CN1256408A - 偏振型干涉成像光谱技术及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振型干涉成像光谱技术及其装置,对目标辐射预先加以准直处理后,首先利用偏振型横向剪切干涉仪将目标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光,然后由光学系统再将剪切后的目标辐射进行干涉,最后收集该干涉信号对其进行视频处理后送入计算机中进行光谱复原,同时对目标辐射间断性地进行标定,最终得到目标的真实光谱图。

Description

偏振型干涉成像光谱技术及其装置

本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种干涉成像光谱技术及其装置，特别是一种偏振型干涉成像光谱技术及其装置。

为了克服多光谱扫描仪光谱信息量太少，不能提供一定光谱范围内比较完整的光谱图的缺点，发展了基于棱镜或光栅的色散型成像光谱技术；为了克服色散型成像光谱仪能量利用率低的弱点，又出现了干涉成像光谱技术。干涉型成像光谱仪较色散型光谱仪具有高通量、多通道等优点。成像光谱技术是本世纪80年代以后出现的一项融合光学、光谱学、精密机械、电子技术以及计算机技术于一体的高新科技，它能够获得被测目标的两维空间信息和一维光谱信息，因此在航空航天遥感、科学实验、工业、农业、地质、海洋、安全等等许多方面具有极其重要的应用价值，被誉为光学仪器发展史中的一次大飞跃。国际上每年有多次专题学术会议讨论该项技术的应用情况与最新发展。

干涉成像光谱仪又分时间调制型和空间调制型两种。空间调制型干涉成像光谱仪克服了时间调制型干涉光谱仪需要高精度动镜驱动系统和实时性不好两个缺点，大大提高了仪器的稳定性，且容易做到小型轻量。与时间调制光谱仪比较，空间调制成像光谱仪在大大降低研制成本的同时，保留了动镜扫描干涉成像光谱仪的主要优点。它的突出优点是使用波段可以更宽、视场角可以更大、稳定性好、抗振动能力强、体积小、重量轻，特别适合于恶劣环境下使用，如在飞机和卫星等领域。

90年代以来，随着探测器制造技术和高速计算技术的发展，国际上又出现了偏振型干涉成像光谱技术。偏振型干涉成像光谱技术属于空间调制型干涉成像光谱技术的范畴。

中国专利CN99115952.7号申请文件中公开了一种“干涉成像光谱技术及其装置”，本发明的目的是基于上述中国专利申请文件中的技术方案，提出一种既具有高能量通量、多光谱通道，同时又具有高信噪比、高稳定性、结构简单的偏振型干涉成像光谱技术及其装置，即集时间调制式与空间调制式主要优点于一体的偏振型干涉成像光谱技术及其装置，该技术方案能够减小仪器体积和重量、减小功耗、降低实现难度，以克服现有技术中所存在的缺陷。

本发明的任务是通过下述方式完成的，一种偏振型干涉成像光谱技术，该技术的关键在于，首先利用偏振型横向剪切干涉仪将国标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，然后由光学系统再将剪切后的目标辐射进行干涉，并保证干涉条纹方向与偏振型横向剪切干涉仪的剪切方向垂直，最后收集上述干涉信号对其进行视频处理后送入计算机中进行光谱复原，最终得到目标的光谱信息和图像信息。

如果目标发出的辐射不是准直光，会影响复原光谱的准确性，因此在上述技术方案的基础上，将目标辐射在进行剪切之前最好预先对其加以准直处理。准直处理的过程既有利于对目标辐射的进行收集，同时还具有减小杂散光等作用。

为了获取目标辐射的真实光谱图，还可以对目标辐射间断性地进行标定，利用该标定值与干涉信号加以对照，便可获取目标辐射的真实光谱图。

本发明在完成上述偏振型干涉成像光谱技术方案的基础上，还设计出了能够实现上述技术方案的相关装置，该装置可以称其为偏振型干涉成像光谱仪，它由偏振型横向剪切干涉仪、收集光学系统、探测器、信号获取与处理系统构成，偏振型横向剪切干涉仪将目标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，在收集光学系统的后焦面处发生干涉，收集光学系统将剪切后的目标辐射收集到位于其像面的探测器上，辐射于此处发生干涉，干涉条纹方向与偏振型横向剪切干涉仪的剪切方向垂直，信号获取与处理系统把从探测器获取的干涉图信号进行数字化，并进行处理，最终得到目标的光谱信息和图像信息，其关键是偏振型横向剪切干涉仪由起偏器，一组双折射棱镜以及检偏器组成。

