CN203869776U - 一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，由一个分束器、一个动臂和一个静臂组成；其特征在于所述动臂和静臂为光路折叠结构，且共享同一个固定的双面平面反射镜，此平面反射镜的两个反射面分别垂直反射动臂和静臂的入射光束返回至分束器；所述静臂光路插有补偿板，以补偿两臂之间光程差。动臂光路的折叠结构能够很好地克服迈克尔逊干涉仪动镜扫描中的光束倾斜和横移问题，静臂光路中插入补偿板可以降低成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器动态范围的高要求，两臂光路的折叠和共用同一双面平面反射镜可以减小扫描干涉仪的体积。据其构建的成像傅里叶变换光谱仪更为小型紧凑，可在物理、生物、化学、医学、药学、食品、环保、遥感、航天等多领域产生良好的应用效益。

Description

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置

技术领域

本申请涉及一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置。

背景技术

成像傅里叶变换光谱仪采用面阵探测器代替单点探测器，拓展了普通傅里叶变换光谱仪的空间分辨能力，能够对待测目标的二维空间图像信息和一维光谱信息同时获取，实现成像光谱(或称光谱成像)测量。在恰当的设计下，成像傅里叶变换光谱仪能够很好的继承一般傅里叶变换光谱仪的若干光谱测量优点，如：1多通道、2高光通量、3高光谱测量精度、4宽测量波段、5高／可调谐光谱分辨率、6全波段分辨率一致。丰富的空间和光谱信息获取能力使得成像傅里叶变换光谱仪在物理、生物、化学、医学、药学、食品、环保、遥感、航天等多个领域具有重要的应用价值。

典型成像傅里叶变换光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪，其基本结构及工作原理如图1所示。成像傅里叶变换光谱仪系统还包括光源、光收集系统、面阵探测器和主控计算机等部分。待测目标发出的光经光谱仪前端的光收集系统收集准直后进入迈克尔逊干涉仪，干涉仪的分束器(半透半反镜)将其平分为透射和反射两个光束，一束射向动镜，另一束射向定镜；两束光分别被定镜和动镜反射后回到分束器重新相遇，经分束器再次分束；在干涉仪出射的两路重合光束光程差小于光源相干长度条件下，二者产生干涉；出射干涉光束经筒镜聚焦成像至面阵探测器；当动镜在干涉仪两臂零光程差附近作直线往复扫描时，计算机控制探测器记录一系列干涉图像，该系列数字图像相同像素位置处的数值构成该处光信号的离散干涉图样；根据傅里叶变换光谱技术原理，计算机对目标图像所有像素位置的干涉图样进行快速离散傅里叶变换处理，即可得到待测目标的数字图像和像上所有像素处的光谱，实现成像光谱测量。

典型的迈克尔逊干涉仪是一种扫描干涉仪，其动镜为平面反射镜，在工作时由机械致动器驱动做平行于光轴的直线往复扫描运动。但是任何机械驱动机制均无法保证动镜的绝对直线扫描，因此平面镜在扫面过程中会产生倾斜，这将使平面镜反射回的光束产生更大的倾斜，以至无法与另一路参考光束保持光学平行，也即无法与其在分束器重新会和时重合。由于傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率与动镜扫描光程成正比(扫描距离越长光谱分辨率越高)，因此当需要实现高光谱分辨率时，扫描距离的加长会导致这一倾斜更加严重。动镜倾斜不仅影响两路光束在探测器上所成图像的重合，导致像质下降，而且会降低每个像素处的干涉衬比度，甚至无法形成干涉，从而无法实现光谱测量。

