CN114739509A - 一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法。本发明通过在四边形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。本发明能够使四边形共光路干涉光谱成像装置即保留共光路分光技术的优势，又获取高光谱分辨率。

Description

一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法。

背景技术

干涉光谱（成像）技术基于干涉型分光技术原理，是光学检测技术与光谱成像技术中的一种重要的技术类型。已出现的干涉光谱（成像）技术主要有三种：一种是基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型（动态）；一种是基于横向剪切干涉仪的空间调制型（静态）；另一种同样是基于横向剪切干涉仪的时空联合调制型（静态）。以这些技术为基础相继出现了多种干涉光谱（成像）仪，但是他们往往又各自存在缺陷。时间调制型干涉光谱（成像）仪通过迈克尔逊干涉仪中动镜的运动产生变化的光程差，对获取的不同光程差处的干涉条纹进行傅里叶变换得到光谱信息。这种技术光通量高、信噪比高，特别是光谱分辨率可以依靠动镜的直线运动产生很大的光程差而做到很高，可远远超过目前任何其他种光谱探测技术，但是因为动镜运动中的速度和姿态控制对干涉仪的校准精度要求很高，因而光机稳定度较差，难以应用于运动平台如车载、机载、船载、移动机器人、星载等模式。时间调制型干涉光谱（成像）仪皆工作于凝视观测模式，即需要仪器内部动镜的扫描积分获取不同时刻下的干涉图。空间调制型依赖于共光路的横向剪切干涉仪，稳定性高、实时性好、结构简单，但是光谱分辨率受探测器单元数和尺寸的限制而分辨率较低。时空联合调制型结构与空间调制型类似，稳定性高，探测灵敏度可高于空间调制干涉光谱仪和色散型光谱仪，但对平台的稳定性要求很高，而且光谱分辨率同空间调制式相似而较低。

现有的基于四边形共光路干涉仪的光谱成像装置采用共光路分光技术，由于干涉仪内无动镜而为“静态”，它依赖平台的扫描视场运动而获得同一目标在不同视场对应下的不同光程差。然而，分辨率较低限制了这种干涉光谱仪的应用。如何既保留现有四边形共光路干涉仪在共光路方面的优势，又可获取高光谱分辨率，是本领域需要解决的一个问题。

发明内容

本发明通过提供一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法，解决现有技术中四边形共光路干涉光谱成像装置无法即保留共光路分光技术的优势，又获取高光谱分辨率的问题。

本发明提供一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，包括：四边形共光路干涉仪，所述四边形共光路干涉仪为非对称结构，所述四边形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

优选的，所述四边形共光路干涉仪包括半透半反分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差；

目标光入射至所述四边形共光路干涉仪，经所述半透半反分束器后分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射。

优选的，所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜；作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

优选的，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜和第二棱镜，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第三棱镜和第四棱镜；光束通过所述第一棱镜、所述第二棱镜、所述第三棱镜、所述第四棱镜中的任一棱镜后的出射面均与入射面平行；所述第一棱镜和所述第二棱镜在所述电机的驱动下转动，所述电机的转动轴垂直于光束的传播方向；所述第三棱镜和所述第四棱镜的姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，用于补偿零位色散效应且增加过零光程差位置。

优选的，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜，所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。

优选的，所述动镜的运动方式为转动、摆动、直线运动中的一种。

优选的，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置还包括：会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至所述探测采集模块上；所述探测采集模块用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息；所述信号处理模块用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

优选的，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置还包括：前置组件；所述前置组件包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜；目标光经所述前置组件后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪。

另一方面，本发明提供一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法，采用上述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在四边形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

优选的，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪；

步骤2、通过半透半反分束器将所述平行光分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置包括四边形共光路干涉仪，四边形共光路干涉仪为非对称结构且设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。本发明采用了基于四边形共光路干涉仪的共光路分光技术，由于基于共光路技术而具有高稳定度的特点，同时由于干涉仪内设置有动镜扫描机构，通过动镜扫描机构的运动可以产生随时间变化的光程差，进而能够实现高光谱分辨率。

本发明提出了一种全新的干涉分光模式和时间调制型干涉光谱（成像）技术，将共光路与时间调制干涉光谱（成像）技术相结合，具有重要意义。本发明改变了传统时间调制干涉光谱（成像）仪的基本构型，使得时间调制干涉光谱（成像）仪既能克服稳定性差的问题，具有高稳定、抗干扰能力强的优势，同时又能保持原有的高通量、高信噪比、低杂散光等优势。