偏振型横向剪切干涉仪的作用是将目标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，他们的强度相同或相似，在收集光学系统的后焦面处发生干涉。晶体材料的厚度不同，一根光线经过偏振干涉仪后分开的距离(称为剪切量)不同。晶体材料越厚，剪切量越大，反之，晶体材料越薄，剪切量就越小。

上述一组双折射棱镜可以选用以下任一方案制成：

A.两块双折射棱镜同为正晶体，

B.两块双折射棱镜同为负晶体，

C.两块双折射棱镜中的一块为正晶体，而另一块为负晶体，

同时两块双折射棱镜的晶轴方向互相垂直。

也就是说，偏振型横向剪切干涉仪由四个部件组成，即：起偏器，两块双折射棱镜和检偏器。所述的两块双折射棱镜可以选用同一种材料(同为正晶体，或者同为负晶体)，也可以是一块正晶体，一块负晶体，上述两块双折射棱镜的晶轴方向要互相垂直。

所述收集光学系统最好直接采用一套能单独成像的透镜组件。

所述探测器可以选用面阵探测器，该面阵探测器在推扫方式工作时，能够获得目标的两维空间和一维光谱信息。

所述信号获取与处理系统可以利用在现有普通微机的基础上增设一套专用电路板而制成，专用电路板将探测器上的模拟信号放大之后转变为数字信号，然后将其输入给普通微机，普通微机在专用软件的支持下将上述数字信号进行处理。即：信号获取与处理系统把从探测器获取的干涉图信号进行数字化并进行处理，最终得到目标的光谱信息和图像信息。

在偏振型横向剪切干涉仪的前方最好增设前置光学系统，该前置光学系统可以由前置物镜和准直镜两部分组成，它将目标发出的辐射进行收集、准直并减小杂散光。

前置光学系统具有将目标发出的辐射进行收集、准直和减小杂散光等作用，其结构可采用折射、折反射和反射等多种形式。由于仪器要求准直光进入到下一部分，如果从前置光学系统出射的光束不是准直光，会影响复原光谱的准确性，所以将目标的辐射转变为准直光是前置光学系统的主要目的。当整个系统的光能量不足时，加大前置光学系统的入瞳直径，可以增大进入光学系统能量数倍，此外，前置光学系统中可以加入合适的光阑，以便有效地抑制系统的杂散光。

如果系统的能量足够，并且当目标物离本偏振型干涉成像光谱仪足够远，例如在遥感等远距离探测应用时，进入仪器的目标辐射已经近似于平行光，前置光学系统可省略以简化系统。但此时要充分考虑光学系统的杂散光抑制问题，通常可以通过加上一个外遮光罩的技术措施加以解决。

所述前置光学系统可以采用折射、折反射或反射的结构形式。

在本偏振型干涉成像光谱仪的结构组成内，还可以增设一个定标系统，定标系统所需的定标光路由切换镜导入，即：定标系统由切换镜切入信号，在不设置前置光学系统的情况下，切换镜设置在偏振型横向剪切干涉仪的前方，而在设置有前置光学系统的情况下，切换镜设置在前置光学系统以及偏振型横向剪切干涉仪之间，该切换镜将目标辐射进行切换，定标系统在实现定标时，目标辐射的主光路不能进入后续的偏振型横向剪切干涉仪，所述定标系统用于对整个仪器系统的光谱响应和辐射度响应进行标定。

收集光学系统将剪切后的目标辐射收集到位于其像面的探测器上，辐射于此处发生干涉，干涉条纹方向与偏振型横向剪切干涉仪的剪切方向垂直，干涉光程差与剪切量、探测器有效尺寸成正比，与收集光学系统焦距成反比。光程差越大，光谱分辨率越高。

