CN1945244A

CN1945244A - 高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪成像方法及光谱仪

Info

Publication number: CN1945244A
Application number: CN 200510096121
Authority: CN
Inventors: 苏丽娟; 相里斌; 袁艳
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2005-10-09
Filing date: 2005-10-09
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2025-10-09
Also published as: CN100443869C

Abstract

一种高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪，其转换成平行光束的目标光，经分束器分为反射光束和透射光束。反射光束经转镜和角反射器反射后回到分束器，由傅立叶透镜会聚形成第一束光的光程。透射光束经角反射器和平面反射镜反射后回到分束器，由傅立叶透镜会聚形成第二束光的光程，两束光到达探测器时产生光程差。角反射器沿垂直于分束器的平面同步移动，两束光的光程差范围发生变化，不同光程差范围所对应的干涉光谱图叠加后，经傅立叶变换，得到高光谱分辨率的目标复原图像。本发明解决了背景技术只能对单象素取样，或系统结构复杂、稳定性差等技术问题，其实时性好，尤适于对大目标的大面积扫描。

Description

高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪成像方法及光谱仪

技术领域

本发明涉及一种快速获得目标干涉光谱的动镜式干涉成像方法及实现该方法的光谱仪，具体涉及一种高稳定度、高光谱分辨率干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪。

背景技术

较早的成像光谱仪有法国太空空间与战略系统分部于1991年研制出的迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪【D Simenoni.New concept forhigh-compact imaging Fourier transform spectrometer(IFTS)[C].SPIE，1991，1479：127-138.】，美国罗伦斯利物摩尔实验室于1995年研制出的迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪【Michael R Carter，Charles L Bennett，DavidJ Fields，et al.Live more imaging Fourier transform spectrometer[C].SPIE，1995，2480：380-386.】。其采用线性往复扫描方式，每次扫描结束时必须转向，待稳定后再采集数据。所以，采集数据时必须通过一束参考激光提供相应的相干采样图谱。扫描速度通过伺服系统控制，并在转向时提供逆程扫描，随着扫描频率、速度的增加，往返时间成为总扫描时间的重要部分。为了得到精确的采样干涉图，伺服系统所需的带宽急剧增加。而随着扫描速度的增加，分辨率会受上述因素的制约。由于往返时间成为总扫描时间的重要部分，占空比会因伺服系统功率、扫描器件尺寸大小、扫描器件重量及系统稳定时间的制约而降低。例如，在360次/秒扫描、单次扫描时间为2.8毫秒的扫描频率下极难实现往复扫描。1-2毫秒的返程与稳定时间会将占空比降低至33-50％。在重复频率很高的情况下，将制约对分辨率有影响的扫描长度。因此，迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪稳定性差，工艺复杂，只适用于空间和光谱时间变化较慢的目标。

转镜干涉光谱成像是变形的时间调制型迈可尔逊干涉技术【J.Peter Dybward，et.al.“New Interferometer Design Concept”，STC Technical Report 2637，Science and Technology Corp，Hampton，VA，under contract#DAAA15-89-D-007，US Army CRDEC，APG，MD，8/92.】，该技术在扫描过程中有空扫。即转镜旋转时仅在一定角度内可获得干涉光谱图，而在其他角度为空扫。工作效率低，且只能对单象素取样，即只能对点目标扫描，只能应用于一个角度光线的扫描。

一种超高速扫描傅立叶变化红外光谱测定法【Peter R.Griffiths，Blayne L.Hirsche，Christopher J.Manning.Ultra-rapid-scanning Fourier transforminfared spectrometry.Vibrational Spectroscopy 19(1999)165-176.】，虽解决了转镜空扫的问题，但仍只能对单象素取样。如果要获得线目标或者面目标的干涉图谱，就必须在系统前部附加一个前置扫描系统，实现对目标每个点的逐个扫描，最后集合而获得整个目标的干涉图谱。存在的缺陷是系统结构复杂，体积较大，重量重。由于实时性差，不仅影响光谱图的质量，且扫描时间长，扫描速度低，分辨率低，适用的工作范围也较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高稳定度高光谱分辨率的干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪，其解决了背景技术中只能对单象素取样、工作效率低，或系统结构复杂、扫描速度低、稳定性差，光谱分辨率相对较低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪的成像方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤

