CN204286598U - 窗扫型傅里叶变换成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，包括动镜(1)、固定反射镜(2)、分束器(3)、焦平面探测器(4)、傅里叶变换透镜(5)和视场光栏(6)，其中所述动镜(1)与固定反射镜(2)呈一定角度设置，视场光栏(6)与动镜(1)平行设置，傅里叶变换透镜(5)的光轴方向和视场光栏(6)的光轴方向垂直。本实用新型提供的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，在结构设计上取消了狭缝对光能的限制，使光能量的利用率提高2个数量级左右，更加体现出了成像光谱仪中“成像”的特点，既是干涉图又是“景物”图，实现了图像信息与光谱信息的合二为一。

Description

窗扫型傅里叶变换成像光谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种用于光谱成像的仪器，尤其涉及一种窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，属于光谱成像领域。

背景技术

傅里叶变换光谱技术，或简称为傅里叶光谱技术，可以追溯到1880年发明的迈克尔逊(Michelson)干涉仪；虽然该发明的初衷是用于真空中光速的测量，但是它具备了现代傅里叶变换光谱仪的基本结构。1891年迈克尔逊明确指出，在双光束干涉仪的接收面上，由光程差变化引起的干涉强度变化等于被测光谱的傅里叶变换，从而奠定了现代傅里叶变换光谱仪的理论基础。在随后发展历程中，尽管傅里叶光谱技术的很多优点被人们揭示出来，但是由于高分辨率傅里叶变换光谱反演过程所需要的计算量非常大，因此直到20世纪后半叶，傅里叶光谱技术才随着数字计算机技术的发展逐步占据光谱技术、尤其是红外光谱测量领域的重要地位。特别是在1965年，J.W.Cooley和J.W.Tukey发明了快速傅里叶变换(FFT)算法并且把它应用于干涉光谱仪上，从而使高分辨率傅里叶变换光谱反演所需要的计算时间大大缩短，也使得傅里叶变换光谱测量技术的广泛应用成为现实。

傅里叶光谱技术发展到今天，已经不仅仅停留在针对简单的点光源或面光源的光谱测量。为了满足各种应用场合的需要，具有成像、高灵敏度、快速、宽谱段、高稳定性等功能或特点的傅里叶光谱技术也得到发展。虽然傅里叶变换光谱仪FTS(Fourier Transform Spectrometers)早在20世纪60年代就逐步进入实用化，但傅里叶变换成像光谱仪FTIS(Fourier Transform Imaging Spectrometers)的概念直到20世纪90年代初才随着遥感成像光谱技术的发展而被提出，并得到大力发展。因此可以认为傅里叶光谱技术仍然是一门年轻的科学。成像光谱技术是70年代末首先在美国提出并发展起来的，它具有图像和光谱合 一的特点，其信息的分析处理集中于在光谱维上进行图像信息的展开和定理分析。在遥感领域，各国都将干涉型成像光谱技术作为重点发展方向。

傅里叶变换成像光谱仪在很多文献中又被称作成像干涉仪(imaging interferometer)。按扫描原理划分，目前的傅里叶变换成像光谱仪大致可以划分为时间调制型(Temporarily Modulated)和空间调制型(Spatially Modulated)两大类。其中时间调制型需要安装动镜，光程差的变化受到一定的限制。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，解决好现有技术的问题，弥补现有目前市场上现有产品的不足。

本实用新型提供了一种窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，光谱仪包括动镜、固定反射镜、分束器、焦平面探测器、傅里叶变换透镜和视场光栏，其中所述动镜与固定反射镜呈一定角度设置，视场光栏与动镜平行设置，傅里叶变换透镜的光轴方向和视场光栏的光轴方向垂直，所述焦平面探测器设置在傅里叶变换透镜下方。

优选的，上述视场光栏与窗扫方向平行。

优选的，上述动镜和固定反射镜垂直设置。

优选的，上述傅里叶变换透镜设置在固定反射镜的下方。

本实用新型提供的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，在结构设计上取消了狭缝对光能的限制，使光能量的利用率提高2个数量级左右，更加体现出了成像光谱仪中“成像”的特点，既是干涉图又是“景物”图，实现了图像信息与光谱信息的合二为一。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