探测器是干涉信号的接收器，探测器可以使用面阵探测器，在推扫方式工作时，能够获得目标的两维空间和一维光谱信息。

信号获取与处理系统把从探测器获取的干涉图信号进行数字化，并进行处理，最终得到目标的光谱信息和图像信息。

定标系统的主要功能是对整个仪器系统的光谱响应和辐射度响应进行标定，有光谱响应度定标、辐射度定标以及相对定标和绝对定标之分。光谱定标的目的是获取实物的真实光谱图。

偏振型干涉成像光谱仪的工作原理是：前置光学系统和偏振型横向剪切干涉仪的作用是将被探测目标的辐射准直并分割成一对相干光束。其干涉定域在无穷远处，收集光学系统将无穷远处的干涉图收集到它的后焦面，在其后焦面处放置一个面阵探测器便可采集到这些干涉条纹。在偏振型干涉成像光谱仪中获得的干涉图像非常特殊，被称为“像面干涉图”。在探测器上得到的图像既包含了目标的图像信息，又包含了干涉信息，是被干涉信息调制过的图像信息。本发明提出的偏振型干涉成像光谱仪工作时，仪器通过沿光束剪切方向的推扫来获得完整干涉图。在探测器上，光程差与沿推扫方向的视场角成正比，即零视场角时干涉光程差为零，随着这一方向视场角的增加，干涉光程差也增加。因此将不同视场获得的像面干涉图中的同一目标点的辐射取出，就可构成该点的完整干涉图，其它点依此类推。

本发明提出的偏振型干涉成像光谱仪的能量利用率高于一般色散型成像光谱仪的能量利用率。一般色散型成像光谱仪是把从目标来的辐射按照波长的长短散布在探测器的一个条带上，如果光谱仪的光谱分辨率为100，则目标的辐射要按照波长从短到长分散到100个探测器单元上，每个探测器单元上接收的能量的平均值是普通照相机的百分之一。而本发明描述的偏振型干涉成像光谱仪在像面上的照度与相同孔径照相机像面照度在一个量级。

可见，本发明所提供的偏振型干涉成像光谱仪能提供一定光谱范围内的多张单色图像。也就是说，本偏振型干涉成像光谱仪能够根据使用者的要求，获得一定光谱范围内的任意一个极窄波段内点的完整图像，提供给使用者进行分析处理。

根据用途的不同，本发明提出的偏振型干涉成像光谱仪可以有多种实施方案，下面结合实施例所示附图对本发明作进一步详细说明。

图1为偏振型干涉成像光谱仪的整体结构示意图；

图2为简化型偏振型干涉成像光谱仪的结构示意图；

图3为具有定标系统的偏振型干涉成像光谱仪结构示意图；

图4为具有前置光学系统的偏振型干涉成像光谱仪结构示意图。

参照图1，偏振型干涉成像光谱仪由前置光学系统1、定标系统2、偏振型横向剪切干涉仪3、收集光学系统4、探测器5和信号获取与处理系统6构成。

前置光学系统1由前置物镜11和准直镜12组成，具有将目标发出的辐射进行收集、准直和减小杂散光等作用，在前置物镜11的后焦面处放置有视场光阑13，它限制前置物镜11像面(整个系统的一次像面)的形状，也有防治杂散光的作用，由于仪器要求准直光进入到下一部分，所以将目标的辐射转变为准直光是前置光学系统1的主要目的。

定标系统2中的切换镜21位于前置光学系统1和偏振型横向剪切干涉仪3之间，切换镜21使得系统要么进行定标，要么使目标辐射的主光路进入后续的偏振型横向剪切干涉仪3，所述定标系统2用于对整个仪器系统的光谱响应和辐射度响应进行标定。