1)准直透镜1将来自目标的光束转换成平行光束；

2)分束器2将平行光束分为反射光束I_F和透射光束I_T；

(i)被分束器2分出的反射光束I_F经转镜3和角反射器5多次反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测器9，形成第一束光的光程；

(ii)被分束器2分出的透射光束I_T到达平面反射镜7，经平面反射镜7和角反射器6多次反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测器9，形成第二束光的光程；

3)第一束光与第二束光通过傅立叶透镜8到达探测器9时产生光程差，成为两束相干光，在探测器9上产生干涉光谱图；

4)沿垂直于分束器2平面的方向同步移动角反射器5和角反射器6，变化第一束光和第二束光通过傅立叶透镜8到达探测器9的光程差范围，在探测器9上产生与变化光程差范围所对应的干涉光谱图；

5)不同光程差范围所对应的干涉光谱图叠加后，经计算机处理系统12进行傅立叶变换，得到高光谱分辨率的目标复原图像。

上述第一束光的光程可以是

1)被分束器2分出的反射光束I_F

(i)被转镜3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜3；

(ii)转镜3将光反射回分束器2；

(iii)反射回分束器2的光又被分为反射光束I_FF和透射光束I_FT；

2)被分束器2分出的反射光束I_F再次被分束器2分出的透射光束I_FT，透过分束器2到达傅立叶透镜8，被探测器9接收；

上述第二束光的光程可以是

1)被分束器2分出的透射光束I_T

(i)被平面反射镜7反射到角反射器6，角反射器6把入射光沿与入射方向平行的方向反射回平面反射镜7；

(ii)平面反射镜7将光反射回分束器2；

(iii)反射回分束器2的光又被分为反射光束I_TF和透射光束I_TT；

2)被分束器2分出的透射光束I_T再次被分束器2分出的反射光束I_TF，通过傅立叶透镜8，被探测器9接收。

一种实现上述高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪成像方法的光谱仪，包括傅立叶透镜8，位于傅立叶透镜8焦面上的探测器9，与探测器9相连接的计算机处理系统12，设置于前置光学系统11主光轴上的准直透镜1，设置于准直透镜1轴线OO′上的分束器2，其特殊之处在于：它还包括平面反射镜7，与电机4相连的转镜3，与驱动机构10相连、可沿垂直于分束器2平面的方向同步移动的角反射器5和角反射器6；

所述平面反射镜7的位置应满足：当转镜3、角反射器5-6在某一位置定位时，

1)主光轴上的光被分束器2第一次分出的反射光束I_F为第一束光；第一束光经转镜3和角反射器5多次反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测器9形成的第一束光的光程；

2)主光轴上的光被分束器2第一次分出的透射光束I_T为第二束光；第二束光到达平面反射镜7，经平面反射镜7和角反射器6多次反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测器9形成的第二束光的光程；

3)第一束光再回到分束器2的交点与第二束光再回到分束器2的交点相重合；

4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束I_FT和第二束被分束器2再次分出的反射光束I_TF光路重合；