空心角锥回射器由三个相互垂直的反射面组成，其特点是入射光束在其内部经三次反射后产生回射，回射光束与入射光束保持高度平行，因此具有出入射光束平行自补偿机制。利用空心角锥回射器作为迈克尔逊干涉仪动镜，即使在扫描过程中产生微小的倾斜，由于其自补偿机制，可以有效地克服动镜反射光束倾斜。但是，虽然空心角锥回射器可以保证入射反射光束平行，却会引入反射光束相对入射光束的横移。由于筒镜的不完美，这种横移会导致两束光束经其聚焦后的成像质量下降甚至干涉消失，影响成像光谱测量。而且，由于光束在角锥回射器内部的三次反射，使得干涉仪动臂光程大大加长；根据傅里叶变换光谱技术原理，为保证动镜扫描范围可以覆盖干涉仪零光程差位置，参考臂光程也不得不相应延长。这样大大增加了以其为动镜的扫描干涉仪所占用的空间，不利于据此构建的成像傅里叶变换光谱仪的小型化和紧凑化。

另外，传统的成像傅里叶变换光谱仪在测量中目标图像的最亮像素和最暗像素处所形成的干涉峰光强可能会跨越极大的范围，这对面阵探测器的动态范围提出了极为苛刻的要求。若面阵探测器的像素动态范围不够大，则极易导致亮像素处干涉信号测量的饱和或暗像素处干涉过于微弱而无法探测的后果。从而劣化光谱仪的光谱测量。

鉴于上述问题，本发明中叙述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置采用一种光路折叠的干涉仪动、静臂结构，能够有效地克服迈克尔逊干涉仪动镜扫描中的光束倾斜和横移问题，减小成像傅里叶变换光谱仪的整体体积使其更为小型紧凑，还可以降低成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器动态范围的高要求。

本发明提出一种新型的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，包括一个分束器，一个动臂和一个静臂(参考臂)，其特征在于所述动臂和静臂共享同一个固定的双面平面反射镜，此平面反射镜的两个反射面分别垂直反射动臂和静臂的入射光束返回至分束器；所述静臂光路插有补偿板，以补偿两臂之间光程差。其动臂由一个空心角锥回射器和一个固定的双面平面反射镜组成光路折叠结构，其中的空心角锥回射器由一个直线平移台驱动实现直线往复光程扫描，其静臂由同一双面平面反射镜、一块光程补偿板和一个45°反射镜组成光路折叠结构。动臂光路的折叠结构能够很好地克服迈克尔逊干涉仪动镜扫描中的光束倾斜和横移问题，静臂光路中插入补偿板可以降低成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器动态范围的高要求，两臂光路的折叠和共用同一双面平面反射镜可以减小扫描干涉仪的体积，使据其构建的成像傅里叶变换光谱仪更为小型紧凑。

发明内容

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，由一个分束器，一个动臂和一个静臂组成，静臂也称参考臂，其特征在于所述动臂和静臂共享同一个固定的双面平面反射镜，此平面反射镜的两个反射面分别垂直反射动臂和静臂的入射光束返回至分束器；所述静臂光路插有补偿板，以补偿两臂之间光程差。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述分束器是非偏振50：50分光比型分束器，所述分束器位于成像傅里叶变换光谱仪光收集系统产生的准直光路上，经分束器分束的透射和反射光束互相垂直，干涉仪的入射光束与出射光束互相垂直；所述分束器是常规的立方体分束器，或是一种45°平行四边体分束器。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述动臂由一个空心角锥回射器、一个直线平移台和一个固定的双面平面反射镜组成，所述空心角锥回射器位于所述分束器的透射光路上，且锥角背向所述立体分束器，所述空心角锥回射器的直线往复扫描运动由其所处的直线平移台驱动，所述固定的双面平面反射镜的反射面垂直于所述角锥回射器的回射光路。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述静臂由同一个双面平面反射镜、一块光程差补偿板和一个45°反射镜组成；所述45°反射镜位于静臂光路上，其反射面与其入射光路成45°角；所述补偿板的入射和出射面垂直于所述45°反射镜的反射光路，所述固定的双面平面反射镜反射面垂直于所述45°反射镜的反射光路。