偏振型横向剪切干涉仪3由起偏器31，两块双折射棱镜32和33以及检偏器34组成，两块双折射棱镜32和33的晶轴方向互相垂直。

收集光学系统4在本实施例中采用了一套能单独成像的透镜组件。

探测器5在本实施例中使用面阵探测器(CCD)，在推扫方式工作时，能够获得目标的两维空间和一维光谱信息。

信号获取与处理系统6在本实施例中使用了在一台普通微机上外插电路板的方法。

参照图2，这是一个经过简化的偏振型干涉成像光谱仪，其中省去了前置光学系统1和定标系统2，为了抑制光学系统的杂散光的干扰，在本实施例中，设置有一个外遮光罩7，该外遮光罩7设置在偏振型横向剪切干涉仪3的前方。

参照图3，该偏振型干涉成像光谱仪基本上与图2所示的偏振型干涉成像光谱仪相类似，只是增设了一个定标系统2，定标系统2中的切换镜21位于外遮光罩7和偏振型横向剪切干涉仪3之间。

参照图4，该偏振型干涉成像光谱仪也与图2所示的偏振型干涉成像光谱仪相类似，只是增设了一个前置光学系统1，该前置光学系统1位于偏振型横向剪切干涉仪3前面。

Claims (10)

1、一种偏振型干涉成像光谱技术，其特征在于，首先利用偏振型横向剪切干涉仪将目标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，然后由光学系统再将剪切后的目标辐射进行干涉，并保证干涉条纹方向与偏振型横向剪切干涉仪的剪切方向垂直，最后收集上述干涉信号对其进行视频处理后送入计算机中进行光谱复原，最终得到目标的光谱信息和图像信息。

2、根据权利要求1规定的偏振型干涉成像光谱技术，其特征是目标辐射在进行剪切之前预先对其加以准直处理。

3、根据权利要求1或2规定的偏振型干涉成像光谱技术，其特征是对目标辐射间断性地进行标定，利用该标定值与干涉信号加以对照，最终得到目标辐射的真实光谱图。

4、一种偏振型干涉成像光谱仪，由偏振型横向剪切干涉仪、收集光学系统、探测器、信号获取与处理系统构成，偏振型横向剪切干涉仪将目标辐射沿垂直于光轴方向剪切为有一定间距的两束相干光，在收集光学系统的后焦面处发生干涉，收集光学系统将剪切后的目标辐射收集到位于其像面的探测器上，辐射于此处发生干涉，干涉条纹方向与偏振型横向剪切干涉仪的剪切方向垂直，信号获取与处理系统把从探测器获取的干涉图信号进行数字化，送入处理器中进行处理，最终得到目标的光谱信息和图像信息，其特征是偏振型横向剪切干涉仪由起偏器，一组双折射棱镜以及检偏器组成。

5、根据权利要求4规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是所述一组双折射棱镜选用以下任一方案制成：

A.两块双折射棱镜同为正晶体，

B.两块双折射棱镜同为负晶体，

C.两块双折射棱镜中的一块为正晶体，而另一块为负晶体，

同时两块双折射棱镜的晶轴方向互相垂直。

6、根据权利要求5规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是所述收集光学系统为一套能单独成像的透镜组件，所述探测器选用面阵探测器，该面阵探测器在推扫方式工作时，能够获得目标的两维空间和一维光谱信息，所述信号获取与处理系统为配合有一套专用电路板的普通微机，它把从探测器获取的干涉图信号进行数字化并进行处理，最终得到目标的光谱信息和图像信息。

7、根据权利要求4、5或6规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是在偏振型横向剪切干涉仪的前方设置有前置光学系统，该前置光学系统由前置物镜和准直镜两部分组成，它将目标发出的辐射进行收集、准直并减小杂散光。

8、根据权利要求7规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是所述前置光学系统中增设光阑，用于抑制系统的杂散光。

9、根据权利要求4、5或6规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是它还具有一个定标系统，定标系统由切换镜切入信号，切换镜设置在偏振型横向剪切干涉仪的前方，所述定标系统用于对整个仪器系统的光谱响应和辐射度响应进行标定。

10、根据权利要求8规定的偏振型干涉成像光谱仪，其特征是它还具有一个定标系统，定标系统由切换镜切入信号，切换镜设置在前置光学系统以及偏振型横向剪切干涉仪之间，所述定标系统用于对整个仪器系统的光谱响应和辐射度响应进行标定。

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