CN114739512A - 一种w型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法。本发明中W型共光路干涉仪采用共光路设计且为非对称结构，通过在W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。本发明提出了一种全新的W型共光路干涉分光模式和时间调制型干涉光谱成像技术，使得时间调制干涉光谱成像装置既能克服稳定性差的问题，又能保持原有的优势。

Description

一种W型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W型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）。

其中，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。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。然而，当前所有的时间调制干涉光谱（成像）技术存在一个主要问题，即稳定性差，环境适应能力和抗干扰能力低。这是由当前的时间调制干涉分光技术本身所决定的，即都采用了非共光路干涉分光类型（以迈克尔逊干涉分光为代表）。非共光路干涉分光技术的主要优点在于光程可以做到相对较短，其干涉仪由其分束器分出的两个臂是分开的，光束在两个臂中分别行进，根据臂长的不同则两臂中的光程可以不同，即可产生所需的光程差。但形成的干涉仪往往因热力学变形和环境变化作用到独立两臂而产生不同，而使得干涉条纹不稳定。如何克服时间调制干涉光谱（成像）仪稳定性差的问题，同时保持原有的高通量、高信噪比、低杂散光等优势，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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法，解决现有技术中时间调制型干涉光谱成像装置的稳定性较差的问题。

本发明提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，包括：W型共光路干涉仪，所述W型共光路干涉仪中设置有动镜扫描机构，所述动镜扫描机构用于产生随时间变化的光程差，所述W型共光路干涉仪采用共光路设计且为非对称结构，所述W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

优选的，所述W型共光路干涉仪包括分束器、第一平面反射镜、第一反射元件、第二反射元件、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一反射元件和所述第二反射元件非对称设置在所述分束器的两侧，所述第一平面反射镜相对于所述分束器垂直设置；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W型共光路干涉仪，经所述分束器后分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一光程调节组件设置在所述第一透射光束从所述分束器透射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置；所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二光程调节组件设置在所述第一反射光束从所述分束器反射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置；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，所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用角反射镜，或者，所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用平面反射镜。

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，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，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第二棱镜；光束通过所述第一棱镜、所述第二棱镜中任一棱镜后的出射面均与入射面平行；所述第一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；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。

优选的，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括一对姿态始终相对的棱镜。

优选的，所述W型共光路时间调制干涉光谱成像装置还包括：前置组件、会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；

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W型共光路干涉仪；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述W型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。

另一方面，本发明提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像方法，采用上述的W型共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，将W型共光路干涉仪设置为共光路以及非对称结构，通过在所述W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

优选的，所述W型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W型共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器将所述平行光后分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一透射光束依次经第一平面反射镜、第一反射元件、所述第一平面反射镜、第二反射元件、所述第一平面反射镜和第一光程调节组件后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜和第二光程调节组件后再次返回至所述分束器，并经所述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W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置包括W型共光路干涉仪，W型共光路干涉仪采用共光路设计且为非对称结构，W型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，W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。本发明提出了一种全新的W型共光路干涉分光模式和时间调制型干涉光谱（成像）技术，将W型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，基于共光路技术使得时间调制干涉光谱（成像）仪具有高稳定、抗干扰能力强的特点，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，进而能够保留高光谱分辨率、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1提供的一种W型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1提供的一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种W型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4为本发明实施例3提供的一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，核心包括：W型共光路干涉仪，所述W型共光路干涉仪中设置有动镜扫描机构，所述动镜扫描机构用于产生随时间变化的光程差，所述W型共光路干涉仪采用共光路设计且为非对称结构，所述W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

其中，所述W型共光路干涉仪包括分束器、第一平面反射镜、第一反射元件、第二反射元件、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一反射元件和所述第二反射元件非对称设置在所述分束器的两侧，所述第一平面反射镜相对于所述分束器垂直设置。

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W型共光路干涉仪，经所述分束器后分成第一透射光束和第一反射光束。所述第一透射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一光程调节组件设置在所述第一透射光束从所述分束器透射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置。所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二光程调节组件设置在所述第一反射光束从所述分束器反射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置。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。

