色差半波片；第一半波片HP1的快轴垂直于所述x轴，与所述y轴夹角为22.5°；第二半波片HP2的快轴垂直于z轴，与x轴夹角为22.5°；这样，缩小波长分辨率差异的效果更好，光谱复原精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中各标号的说明如下：
1-前置成像物镜，2-光阑，3-准直物镜，4-双谱段叠层干涉模块，5-液晶偏振开关，6-后置成像物镜，7-面阵探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其结构包括：沿光路依次设置的前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、双谱段叠层干涉模块4、液晶偏振开关5、后置成像物镜6以及面阵探测器7。
上述双谱段叠层干涉模块4包括偏振分光棱镜BS、短波剪切器以及长波剪切器；短波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的反射光路方向；长波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的透射光路方向。
上述短波剪切器包括沿光路依次设置的第一滤光片F1、第一半波片HP1、第一沃拉斯顿棱镜WP1以及第一角锥棱镜R1；上述长波剪切器包括沿光路依次设置的第二滤光片F2、第二半波片HP2、第二沃拉斯顿棱镜WP2以及第二角锥棱镜R2。
上述第一滤光片F1和第二滤光片F2均为带通滤光片，其中一个透射短波谱段，截止长波谱段；另一个透射长波谱段，截止短波谱段。在本实施例中，第一滤光片F1透射短波谱段，截止长波谱段，第二滤光片F2透射长波谱段，截止短波谱段。除了本实施例的设置外，也可以为第一滤光片F1透射长波谱段，截止短波谱段，第二滤光片F2透射短波谱段，截止长波谱段。
在本实施例中，为了缩小波长分辨率差异的效果更好，光谱复原精度更高，优选地上述第一半波片HP1和第二半波片HP2均为消色差半波片；定义：偏振分光棱镜BS的反射光路方向为x轴正向，偏振分光棱镜BS的透射光路方向为z轴正向，x轴与z轴所确定平面的法线方向为y轴方向；则第一半波片HP1的快轴垂直于x轴，与y轴夹角为22.5°；第二半波片HP2的快轴垂直于z轴，与x轴夹角为22.5°。
上述第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角数值，第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度数值，二者中有一组相等或者两组均不相等。也就是说有如下三种设置方式：第一种，第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角不相等，第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度相等；第二种，第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角相等，第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度不相等；第三种，第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角不相等，第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度不相等。
在本实施例中，上述第一角锥棱镜R1和第二角锥棱镜R2均为实体角锥棱镜。除了本实施例的为实体角锥棱镜外，也可以为中空角锥棱镜。
上述液晶偏振开关5包括沿光路依次设置的铁电液晶FLC和线偏振器P。在本实施例中，优选地铁电液晶FLC工作时相位延迟量等效于上述消色差半波片；铁电液晶FLC的控制电压为高电平时，铁电液晶FLC的快轴方向平行于z轴，铁电液晶FLC的控制电压为低电平时，铁电液晶FLC的快轴方向垂直于x轴，与y轴夹角为45°。在本实施例中，优选地线偏振器P为线偏振片，且线偏振器P透振方向平行于z轴。线偏振器P除了为本实施例的线偏振片外，也可以为格兰泰勒棱镜。
以工作波段400nm-1000nm为例，分为短波谱段400nm-650nm和长波谱段650nm-1000nm，其成像过程如下：
第一步，入射光经过前置成像物镜1成像在其像面上，经过光阑2去除杂散光，随后经过准直物镜3后形成准直光束；
第二步，准直光束进入双谱段叠层干涉模块4，首先经过偏振分光棱镜BS后，分为反射线偏振光和透射线偏振光；