附图标记：1-动镜；2-固定反射镜；3-分束器；4-焦平面探测器；5-傅里叶变换透镜；6-视场光栏；7-干涉立方体。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪具体如图1所示，光谱仪包括动镜1、固定反射镜2、分束器3、焦平面探测器4、傅里叶变换透镜5和视场光栏6，其中所述动镜1与固定反射镜2呈一定角度设置，视场光栏6与动镜1平行设置，傅里叶变换透镜5的光轴方向和视场光栏6的光轴方向垂直，所述焦平面探测器4设置在傅里叶变换透镜5下方。

视场光栏6与窗扫方向平行。动镜1和固定反射镜2垂直设置。傅里叶变换透镜5设置在固定反射镜2的下方。如图1所示，对需要成像的区域应用本实用新型的光谱仪，即可得到窗扫所采集的干涉立方体7。

窗扫型傅里叶成像光谱仪在结构设计上取消了狭缝对光能的限制，使光能量的利用率提高2个数量级左右；此外，它更加体现出了成像光谱仪中“成像”的特点，即在数据采集中的每一帧图像，既是干涉图又是“景物”图，实现了图像信息与光谱信息的合二为一。图1是本实用新型提供的窗扫傅里叶变换成像光谱仪的光路原理，可以看出该系统与狭缝式系统的主要区别在于把狭缝改为一个大孔径的视场光栏。窗扫型傅里叶变换成像光谱仪的干涉图采样方式与推扫式系统有根本的区别。在FPA上的干涉条纹是叠加在二维目标图像上的。 在采样过程中，FPA表面每一点产生的光程差是保持恒定的，因此可以把窗扫式傅里叶变换成像光谱仪归结为空间调制干涉系统。但是在采样期间，目标的二维图像被连续平移过FPA表面，因此每一行目标图像对应的完整干涉条纹需要通过一系列连续帧的采样才能获得。在FPA面的沿窗扫方向上，光程差的增量与推扫式系统是完全相同的，即与干涉点位置的距离增量成正比。因此为了获得目标的等光程差干涉信息，必须采用匀速扫描方式，并且以相等的时间隔采集并保存窗口图像。但是通过窗扫获得的原始干涉图像立方体的数据排列格式不同于推扫系统的数据立方体排列格式，因此需要对原始数据立方体进行重新排列。重组后的数据立方体排列格式与推扫系统完全相同；因此对重组后的数据立方体实施傅里叶变换就得到光谱图像数据立方体，其变换公式与推扫光谱仪系统完全相同，即：

$\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{\ξ}}(x,y,\mathrm{\ν})=\underset{-L}{\overset{+L}{\∫}}I(x,y,\mathrm{\ξ})\cos \left(2\mathrm{\π\ν\ξ}\right)\mathrm{d\ξ}\\ =\underset{-L}{\overset{+L}{\∫}}I(x,y,\mathrm{\ξ})\exp (-j2\mathrm{\π\ν\ξ})\mathrm{d\ξ}=\mathrm{FT}\{I(x,y,\mathrm{\ξ})\}\end{array}$

在相同空间分辨率和光谱分辨率的条件下，窗扫型傅里叶变换成像光谱仪的通量比推扫型系统有很大提高，其具体提高程度取决于扫描窗口的宽度。光谱分辨率、最大可测波数等性能指标的计算与推扫型系统基本相同；因此其光谱分辨率由于受到FPA宽度的影响不可能做得很高。窗扫型傅里叶变换成像光谱仪的另外一个主要问题就是数据采集过程的窗口的移动速度的均匀性问题。如果窗口的移动速度不均匀，将很难确定光程差变化的准确位置，这一点与动镜迈克尔逊成像光谱仪是非常相似的。在完整的一次窗扫过程中，第一帧窗口的起点与目标的第一行重合，最后一帧窗口的终点与目标的最后一行重合。因此在完整的数据立方体采样过程中会存在一些多余的数据。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述光谱仪包括动镜(1)、固定反射镜(2)、分束器(3)、焦平面探测器(4)、傅里叶变换透镜(5)和视场光栏(6)，其中所述动镜(1)与固定反射镜(2)呈一定角度设置，视场光栏(6)与动镜(1)平行设置，傅里叶变换透镜(5)的光轴方向和视场光栏(6)的光轴方向垂直，所述焦平面探测器(4)设置在傅里叶变换透镜(5)下方。

2.根据权利要求1所述的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述视场光栏(6)与窗扫方向平行。

3.根据权利要求1所述的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述动镜(1)和固定反射镜(2)垂直设置。

4.根据权利要求1所述的窗扫型傅里叶变换成像光谱仪，其特征在于：所述傅里叶变换透镜(5)设置在固定反射镜(2)的下方。