5)第一束光的光程与第二束光的光程相等；

所述分束器2的位置还应满足：

1)能接收到通过准直透镜1的初始入射光；

2)能接收到经转镜3和角反射器5反射回的反射光；

3)能接收到平面反射镜7和角反射器6反射回的反射光；

所述角反射器5、角反射器6的结构相同，两者背向固连为一体；所述傅立叶透镜8的光轴位于第一束光的透射光束I_FT与第二束光的反射光束I_TF相重合的光路上。

上述探测器9以采用红外探测器为佳，具体可采用CCD红外探测器。

上述转镜3以由圆柱体的斜端面构成为宜，其便于加工、安装。

本发明具有以下优点：

1.可实现高频扫描，且稳定性好。采用转镜式动镜，系统运行连续，当扫描速度很高时，由于惯性的作用，旋转伺服系统仍能保持较好的稳定性。

2.抗干扰能力强。由于获得干涉图的时间极短，系统对振动敏感的程度低，机械振动频率一般对光谱图的质量无影响。

3.角反射器与转镜匹配形成的光路具有自补偿特性，从而使本发明具有较好的抗干扰性。

4.扫描效率高。转镜以一个圆柱体的具有一定倾斜度的端面作为反射面，在电机的带动下转动，无空扫现象，扫描效率高。

5.可实现线目标或面目标的直接扫描。采用角反射镜，不仅能扫描主光轴光线，还可扫描具有一定角度的光线，即可对线目标或面目标直接进行扫描，缩短了扫描时间，进一步提高了扫描效率和光谱图的质量。

6.实时性好，分辨率更高，工作范围宽。尤适用于对较大目标的大面积扫描。

7.功耗低，所需驱动功率小。

8.结构简单，体积小，重量轻。

9.结构相同的两个角反射器背向固连为一体，结构具有对称性，可以抵消加工产生的误差的影响，在装配时位置也容易确定。

10.反射器5、6绑定为一体，一起作水平方向移动时，两者受到水平位移的影响会相互抵消，具有自补偿的特性，提高了信噪比。

11.采用角反射体6和平面反射镜7结合的设计，大大缩小了仪器的整体结构，减轻了仪器的重量。

12.光谱分辨率大大提高。角反射器5、6在驱动机构10的带动下同时做水平运动，获得不同光程差范围内的干涉光谱图，这些干涉光谱图以立方体数据方式叠加后，经计算机处理可以获得较角反射器5、6位置固定时几倍甚至更高的光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图。

附图标号说明：1-准直透镜，2-分束器，3-转镜，4-电机，5-角反射器，6-角反射器，7-平面反射镜，8-傅立叶透镜，9-探测器，10-驱动机构，11-前置光学系统，12-计算机处理系统，13-被观测物。

具体实施方式

参见图1，本发明的光学系统主要由准直透镜1、分束器2、转镜3、角反射器5-6、前置光学系统11和傅立叶透镜8构成；干涉系统主要由准直透镜1、分束器2、转镜3、角反射器5-6、平面反射镜7和傅立叶透镜8构成。探测系统主要由探测器9构成，信息处理系统主要由计算机处理系统12构成，见附图2。

本发明的工作原理：

1)在转镜3静止时，主光轴上的光束被分束器2分成两束光，该两束光的光程相等。

2)当转镜3在电机4的带动下转动时，被分束器2第一次分出的反射光束I_F，经转镜3与角反射器5多次反射后，回到分束器2，再到达傅立叶透镜8的第一束光的光程会发生变化。而被分束器2第一次分出的透射光束I_T，经过平面反射镜7与角反射器6多次反射后，回到分束器2，被分束器2反射到达傅立叶透镜8的第二束光的光程不变化。两束光的光路不再重合，最后到达探测器9的光程不再相等，从而产生光程差，成为两束相干光，在探测器9上产生干涉图。随着转镜3的转动，两束光的光程差不断变化，由此获得一定光程差范围内的干涉光谱图。

3)转镜3在电机4带动下转动的同时，角反射器5、6在驱动机构10的带动下沿垂直于分束器2平面的方向同步移动，使第一束光和第二束光通过傅立叶透镜8到达探测器9的光程差范围发生变化，在探测器9上产生不同光程差范围内的干涉光谱图。不同光程差范围所对应的干涉光谱图以立方体数据方式叠加，经计算机处理系统12进行傅立叶变换后，可得到较角反射器5、6位置固定时几倍甚至更高的高光谱分辨率的目标复原图像。

例如：角反射器5、6在某位置时，光程差范围为[0，1]；当角反射器5、6移动到下一位置时，光程差范围变为[1，2]；角反射器5、6继续移动，在下一位置光程差范围又变为[2，3]…依次类推，在探测器9上产生与变化光程差范围所对应的干涉光谱图。这些不同光程差范围所对应的干涉光谱图叠加后，经过计算机处理系统12进行傅立叶变换，得到复原的目标图像。