一种45°平行四边体分束器，其特征在于所述平行四边体分束器为实心玻璃，两相邻工作面所夹锐角为45°，一对相对的平行的工作面为分光面和反光面，另一对相对的平行的工作面为光束出入射面；分光工作面加镀多层介质膜，反光工作面加镀金属膜，两个直边出入射工作面加镀增透膜。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述45°反射镜是平面反射镜，或是斜面镀金属膜的45°玻璃直角棱镜；采用玻璃直角棱镜作为45°反射镜可以起到补偿板增加光程的作用，其出入射工作面加镀增透膜。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述双面平面反射镜的两个工作面平行，为双面镀金属膜的玻璃平板，或单面镀金属膜的实心玻璃平板；采用单面镀金属膜的玻璃平板作为反射镜时，金属镀膜面朝向空心角锥反射器，另一面加镀增透膜，玻璃基板可以起到补偿板增加光程的作用。

一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于从垂直于所述空心角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的6个扇形区域；旋转调整所述空心角锥回射器，使其入射光束和出射光束处于所述6个扇形区域中一对对称相对的扇形区域内。

本发明的有益效果为：1)有效地克服迈克尔逊干涉仪动镜扫描中的光束倾斜和横移问题，2)减小扫描干涉仪的整体体积，3)降低成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器的动态范围高要求。本发明十分利于成像傅里叶变换光谱仪的小型化、紧凑化以及成本降低。据此实现的成像傅里叶变换光谱仪可在物理、生物、化学、医学、药学、食品、环保、遥感、航天等多领域产生良好的应用效益。

附图说明

图1为本发明背景技术中的成像傅里叶变换光谱仪结构及工作原理示意图

图2、图3、图4、图5均为本发明具体实施方式中成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置的结构示意图

图6为图2、图3、图4、图5中3的P向结构示意图

附图标记说明：

1、入射光束；2、立方体分束器；3、空心角锥回射器；4、直线平移台；5、45°平面反射镜6、补偿板7、双面平面反射镜8、出射光束9、单面金属镀膜补偿板10、45°反射直角棱镜11、45°平行四边体分束器12、回射器入射光束13、回射器回射光束。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面结合附图与具体实施方式，对本方案进行阐述。

图2所示为本发明所述的一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置的俯视图：待测目标发出的光被成像傅里叶变换光谱仪前端的光收集系统收集、准直为入射光束1，1进入光谱仪后射向立方体分束器2；经过2的反射光束经45°平面反射镜5反射后光路发生90°折叠射向补偿板6，光束透射过6之后垂直入射双面平面反射镜7的一侧反射面，最后被固定不动的7垂直反射，沿入射光路原路返回至2；干涉仪的静臂由2、5、6、7组成。

所述入射光束1经过2的透射光束射向空心角锥回射器3，入射3的光束以一定的横移被3折叠回射，沿与入射光束180°的方向射向7的另一侧反射面，最后被7垂直反射，沿入射光路原路返回至2；其中，3可以沿入射光束平行方向由直线平移台4驱动做直线往复扫描运动；干涉仪的动臂由2、3和7组成。

沿所述动臂和静臂被原路反射回的两光束在所述分束器2重新会合并被再次分束；其中两束重合沿入射光束1原路返回，另外两束重合沿垂直于入射光束1的方向形成干涉仪的出射光束8；在组成8的两束光束光程差小于光源的相干长度条件下，二者产生干涉，可由成像傅里叶变换光谱仪的筒镜聚焦成像至面阵探测器，并由面阵探测器记录待测目标的干涉图像。

所述扫描干涉仪装置在用于成像傅里叶变换光谱测量工作时，通过所述直线平移台4驱动空心角锥回射器3，使3沿入射光束平行方向在干涉仪的动静臂零光程差附近做直线往复扫描运动，可以不断连续改变两臂间的光程差。此时由计算机控制面阵探测器记录待测目标的一系列干涉图像，该系列数字图像相同像素位置处的数值构成该处光信号的离散干涉图样。之后与一般成像傅里叶变换光谱仪的原理相同，利用计算机对该系列目标干涉图像所有像素位置的干涉图样进行快速离散傅里叶变换处理，即可得到待测目标的数字图像和像上所有像素处的光谱，实现成像光谱测量。