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。

例如，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第二棱镜；光束通过所述第一棱镜、所述第二棱镜中任一棱镜后的出射面均与入射面平行；所述第一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；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。

又例如，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括一对姿态始终相对的棱镜。

（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。

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。

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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，参见图1、图2，包括：W型共光路干涉仪、前置组件108、会聚组件、探测采集模块和信号处理模块114。

其中，所述W型共光路干涉仪包括分束器101、第一平面反射镜102、第一角反射镜103、第二角反射镜104、第一光程调节组件（包括第一棱镜105）和第二光程调节组件（包括第二棱镜106和电机107，所述电机107驱动所述第二棱镜106转动）。即所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用角反射镜。

所述前置组件108包括沿光路依次设置的会聚透镜1081、光阑1082和准直透镜1083。所述会聚组件包括第一会聚组件110和第二会聚组件112。所述探测采集模块包括第一探测采集模块111和第二探测采集模块113。

目标光经过所述前置组件108后进入所述W型共光路干涉仪，经所述分束器101后分成第一透射光束和第一反射光束。

所述第一透射光束依次经所述第一平面反射镜102反射、所述第一角反射镜103原方向反射、所述第一平面反射镜102反射、所述第二角反射镜104原方向反射、所述第一平面反射镜102反射，接着经所述第一棱镜105后再次返回至所述分束器101，并经所述分束器101分成第二透射光束和第二反射光束。

所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜102反射、所述第二角反射镜104原方向反射、所述第一平面反射镜102反射、所述第一角反射镜103原方向反射、所述第一平面反射镜102反射，接着经所述第二棱镜106后再次返回至所述分束器101，并经所述分束器101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，产生一路干涉光；所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射，产生另一路干涉光。两路干涉光中的一路可以平行于目标光的入射方向，另一路可以垂直于目标光的入射方向。

所述第二透射光束与所述第三反射光束产生干涉，形成出射干涉信号并被所述第二会聚组件112成像到所述第二探测采集模块113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114中进行进一步的处理和反演，得到入射光束的光谱（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，形成出射干涉信号并被反射镜109反射后，经所述第一会聚组件110成像到所述第一探测采集模块111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114中进行进一步的处理和反演，得到入射光束的另一幅光谱（成像）图。可将经所述第一探测采集模块111和所述第二探测采集模块113，并经所述信号处理模块114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。

下面对本发明中的各个组成器件做进一步的补充说明。

本发明通过调节所述W型共光路干涉仪中的两个角反射镜和一个平面反射镜的空间位置，使得最终经分束器返回的光束（返回光源入射方向）与入射光束不再重合，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。

所述第一平面反射镜102的作用是反射光束并调节光束在空间里的分布。所述第一平面反射镜102的表面镀反射膜，膜层与拟探测目标的波长相关。所述第一平面反射镜102可以采用单个平面镜，也可以由多个平面镜组合的方式的替代。

此外，所述W型共光路干涉仪中的分束器、两个角反射镜、一个平面反射镜和若干个棱镜，可以是各器件单独组成的空心形式，也可以是由棱镜镀反射膜和半透半反分束膜组成的实心形式。所述第一角反射镜103和所述第二角反射镜104，可以为二面角镜或者三面角镜，可以是实心的也可以是空心的，将光束原方向返回是其目的。

在设计上，须为非对称结构，即干涉仪的两个角反射镜不关于分束器的分束面轴严格对称，而是产生一定的空间偏移，偏移量取决于光束的直径和设计所需的结构物理空间尺寸。无论平移量多少，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；另一路沿另一方向出射或垂直于入射光源方向（具体出射方向跟光束入射角度设置有关，例如与入射光呈120°等）。入射到所述W型共光路干涉仪的光束，经干涉仪分束器分开后经过了干涉仪内相同的器件，从而构成了共光路干涉仪。

所述第一棱镜105、所述第二棱镜106的作用是产生光程差，并由所述电机107控制所述第二棱镜106产生变化的光程差，从而产生随时间变化的从零光程差到最大光程差的干涉图，并经过傅里叶变换等光谱复原算法获得目标的光谱图，实现时间调制型干涉光谱（成像）仪工作模式。