4)转镜3在电机4带动下高速转动，即可实现高速扫描。

参见图1，本发明准直透镜1的轴线OO′位于前置光学系统11的主光轴上。分束器2的位置应确保既能接收到通过准直透镜1的初始入射光，又能接收到通过转镜3与角反射器5、平面反射镜7与角反射器6多次反射回的光。与电机4相连的转镜3的位置根据实际设计需要设置。角反射器5、角反射器6的结构相同，两者背向固连为一体，与驱动机构10相连，可沿垂直于分束器2平面的方向同步移动。平面反射镜7的位置应满足：当转镜3、角反射器5-6在某一位置定位时，

1)主光轴上的光在分束器2上第一次被分出的反射光束I_F为第一束光；其经转镜3和角反射器5多次反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束I_FF和透射光束I_FT，透射光束I_FT通过傅立叶透镜8到达探测器9的光程形成第一束光的光程。

2)主光轴上的光在分束器2上第一次被分出的透射光束I_T为第二束光；其经平面反射镜7和角反射器6多次反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束I_TF和透射光束I_TT，反射光束I_TF通过傅立叶透镜8到达探测器9的光程形成第二束光的光程。

3)第一束光再回到分束器2的交点与第二束光再回到分束器2的交点相重合。

4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束I_FT和第二束被分束器2再次分出的反射光束I_TF光路重合。

5)第一束光的光程与第二束光的光程相等。

傅立叶透镜8的光轴位于第一束光的透射光束I_FT与第二束光的反射光束I_TF相重合的光路上。探测器9位于傅立叶透镜8的焦面上。探测器9以采用红外CCD探测器为宜。图2所示的被观测物13是火箭，其是本发明用于观测火箭尾焰的示意图。

本发明光的传输过程：

1.来自目标的光束经前置光学系统11到达准直透镜1，准直透镜1将目标光束转换成平行光束；平行光束投射到镀有半透半反膜的分束器2上。

2.分束器2将光束分为反射光束I_F和透射光束I_T。其中，

1)被分束器2分出的反射光束I_F

(1)经转镜3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜3；

(2)转镜3将光反射回分束器2；

(3)反射回分束器2的光再次被分为反射光束I_FF和透射光束I_FT。

2)被分束器2分出的透射光束I_T

(1)被平面反射镜7反射到角反射器6，角反射器6把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回平面反射镜7；

(2)平面反射镜7将光反射回分束器2；

(3)反射回分束器2的光再次被分为反射光束I_TF和透射光束I_TT。

3.被分束器2分出的反射光束I_F再次被分束器2分出的透射光束I_FT，透过分束器2到达傅立叶透镜8，被位于傅立叶透镜8焦面上的探测器9接收。

4.被分束器2分出的透射光束I_T再次被分束器2分出的反射光束I_TF，通过傅立叶透镜8，被位于傅立叶透镜8焦面上的探测器9接收。

5.分束器2第一次分出的反射光束I_F，经转镜3和角反射器5反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测；分束器2第一次分出的透射光束I_T，到达平面反射镜7，又经平面反射镜7和角反射器6反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜8会聚到探测器9形成第二束光的光程；该两束光产生光程差，成为两束相干光，在探测器9上产生干涉光谱图。

6.角反射器5和角反射器6在驱动机构10的带动下沿垂直于分束器2平面的方向同步移动，变化第一束光和第二束光通过傅立叶透镜8到达探测器9的光程差范围，可获得第一束光和第二束光在不同光程差范围内的干涉光谱图。

7.不同光程差范围所对应的干涉光谱图叠加后，经计算机处理系统12进行傅立叶变换，得到高光谱分辨率的目标复原图像。

Claims

1.一种高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪的成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤

1)准直透镜(1)将来自目标的光束转换成平行光束；

2)分束器(2)将平行光束分为反射光束I_F和透射光束I_T；

(i)被分束器(2)分出的反射光束I_F经转镜(3)和角反射器(5)多次反射，再回到分束器(2)，通过傅立叶透镜(8)会聚到探测器(9)，形成第一束光的光程；

(ii)被分束器(2)分出的透射光束I_T到达平面反射镜(7)，经平面反射镜(7)和角反射器(6)多次反射，再回到分束器(2)，通过傅立叶透镜(8)会聚到探测器(9)，形成第二束光的光程；