传统共光路型干涉仪由于干涉仪两臂的光程始终是固定或者相同的，造成了两臂之间光程差是固定的，从而无法实现时间调制工作模式。本发明通过在共光路干涉仪中设置至少一个“动态”的光程调节组件作为动镜，通过动镜在不同时刻的运动产生不同的光程差，进而可以获得时间积分干涉图，从而反演出目标的光谱信息，本发明可实现时间调制型干涉光谱（成像）仪工作模式，本发明的工作模式突破了以往共光路干涉仪对光谱信息获取的限制能力。

此外，传统时间调制干涉光谱（成像）仪由于要实现变化的光程差而获取不同时刻的干涉图，其核心干涉仪部件的两个臂是相对独立的，也即为非共光路的干涉仪。非共光路与共光路两种干涉仪为不同类型的干涉仪，本发明采用共光路干涉仪核心部件，突破了传统非共光路干涉仪的限制，实现了基于共光路干涉仪的时间调制干涉光谱（成像）技术。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置实现干涉分光的光学原理图；

图2为本发明实施例提供的一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置的示意图。

其中，1-半透半反分束器、2-第一平面反射镜、3-第二平面反射镜、4-第三平面反射镜、5-第三棱镜、6-第四棱镜、7-第一棱镜、8-第二棱镜、9-入射光束、10-沿第一方向的出射光束、11-沿第二方向的出射光束、12-前置组件、13-反射镜、14-电机、15-第一会聚组件、16-第二会聚组件、17-第一探测采集模块、18-第二探测采集模块、19-信号处理模块；

1201-会聚透镜、1202-光阑、1203-准直透镜。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，包括：四边形共光路干涉仪，所述四边形共光路干涉仪为非对称结构，所述四边形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

其中，参见图1，所述四边形共光路干涉仪包括半透半反分束器1、第一平面反射镜2、第二平面反射镜3、第三平面反射镜4、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差。

目标光（即入射光束9）入射至所述四边形共光路干涉仪，经所述半透半反分束器1后分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过所述第一平面反射镜2、所述第二平面反射镜3、所述第三平面反射镜4和所述第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器1，并经所述半透半反分束器1分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜2、所述第二平面反射镜3、所述第三平面反射镜4和所述第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器1，并经所述半透半反分束器1分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射（即形成沿第一方向的出射光束10），所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射（即形成沿第二方向的出射光束11）。

本发明中的所述四边形共光路干涉仪为非对称结构，干涉仪中的多个平面反射镜（包括所述第一平面反射镜2、所述第二平面反射镜3、所述第三平面反射镜4）不关于分束面轴严格对称，而是其中一个面或二个面甚至三个面各自产生一定的平移，平移量取决于光束的直径和设计所需的结构物理空间尺寸。干涉仪的两路出射干涉光束一路返回光源方向，且不再与原入射光束重合；另一路垂直于入射光源方向。本发明通过调节所述四边形干涉仪中的多个平面反射镜的空间位置，使得最终经所述半透半反分束器1返回光源入射方向的光束（即沿第一方向的出射光束10）与所述入射光束9不再重合，而是在空间上平行分离，从而便于通过改变介质或路径来改变光程，并同时增大一倍的能量利用率。入射到此四变形干涉仪的光束，经所述半透半反分束器1分开后经过了干涉仪内相同的干涉器件，从而构成了共光路干涉仪。

下面提供光程调节组件的两种配置方式。

（1）所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜。

作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

下面以光程调节器件为棱镜，动镜的运动方式为转动为例，进行说明。

参见图1、图2，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜7和第二棱镜8，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第三棱镜5和第四棱镜6，干涉仪中的多个棱镜用于改变光程。

光束通过所述第一棱镜7、所述第二棱镜8、所述第三棱镜5、所述第四棱镜6中的任一棱镜后的出射面均与入射面平行，即每个棱镜的光束入射面与出射面严格平行（5″以内较为合适），可使光束通过棱镜后的入射面与出射面严格平行。所述第一棱镜7和所述第二棱镜8在所述电机14的驱动下转动，所述电机14的转动轴垂直于光束的传播方向。具体的，所述第一棱镜7和所述第二棱镜8这一对棱镜固定在一起转动，且转动轴垂直于光束的传播方向，以便保持出射光束与入射光的方位一致。当转动轴存在一定的晃动时，所述第一棱镜7和所述第二棱镜8将相对于理想姿态发生一定的偏差，但所述第二棱镜8将补偿因所述第一棱镜7引起的光束偏移，从而使得出射光束的传播方向不产生偏斜，也即实现了光束对动镜旋转时轴系晃动引起的姿态误差的自补偿，实现了干涉仪晃动误差的免疫和两束干涉光的永久准直。所述第三棱镜5和所述第四棱镜6的姿态是固定的，且姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，用于补偿零位色散效应、保持出射光束与入射光的方位一致，且增加过零光程差位置（比垂直入射时增加一倍）。