如图6所示，所述空心角锥回射器具有三个相互垂直的反射面，三个面中任意两个面的接缝会成像在第三个面上，因此，从垂直于所述大角锥回射器口径面上看进去，圆形口径被对称分成了大小相等的6个扇形区域。在本发明的实施中，旋转调整所述空心角锥回射器3，使得回射器入射光束12和回射器出射光束13相对其圆形口径圆心对称的处于6个扇形区域中一对相对的扇形区域内，这样能够避免所述12、13光束打在回射器任意两个反射面的接缝处，从而造成光损失和降低反射光束质量。

所述扫描干涉仪动臂的实现利用了角锥回射器的反光特点：即任意入射光束只要其入射点与回射器口径圆心不重合，反射光束均会以一定横向位移被回射，且出射光束与入射光束保持平行；入射点和出射点处于角锥反射器圆形入射口径的同一条直径线上，且入射点与出射点相对圆心对称。当所述空心角锥回射器3扫描时，其自补偿机制可以保证由直线平移台4产生的任何微小倾斜都不会影响其出射光束13与入射光束12的平行度；而3的倾斜产生的回射光束13的微小横移由于双面平面反射镜7的反射面始终保持与回射光束13的垂直而得到补偿。因此，所述光路折叠的动臂结构可以巧妙地避免迈克尔逊干涉仪动镜扫描过程中的光束倾斜和横移问题。

所述固定的双面平面反射镜7可由圆形玻璃材料为基底，两个反射面可根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀不同材料的金属膜实现，也可以由有关金属材料块状基底两面抛光实现。所述扫描干涉仪装置中的动臂静臂由于均采用了光路折叠的结构，得以共享同一块双面平面反射镜7作为两臂完成光束原路反射的器件。这一设计方案使得整个干涉仪装置的结构十分紧凑，非常有利于据此构建的成像傅里叶变换光谱仪的小型化。在实际实施中，在满足机械强度要求的前提下，根据几何计算可知双面反射镜7的厚度越薄越容易使整个干涉仪体积缩小。

根据几何计算可知，所述扫描干涉仪装置中若无所述补偿板6，则动臂光程将始终大于静臂光程；根据傅里叶变换光谱仪工作原理，空心角锥回射器3的扫描行程必须覆盖两臂的零光程差位置，因此需要插入高于空气折射率材料的补偿板以增加静臂光路的光程。所述补偿板6可由圆形玻璃材料为基底，两个平行的入射面可根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀不同的增透膜实现。根据几何光学计算可知，制成所述补偿板6所用玻璃材料的折射率越高越有益于所述扫描干涉仪体积的减小。

当待测目标的光谱覆盖很宽的波段时，普通干涉仪在零光程差处形成的干涉峰光强可能会覆盖极大的范围，因此对探测器的动态范围要求苛刻。而所述补偿板6为玻璃材料制成，对不同波长的光信号具有不同的折射率，因此具有一定的色散；根据傅里叶变换光谱技术原理，所述补偿板6的插入，使得所述扫描干涉仪对不同波长的光信号零光程差位置不同，因此可以大大降低所述扫描干涉仪产生的干涉信号的光强范围，弱化据其进行的成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器动态范围的高要求，从而降低据其构建的成像傅里叶变换光谱仪系统成本。

图2所示的实施方式阐明了本发明的核心原理，据此思想还可以给出若干种改进的实施方案，如图3、4、5所示：

如图3所示，图2静臂中的双面平面反射镜7和补偿板6可合并为一个单面金属镀膜补偿板9。所述9可由圆形玻璃材料为基底，朝向3的一面垂直于其出射光束，对该面抛光后，根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围，选择加镀一定厚度不同材料的金属膜作为动镜两臂的共享反射镜；所述9的另一面与金属镀膜面平行，可加镀增透膜。所述9的使用合并了两个元件6和7，不仅减少了元件数目，降低了成本和实际中元件安装的复杂性，根据几何计算可知，还有利于比图2所示方案进一步减小整个所述扫描干涉仪的体积。

如图4所示，图3静臂中的45°平面反射镜5可由一个45°反射直角棱镜10替代。所述10为实心玻璃材料制成，其斜边反射面根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀不同材料的金属膜实现，其直边两平面可根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围加镀增透膜。所述10的引入等效于补偿板6和平面反射镜5的合并，但是仍需使用9以平衡两臂的光程。根据几何计算可知，用所述10替代5，可以减小9的厚度，从而进一步缩小如图3所示干涉仪的体积。