3)第一束光与第二束光通过傅立叶透镜(8)到达探测器(9)时产生光程差，成为两束相干光，在探测器(9)上产生干涉光谱图；

4)沿垂直于分束器(2)平面的方向同步移动角反射器(5)和角反射器(6)，变化第一束光和第二束光通过傅立叶透镜(8)到达探测器(9)的光程差范围，在探测器(9)上产生与变化光程差范围所对应的干涉光谱图；

5)不同光程差范围所对应的干涉光谱图叠加后，经计算机处理系统(12)进行傅立叶变换，得到复原的高光谱、高分辨率目标图像。

2.根据权利要求1所述的高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪的成像方法，其特征在于：所述第一束光的光程是

1)被分束器(2)分出的反射光束I_F

(i)被转镜(3)反射到角反射器(5)，角反射器(5)把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜(3)；

(ii)转镜(3)将光反射回分束器(2)；

(iii)反射回分束器(2)的光又被分为反射光束I_FF和透射光束I_FT；

2)被分束器(2)分出的反射光束I_F再次被分束器(2)分出的透射光束I_FT，透过分束器(2)到达傅立叶透镜(8)，被探测器(9)接收；

所述第二束光的光程是

1)被分束器(2)分出的透射光束I_T

(i)被平面反射镜(7)反射到角反射器(6)，角反射器(6)把入射光沿与入射方向平行的方向反射回平面反射镜(7)；

(ii)平面反射镜(7)将光反射回分束器(2)；

(iii)反射回分束器(2)的光又被分为反射光束I_TF和透射光束I_TT；

2)被分束器(2)分出的透射光束I_T再次被分束器(2)分出的反射光束I_TF，通过傅立叶透镜(8)，被探测器(9)接收。

3.一种实现上述高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪成像方法的光谱仪，包括傅立叶透镜(8)，位于傅立叶透镜(8)焦面上的探测器(9)，与探测器(9)相连接的计算机处理系统(12)，设置于前置光学系统(11)主光轴上的准直透镜(1)，设置于准直透镜(1)轴线OO′上的分束器(2)，其特征在于：它还包括平面反射镜(7)，与电机(4)相连的转镜(3)，与驱动机构(10)相连、可沿垂直于分束器(2)平面的方向同步移动的角反射器(5)和角反射器(6)；

所述平面反射镜(7)的位置应满足：当转镜(3)、角反射器(5-6)在某一位置定位时，

1)主光轴上的光被分束器(2)第一次分出的反射光束I_F为第一束光；第一束光经转镜(3)和角反射器(5)多次反射，再回到分束器(2)，通过傅立叶透镜(8)会聚到探测器(9)形成的第一束光的光程；

2)主光轴上的光被分束器(2)第一次分出的透射光束I_T为第二束光；第二束光到达平面反射镜(7)，经平面反射镜(7)和角反射器(6)多次反射，再回到分束器(2)，通过傅立叶透镜(8)会聚到探测器(9)形成的第二束光的光程；

3)第一束光再回到分束器(2)的交点与第二束光再回到分束器(2)的交点相重合；

4)第一束光被分束器(2)再次分出的透射光束I_FT和第二束被分束器(2)再次分出的反射光束I_TF光路重合；

5)第一束光的光程与第二束光的光程相等；

所述分束器(2)的位置还应满足：

1)能接收到通过准直透镜(1)的初始入射光；

2)能接收到经转镜(3)和角反射器(5)反射回的反射光；

3)能接收到平面反射镜(7)和角反射器(6)反射回的反射光；

所述角反射器(5)、角反射器(6)的结构相同，两者背向固连为一体；所述傅立叶透镜(8)的光轴位于第一束光的透射光束I_FT与第二束光的反射光束I_TF相重合的光路上。

4.根据权利要求3所述的高稳定度高光谱分辨率干涉成像光谱仪，其特征在于：所述的探测器(9)为红外探测器。

5.根据权利要求3或4所述的高稳定度干涉成像光谱仪，其特征在于：所述转镜(3)由圆柱体的斜端面构成。