变化的光程由所述第一棱镜7和所述第二棱镜8的转动产生，与所述第三棱镜5和所述第四棱镜6固定的光程组合形成了零光程差附近周期变化的光程差，从-L到0，再从0到+L的光程差变化，经过零光程差的位置，其中L为最大光程差；从而可以获得不同时刻下对应的不同光程差处的干涉图；再对干涉图经过傅里叶变换等光谱复原算法获得目标的光谱图；此即时间调制型干涉光谱（成像）仪工作模式。

所述第三棱镜5和所述第四棱镜6、所述第一棱镜7和所述第二棱镜8这两对棱镜分别置于干涉仪的两臂（经所述半透半反分束器1形成的第一透射光束所在的一臂和经所述半透半反分束器1形成的第一反射光束所在的一臂）中，所述第三棱镜5和所述第四棱镜6这一对棱镜位于干涉仪的静臂，所述第一棱镜7和所述第二棱镜8这一对棱镜位于干涉仪的动臂，这两对棱镜既消除了零光程差位置的色散又使得产生干涉的两束光在空间上总是重合的，从而实现高的干涉条纹调制度。

此外，图1中所示的干涉仪为空心结构，所述半透半反分束器1可以是立方体形式的分束器也可以是平板形式的分束器；若干涉仪为实心结构，则可以是由组成干涉仪的棱镜镀半透半反分束膜实现。多个平面反射镜的作用是反射光束并调节光束在空间里的分布，单个平面反射镜也可以由多个平面镜组合的方式的替代。棱镜对也可以由单个棱镜替代。总之，本发明中多个棱镜的作用是产生随时间变化的光程差。上述棱镜结构也可由其它形式替代，例如，可采用其他棱镜或平行反射镜对及其组合等形式。所述电机14的轴可以是周期旋转的，也可以是周期性摆动等其他运动方式。

（2）所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜。

与（1）不同的地方在于，所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。所述动镜的运动方式可以为转动、摆动、直线运动中的一种。

例如，两个动镜均采用转动方式，所述第一光程调节器件和所述第二光程调节器件的转动方向、转动速度均可不同。两个动镜共同作用，产生随时间变化的光程差即可。

本发明提供的一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，参见图1、图2，除了上述的核心部分（改进后的四边形共光路干涉仪）以外，还可包括：前置组件12、会聚组件（包括第一会聚组件15和第二会聚组件16）、探测采集模块（包括第一探测采集模块17和第二探测采集模块18）和信号处理模块19。

目标光经所述前置组件12后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪。所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块19与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至所述探测采集模块上；所述探测采集模块用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息；所述信号处理模块19用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

例如，参见图2，所述入射光束9经过所述前置组件12后进入干涉仪，被所述半透半反分束器1分为第一透射光束和第一反射光束。所述第一透射光束分别经过所述第三平面反射镜4、所述第二平面反射镜3、所述第一平面反射镜2后进入到固定的所述第四棱镜6和所述第三棱镜5中，然后返回到所述半透半反分束器1，被分为沿第二方向出射的第二透射光束和沿第一方向出射的第二反射光束。所述第一反射光束经过所述第一平面反射镜2后进入到所述第一棱镜7，然后到达所述第二平面反射镜3、所述第三平面反射镜4，随后进入所述第二棱镜8，然后返回到所述半透半反分束器1，被分为沿第一方向出射的第三透射光束和沿第二方向出射的第三反射光束。所述第二透射光束与所述第三反射光束产生干涉，形成第二出射干涉信号并被所述第二会聚组件16成像到所述第二探测采集模块18的探测器像面上，干涉信号被采集、放大、去噪等预处理后进入到所述信号处理模块19中进行进一步的处理和反演，得到所述入射光束9的光谱（成像）图；同时，所述第二反射光束与所述第三透射光束产生干涉，形成第一出射干涉信号并被反射镜13反射后，经所述第一会聚组件15成像到所述第一探测采集模块17的探测器像元上，干涉信号被采集、放大、去噪等预处理后进入到所述信号处理模块19中进行进一步的处理和反演，得到所述入射光束9的另一幅光谱（成像）图。可将分别经所述第一探测采集模块17和所述第二探测采集模块18，并经所述信号处理模块19处理后的两幅光谱图进行叠加，从而得到信噪比更高的目标的光谱图像。