其中，所述第一棱镜105、所述第二棱镜106中任一棱镜的光束入射面与出射面严格平行（5″以内较为合适），则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105的姿态是固定的，且姿态相对其光束入射面都有一定的倾斜，以便补偿零位色散效应且增加过零光程差位置（比垂直入射时增加一倍）。所述第二棱镜106是转动的，且转动轴垂直于光束的传播方向，垂直纸面转动为较佳实施方式，以便保持出射光束与入射光的方向一致。当所述电机107的转动轴存在一定的晃动时，所述第二棱镜106将相对于理想姿态发生一定的偏差，从所述第二棱镜106出射的光束将产生一定的空间位置偏移，但由于所述第二棱镜106的入射面与出射面是平行的，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。

变化的光程由所述第二棱镜106的转动产生，与所述第一棱镜105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。

所述第一棱镜105与所述第二棱镜106分别置于干涉仪的两臂（由分束器101形成的第一透射光束所在的一臂和由分束器101形成的第一反射光束所在的一臂）中。

此外，所述第二光程调节组件还可以由排列一起的一对棱镜组成，且棱镜的姿态可保持相对变化（即多个电机的旋转方向相反，分别为+θ角和-θ角），则光束通过此棱镜对后的传播方向将始终保持一致，空间上总是重合的（但此时电机的控制稍复杂），则可实现很高的干涉调制度。

所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件均可以由其他形式替代，如其它形式的棱镜或者棱镜组合、或者平行反射镜对组合等。总之，光程调节组件的作用是产生随时间变化的光程差。棱镜的运动方式也可以由转动变为摆动、直线运动等。

所述前置组件108包括沿光路依次设置的会聚透镜1081、光阑1082和准直透镜1083。目标光由所述会聚透镜1081会聚，所述光阑1082滤光限制所述会聚透镜1081像面的形状，并防止杂散光，再由所述准直透镜1083准直，使经过所述前置组件108的光变成平行光。所述前置组件108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108可去掉所述准直透镜1083变为会聚光路，或者根据设计需要将所述前置组件108直接省去。

所述第一会聚组件110与所述第二会聚组件112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111与所述第二探测采集模块113的探测器像元上。所述第一会聚组件110与所述第二会聚组件112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111与所述第二探测采集模块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114对所述第一探测采集模块111与所述第二探测采集模块113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，主要受限于分束器和棱镜、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，基于本发明的原理还可派生出其他形式的光谱仪/光谱（成像）仪。如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W型角镜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W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，将W型共光路干涉仪设置为共光路以及非对称结构，通过在所述W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

下面提供一种与实施例1的装置对应的具体方法。

一种W型共光路时间调制干涉光谱成像方法，参见图2，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件108后变为平行光并入射至所述W型共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器101将所述平行光后分成第一透射光束和第一反射光束；

所述第一透射光束依次经第一平面反射镜102、第一角反射镜103、所述第一平面反射镜102、第二角反射镜104、所述第一平面反射镜102和第一棱镜105后再次返回至所述分束器101，并经所述分束器101分成第二透射光束和第二反射光束；

所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜102、所述第二角反射镜104、所述第一平面反射镜102、所述第一角反射镜103、所述第一平面反射镜102和第二棱镜106后再次返回至所述分束器101，并经所述分束器101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（包括第一会聚组件110和第二会聚组件112）将所述W型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（包括第一探测采集模块111和第二探测采集模块113）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114根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

实施例3：

实施例3提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，与实施例1的区别在于，所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用平面反射镜。

具体的，参见图3、图4，实施例3提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置包括W型共光路干涉仪、前置组件208、会聚组件、探测采集模块和信号处理模块214。

其中，所述W型共光路干涉仪包括分束器201、第一平面反射镜202、第二平面反射镜203、第三平面反射镜204、第一光程调节组件（包括第一棱镜205）和第二光程调节组件（包括第二棱镜206和电机207）。所述前置组件208包括沿光路依次设置的会聚透镜2081、光阑2082和准直透镜2083。所述会聚组件包括第一会聚组件210和第二会聚组件212。所述探测采集模块包括第一探测采集模块211和第二探测采集模块213。