第三步，以偏振分光棱镜BS的反射光路为例，反射线偏振光的偏振方向平行于y轴，经过第一滤光片F1后光束仅透射短波谱段400nm-650nm线偏振光；短波谱段线偏振光经过第一半波片HP1后线偏振方向旋转45°，与第一沃拉斯顿棱镜WP1的光轴夹角为45°；短波谱段线偏振光经过第一沃拉斯顿棱镜WP1后被分解为两束强度相等、振动方向互相垂直、出射方向分开的短波谱段线偏振光；两束短波谱段线偏振光入射到第一角锥棱镜R1后，各自以平行于入射方向反射回第一沃拉斯顿棱镜WP1；两束线偏振光再次经过第一沃拉斯顿棱镜WP1后，变成两束出射方向平行、振动方向垂直且空间分开的线偏振光；两束平行的短波谱段线偏振光经过第一半波片HP1后，偏振方向均旋转45°，并再次进入偏振分光棱镜BS；两束短波谱段线偏振光经过偏振分光棱镜BS后，振动方向平行于z轴的短波谱段线偏振分量被透射；同样地，在偏振分光棱镜BS的透射光路中调制长波谱段650nm-1000nm的线偏振光，最终振动方向平行于y轴的长波谱段线偏振分量被反射；
第四步，偏振方向垂直的短波谱段线偏振光和长波谱段线偏振光进入液晶偏振开关5，当铁电液晶FLC控制电压为高电平时，短波谱段线偏振光被线偏振器P透射，长波谱段线偏振光被线偏振器P吸收；当铁电液晶FLC控制电压为低电平时，短波谱段线偏振光被线偏振器P吸收，长波谱段线偏振光被线偏振器P透射；当铁电液晶FLC控制电压在高电平与低电平两个状态之间快速切换时，可以实现对短波谱段线偏振光和长波谱段线偏振光的高速交替选通；
第五步，液晶偏振开关5选通的线偏振光经过后置成像物镜6，成像在面阵探测器7的靶面上并产生干涉，由面阵探测器7获得目标的干涉图像信息，干涉图像具有探测目标的空间形态信息和干涉调制信息；
第六步，采用窗扫模式对探测目标进行高光谱成像，液晶偏振开关5每切换一次选通状态，面阵探测器7采集一帧干涉图像，扫描完成后可以捕获一组干涉图像序列，对干涉图像序列进行分组并提取相同像点的干涉信号，对该干涉信号进行光谱复原可得到该像点对应目标点的光谱信息。
在光谱通道数量不变的情况下，本发明的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，不但可以提升长波光谱精细程度，而且可以提升短波信噪比，进而提高光谱复原精度。
Claims (6)
1.一种基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：
包括沿光路依次设置的前置成像物镜(1)、光阑(2)、准直物镜(3)、双谱段叠层干涉模块(4)、液晶偏振开关(5)、后置成像物镜(6)以及面阵探测器(7)；
所述双谱段叠层干涉模块(4)包括偏振分光棱镜BS、短波剪切器以及长波剪切器；所述短波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的反射光路方向；所述长波剪切器设置在偏振分光棱镜BS的透射光路方向；
所述短波剪切器包括沿光路依次设置的第一滤光片F1、第一半波片HP1、第一沃拉斯顿棱镜WP1以及第一角锥棱镜R1；所述长波剪切器包括沿光路依次设置的第二滤光片F2、第二半波片HP2、第二沃拉斯顿棱镜WP2以及第二角锥棱镜R2；
所述第一滤光片F1和第二滤光片F2均为带通滤光片，其中一个透射短波谱段，截止长波谱段；另一个透射长波谱段，截止短波谱段；
所述第一沃拉斯顿棱镜WP1的内部结构角与第二沃拉斯顿棱镜WP2的内部结构角数值，所述第一沃拉斯顿棱镜WP1距离第一角锥棱镜R1的长度与第二沃拉斯顿棱镜WP2距离第二角锥棱镜R2的长度数值，二者中有一组相等或者两组均不相等；
所述液晶偏振开关(5)包括沿光路依次设置的铁电液晶FLC和线偏振器P。
2.根据权利要求1所述的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述第一滤光片F1透射短波谱段，截止长波谱段；所述第二滤光片F2透射长波谱段，截止短波谱段。
3.根据权利要求1或2所述的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：
所述第一半波片HP1和第二半波片HP2均为消色差半波片；
定义：偏振分光棱镜BS的反射光路方向为x轴正向，偏振分光棱镜BS的透射光路方向为z轴正向，x轴与z轴所确定平面的法线方向为y轴方向；则第一半波片HP1的快轴垂直于所述x轴，与所述y轴夹角为22.5°；第二半波片HP2的快轴垂直于z轴，与x轴夹角为22.5°。
4.根据权利要求3所述的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述第一角锥棱镜R1和第二角锥棱镜R2为实体角锥棱镜或中空角锥棱镜。
5.根据权利要求4所述的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：
所述铁电液晶FLC工作时相位延迟量等效于所述消色差半波片；
所述铁电液晶FLC的控制电压为高电平时，铁电液晶FLC的快轴方向平行于z轴，铁电液晶FLC的控制电压为低电平时，铁电液晶FLC的快轴方向垂直于x轴，与y轴夹角为45°。
6.根据权利要求5所述的基于双谱段叠层干涉的高光谱成像装置，其特征在于：所述线偏振器P为线偏振片或者格兰泰勒棱镜；所述线偏振器P透振方向平行于z轴。
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