其中，所述前置组件12包括沿光路依次设置的会聚透镜1201、光阑1202和准直透镜1203，所述入射光束9由所述会聚透镜1201会聚，所述光阑1202滤光限制所述会聚透镜1201像面的形状，并防止杂散光，再由所述准直透镜1203准直，使经过所述前置组件12的光变成平行光。此外，所述前置组件12可采用折射、折反射和全反射等各种形式，其目的是使目标辐射转变为平行光线。根据设计需要，所述前置组件12也可去掉所述准直透镜1203变为会聚光路，或者根据设计需要将所述前置组件12直接省去。

所述第一会聚组件15与所述第二会聚组件16的作用是将干涉仪形成的干涉条纹分别会聚成像到所述第一探测采集模块17与所述第二探测采集模块18的探测器像元上。所述第一会聚组件15与所述第二会聚组件16可以分别是单独的透镜也可以是透镜组合，透镜组合便于消除像差。会聚镜(组)可以是折射式的也可以是反射式的，将干涉光束会聚到探测器像面上是其主要目的。

所述第一探测采集模块17与所述第二探测采集模块18的作用是将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，并将信号进行放大、滤波等处理，为实现目标光的光谱、图像等相关参数的反演提供原始测量数据。根据探测光源的不同，探测采集模块可以是CCD，也可以是其它光电转换器件。

所述信号处理系统19用于对所述第一探测采集模块17与所述第二探测采集模块18获取的干涉信号进行数据处理和分析，包括干涉图原始数据的预处理、误差修正、光谱响应度定标修正、辐射度定标修正，以及傅里叶变换等，完成光谱的复原过程，获取目标的光谱，或高分辨率光谱图像。

本发明的光谱应用范围从紫外到远红外、THz都适用，主要受限于分束器、棱镜、反射镜膜层的光谱适用范围，也即在不同的波段对应不同的分束器基底材料及其膜层、棱镜材料及其膜层与反射镜膜层。

此外，基于本发明的原理可派生出其他形式的光谱仪/光谱（成像）仪。可增减其中的某些器件，如取消前置组件可减小仪器的体积、重量；在光路中加入偏振器件，则可形成时间调制型偏振光谱仪及偏振光谱（成像）仪。

实施例2：

实施例2提供一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法，采用如实施例1提供的一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在四边形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

下面提供一种与实施例1的装置对应的具体方法。

一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪；

步骤2、通过半透半反分束器将所述平行光分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

本发明实施例提供的一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法至少包括如下技术效果：

（1）可实现时间调制型干涉光谱（成像）仪工作模式。传统共光路型干涉仪由于干涉仪两臂的光程始终是固定或者相同的，造成了两臂之间光程差是固定的，从而无法实现时间调制工作模式。但本发明可通过共光路干涉仪中动镜在不同时刻的运动产生不同的光程差，进而可以获得时间积分干涉图，从而反演出目标的光谱信息；本发明的工作模式突破了以往共光路干涉仪对光谱信息获取的限制能力。

（2）可采用共光路干涉仪核心部件。传统时间调制干涉光谱（成像）仪由于要实现变化的光程差而获取不同时刻的干涉图，其核心干涉仪部件的两个臂是相对独立的，也即为非共光路的干涉仪。非共光路与共光路两种干涉仪为不同类型的干涉仪。本发明突破了传统非共光路干涉仪的限制，实现了基于共光路干涉仪的时间调制干涉光谱（成像）技术。

（3）高稳定度。本发明采用的干涉分光技术基于共光路技术，共光路型干涉光谱（成像）仪稳定度高。传统时间调制干涉光谱（成像）仪采用的非共光路技术的干涉仪，容易受到外界热力学变化的干扰，造成光程差的变化，进而造成干涉条纹的移动和相位的不稳定，由此会带来较大的仪器误差，使得高精度测量不准确。利用共光路分光技术后，外界热力学变化同时作用于干涉仪的两个臂，因此产生的光程差可以相互抵消，形成的干涉条纹也更加稳定，相应的干涉仪和光谱（成像）仪稳定度高。

（4）应用场合宽。由于采用了共光路分光方式，使得时间调制干涉光谱仪的稳定度大幅提高，抗干扰能力增强，因而使得传统基本无法应用的车载运动平台、机载、船载、移动机器人、星载等运动平台也可以使用，因此，应用场合更多、应用领域也将更广。