其中，一路干涉光被反射镜209反射后，被所述第一会聚组件210成像到所述第一探测采集模块211的探测器像面上；另一路干涉光被所述第二会聚组件212成像到所述第二探测采集模块213的探测器像面上。

实施例3提供的一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作原理与实施例1类似，在此不再赘述。

实施例4：

实施例4提供一种W型共光路时间调制干涉光谱成像方法，采用如实施例3提供的一种W型共光路时间调制干涉光谱成像装置实现。

下面提供一种与实施例3的装置对应的具体方法。

一种W型共光路时间调制干涉光谱成像方法，参见图4，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件208后变为平行光并入射至所述W型共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器201将所述平行光后分成第一透射光束和第一反射光束；

所述第一透射光束依次经第一平面反射镜202、第二平面反射镜203、所述第一平面反射镜202、第三平面反射镜204、所述第一平面反射镜202和第一棱镜205后再次返回至所述分束器201，并经所述分束器201分成第二透射光束和第二反射光束；

所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜202、所述第三平面反射镜204、所述第一平面反射镜202、所述第二平面反射镜203、所述第一平面反射镜202和第二棱镜206后再次返回至所述分束器201，并经所述分束器201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（包括第一会聚组件210和第二会聚组件212）将所述W型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（包括第一探测采集模块211和第二探测采集模块213）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214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W型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。本发明提供的W型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，如迈克尔逊干涉仪，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。本发明提出的W型共光路时间调制干涉分光方案，其核心干涉仪可以仅由平板分束器、平面镜、角镜和棱镜组成，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相对的光程调节器件，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。

（11）变静态为动态。传统的W型干涉分光技术基于静态的共光路干涉技术，无运动部件；本发明则改变了干涉仪工作状态，由单次单帧干涉图的获取变为时间积分形式的干涉图获取，从静态变为动态，也改变了对接收干涉图信号的探测器的指标参数的要求。

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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，包括：W型共光路干涉仪，所述W型共光路干涉仪中设置有动镜扫描机构，所述动镜扫描机构用于产生随时间变化的光程差，所述W型共光路干涉仪采用共光路设计且为非对称结构，所述W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

2.根据权利要求1所述的W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述W型共光路干涉仪包括分束器、第一平面反射镜、第一反射元件、第二反射元件、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一反射元件和所述第二反射元件非对称设置在所述分束器的两侧，所述第一平面反射镜相对于所述分束器垂直设置；

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W型共光路干涉仪，经所述分束器后分成第一透射光束和第一反射光束；

所述第一透射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一光程调节组件设置在所述第一透射光束从所述分束器透射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置；

所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二光程调节组件设置在所述第一反射光束从所述分束器反射后至再次返回至所述分束器光路的任意位置；

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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用角反射镜，或者，所述第一反射元件、所述第二反射元件均采用平面反射镜。

4.根据权利要求2所述的W型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。

5.根据权利要求2所述的W型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4所述的W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第一棱镜，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件包括第二棱镜；光束通过所述第一棱镜、所述第二棱镜中任一棱镜后的出射面均与入射面平行；所述第一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；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。

7.根据权利要求4所述的W型共光路时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件包括一对姿态始终相对的棱镜。

8.根据权利要求2所述的W型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、会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；

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W型共光路干涉仪；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述W型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。

9.一种W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置实现，将W型共光路干涉仪设置为共光路以及非对称结构，通过在所述W型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W型共光路时间调制干涉光谱成像装置的工作模式为时间调制工作模式。

10.根据权利要求9所述的W型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W型共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器将所述平行光后分成第一透射光束和第一反射光束；

所述第一透射光束依次经第一平面反射镜、第一反射元件、所述第一平面反射镜、第二反射元件、所述第一平面反射镜和第一光程调节组件后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；

所述第一反射光束依次经所述第一平面反射镜、所述第二反射元件、所述第一平面反射镜、所述第一反射元件、所述第一平面反射镜和第二光程调节组件后再次返回至所述分束器，并经所述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W型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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