如图5所示，图3中的所述立方体分束器2和45°平面反射镜5可合并为一个45°平行四边体分束器11。所述11可由实心玻璃材料制成，两相邻工作面所夹锐角为45°；一对相对的平行的工作面为分光面和反光面，另一对相对的平行的工作面为光束出入射面；所述分光工作面根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀多层介质膜，所述反光工作面根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀金属膜，所述两个出入射工作面可以根据成像傅里叶变换光谱仪的光谱工作范围选择加镀增透膜。实际实施中，入射光束1垂直入射所述11的一个入射面后至其分光工作面，经所述分光工作面透射的光束射向干涉仪动臂；经分光工作面反射的光束射向所述11的45°反光面，经45°反光面反射后沿着与所述入射光束1平行的方向，经所述11的出射面透射而出，射向所述扫描干涉仪的静臂；动静两臂入射光束被所述单面金属镀膜补偿板9反射后沿着上述光路原路返回至所述11的分光面重新相遇，经再次分束后，两束射出所述扫描干涉仪的光束重合形成所述出射光束8。所述11的使用合并了图3所示方案中的两个元件2和5或图4所示方案中的2和10；这一方案不仅减少了元件数目，降低了实际中元件安装的复杂性，根据几何计算可知，使用这一方案可以减小9的厚度，还有利于比图2、图3和图4所示方案进一步减小整个所述扫描干涉仪的体积。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，由一个分束器，一个动臂和一个静臂组成，静臂也称为参考臂；其特征在于所述动臂和静臂共享同一个固定的双面平面反射镜，此双面平面反射镜的两个反射面分别垂直反射动臂和静臂的入射光束返回至分束器；所述静臂光路插有补偿板，以补偿两臂之间光程差。 

2.根据权利要求1所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述分束器是非偏振50∶50分光比型分束器，所述分束器位于成像傅里叶变换光谱仪光收集系统产生的准直光路上，经分束器分束的透射和反射光束互相垂直，干涉仪的入射光束与出射光束互相垂直；分束器是常规的立方体分束器，或是一种平行四边体分束器。 

3.根据权利要求1所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述动臂由一个空心角锥回射器、一个直线平移台和一个固定的双面平面反射镜组成；所述空心角锥回射器位于所述分束器的反射或透射光路上，且锥角背向所述分束器，所述空心角锥回射器的直线往复扫描运动由其所处的直线平移台驱动，所述固定的双面平面反射镜反射面垂直于所述角锥回射器的回射光路。 

4.根据权利要求1所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述静臂由同一个双面平面反射镜、一块光程差补偿板和一个45°反射镜组成；所述45°反射镜位于静臂光路上，其反射面与入射光路成45°角，所述补偿板的入射和出射面垂直于所述45°反射镜的反射光路，所述固定的双面平面反射镜反射面垂直于所述45°反射镜的反射光路。 

5.根据权利要求2所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述的平行四边体分束器为实心玻璃制成，两相邻工作面所夹锐角为 45°，一对相对的平行的工作面为分光面和反光面，另一对相对的平行的工作面为光束出入射面；所述分光工作面加镀多层介质膜，所述反光工作面加镀金属膜，所述两个出入射工作面加镀增透膜。 

6.根据权利要求4所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述的45°反射镜使用平面金属镀膜反射镜，或使用斜面镀金属膜的45°玻璃直角棱镜；采用玻璃直角棱镜作为45°反射镜可以起到补偿板增加光程的作用，其直边出入射工作面加镀增透膜。 

7.根据权利要求1或4所述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置，其特征在于所述双面平面反射镜的两个工作面平行，为双面镀金属膜的玻璃平板，或单面镀金属膜的实心玻璃平板；采用单面镀金属膜的玻璃平板作为反射镜时，金属镀膜面朝向空心角锥反射器，另一面加镀增透膜，玻璃基板可以起到补偿板增加光程的作用。