（5）结构简单，易于小型化。本发明提出的共光路型时间调制干涉分光方案，其核心干涉仪可以仅由分束器、平面反射镜和棱镜组成，去掉了传统时间调制干涉光谱（成像）仪中的分束器补偿片，因而整个结构非常紧凑，在不损失光通量的情况下仍然便于小型化，适合手持式，易于各种平台的便携搭载。

（6）可实现光程差从-L到+L的变化采样（L为最大光程差）。传统共光路型干涉仪两臂之间的光程差是固定的，而本发明在干涉仪的两臂中皆设置了光程调节器件，且动臂中的光程调节器件姿态可以旋转变化，因而可以实现从-L到0再从0到+L的光程差变化，经过零光程差的位置，从而干涉仪可得到相应的变化的干涉图，这一过程是实现目标的光谱复原、实现时间调制干涉光谱（成像）仪的前提条件。

（7）可实现对动镜旋转轴晃动误差的自补偿，实现干涉仪的永久准直。通过严格控制光程调节器件的设计与加工工艺，使光束通过光程调节器件的入射面与出射面严格平行，则可使得即便光程调节器件因旋转轴晃动发生一定姿态倾斜，出射光束仍然保持与入射光束平行，光束的传播方向未产生偏斜；也即该方案可实现对动镜旋转时轴系晃动引起的姿态误差的自补偿，从而实现了干涉仪晃动误差的免疫和两束干涉光的永久准直。

（8）可实现很高的干涉调制度。在干涉仪的动臂中设置一对姿态始终一致的光程调节器件，且保证每个光程调节器件的光束入射面与出射面严格平行，则根据光路可逆原理，入射到前一个光程调节器件的光束，即便因光程调节器件姿态变化发生空间位置偏移，也会因后一个光程调节器件而得到补偿，从而使得光束不仅保持与未发生姿态变化时理想的传播方向一致，而且返回到分束器时的空间位置也与未发生姿态变化时理想的一致，使得干涉光束在空间上完全重合，从而避免了光束在空间上不重合产生的像面干涉问题（因会聚镜组误差存在而导致的干涉调制度下降），因此可实现很高的干涉调制度。

（9）适合高速测量。由于产生光程差的棱镜采用了360°连续旋转工作的方式，测量过程中避免了传统直线或者摆动过程中的加速和减速过程，提高了时间利用率，因此测量频次得到提高。同时，产生光程差的棱镜材料在一个360°周期中可以产生8次以上的过零点，也即棱镜旋转一周可产生8幅以上干涉图和光谱图，从而使得超高速光谱测量成为可能。这一功能的实现将不仅提高了干涉光谱（成像）仪的抗环境干扰能力，也使得干涉光谱（成像）仪可进一步扩展应用到高速光谱测量领域，如飞行目标、火焰甚或化学反应等方面。

（10）能量利用率高，系统灵敏度高。本发明中干涉仪采用了非对称设计，从而可以将干涉仪输出的两路干涉光全部利用，避免了传统光谱/成像仪中只利用一路干涉输出的情况，使得利用率增加到接近100%，整个系统的透过率也大大增加，因而提高了系统的灵敏度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，包括：四边形共光路干涉仪，所述四边形共光路干涉仪为非对称结构，所述四边形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

2.根据权利要求1所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述四边形共光路干涉仪包括半透半反分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差；

目标光入射至所述四边形共光路干涉仪，经所述半透半反分束器后分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和所述第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射。

3.根据权利要求2所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜；作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

4.根据权利要求3所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜和第二棱镜，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第三棱镜和第四棱镜；光束通过所述第一棱镜、所述第二棱镜、所述第三棱镜、所述第四棱镜中的任一棱镜后的出射面均与入射面平行；所述第一棱镜和所述第二棱镜在所述电机的驱动下转动，所述电机的转动轴垂直于光束的传播方向；所述第三棱镜和所述第四棱镜的姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，用于补偿零位色散效应且增加过零光程差位置。

5.根据权利要求2所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜，所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。

6.根据权利要求5所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述动镜的运动方式为转动、摆动、直线运动中的一种。

7.根据权利要求2所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，还包括：会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至所述探测采集模块上；所述探测采集模块用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息；所述信号处理模块用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

8.根据权利要求2所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，还包括：前置组件；所述前置组件包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜；目标光经所述前置组件后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪。

9.一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在四边形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

10.根据权利要求9所述的四边形共光路时间调制干涉光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述四边形共光路干涉仪；

步骤2、通过半透半反分束器将所述平行光分为第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束通过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜和第一光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束通过所述第一平面反射镜、所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜和第二光程调节组件后再次返回至所述半透半反分束器，并经所述半透半反分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述四边形共光路干涉仪出射的光束形成干涉，并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

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