CN208060021U - 气体成像系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种气体成像系统。气体成像系统包括小透镜阵列，其配置为接收来自场景的热辐射并且传输热辐射的多个基本相同的子图像；双折射偏振干涉仪，其配置为基于进入双折射偏振干涉仪的每条光线的相应位置来为多个子图像中的每条光线生成光程差，光程差组合形成干涉条纹图案；以及红外焦平面阵列，其配置为通过双折射偏振干涉仪捕获由于光程差而由干涉条纹图案调制的多个子图像的热图像。捕获的热图像可以表示来自场景的热辐射的多个干涉图样本点，并且可以用于构建来自场景的热辐射的多个高光谱图像。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2015年6月16日提交的标题为“MULTIPLE GAS VISUALIZINGMETHODS AND SYSTEMS”的美国临时申请 No.62/180,557的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及气体的成像和可视化，并且具体地涉及使用红外成像相机和方法的气体成像和可视化。
背景技术
热成像设备(例如IR相机)可以用于检测例如来自逃逸性气体排放或气体泄漏的例如气体云或烟流形式的气体出现，并且用于以气体红外图像的形式将这种气体出现进行视觉表示。这种气体红外图像可以用于可视化气体出现或气体泄漏，例如以图像上的烟或云的形式呈现在相机的取景器上、在集成的或单独的显示器上或在外部计算设备上，从而允许用户在由IR相机观察和成像的场景中看到气体发生。这种技术的变体被称为被动红外气体成像，并基于使用来自场景的辐射而没有任何额外的照明来检测气体。
已提供了这样的气体检测红外相机，其能够生成描绘的区域的完整画面，其中气体在相机的取景器上以烟雾形式出现。已经开发了两种主要类型的相机，其工作在不同的波段；中波红外波段3-5微米和长波红外波段 7-14微米。这些使用窄带光谱滤波器来挑选感兴趣的波长的相机能够检测气体并对气体进行可视化。
当用于气体成像中的气体检测时，需要改进IR相机的性能。
实用新型内容
本公开的实施例包括气体成像系统。该系统包括小透镜阵列，其配置为基于接收的从场景发射的热辐射来形成多个热辐射光线束。进一步，该系统包括双折射偏振干涉仪和红外检测器，所述双折射偏振干涉仪配置为为多个光线束的每个别光线生成光程差，其中光程差组合以形成干涉条纹图案，该红外检测器配置为捕获场景的基于各自的热辐射光线束并且由干涉条纹图案进行调制的热子图像。捕获的热子图像可以表示来自场景的热辐射的多个干涉图样本点，并且可以被用来构建来自场景的热辐射的多个高光谱图像，以实现对场景中的经选择的不同气体进行检测、识别和/或成像。
在一些实施例中，由所述干涉条纹图案调制的所述多个子图像的所述热图像表示来自所述场景的所述热辐射的多个干涉图样本点，所述多个干涉图样本点的数量由所述多个子图像的数量决定。
在一些实施例中，气体成像系统进一步包括逻辑设备，其配置为基于由所述干涉条纹图案调制的所述多个子图像的所述热图像来确定多个高光谱图像，每个高光谱图像表示来自所述场景的在不同的波段中的热辐射。
在一些实施例中，所述逻辑设备配置为至少通过对来自所述热图像的像素组分别应用傅立叶变换来确定所述多个高光谱图像，每个像素组包括在各个子图像中的相同相对位置处的像素。
在一些实施例中，所述逻辑设备进一步配置为通过分析所述高光谱图像以与感兴趣的一种或多种气体的红外吸收/发射光谱进行比较来检测和/或识别所述一种或多种气体的存在。
在一些实施例中，所述逻辑设备进一步配置为产生所述高光谱图像的视觉表示以供用户观看。
在一些实施例中，所述小透镜阵列和所述双折射偏振干涉仪被定位成使得包括在所述小透镜阵列中的小透镜的焦平面与所述干涉条纹图案的定位平面重合；和所述红外焦平面阵列位于重合的所述焦平面和所述干涉条纹图的所述定位平面中。
在一些实施例中，气体成像系统进一步包括设置在所述双折射偏振干涉仪和所述红外焦平面阵列之间的中继透镜系统，并且所述中继透镜系统配置为重新定位重合的所述焦平面和所述干涉条纹图案的所述定位平面。
在一些实施例中，所述双折射偏振干涉仪包括相对于彼此旋转180度的两个棱镜。
在一些实施例中，所述两个棱镜是诺马斯基棱镜，每个棱镜包括以楔角楔入在一起的两个单轴双折射晶体。
在一些实施例中，所述双折射偏振干涉仪包括在所述两个棱镜之前的起偏器、在所述两个棱镜之后的检偏器以及在所述两个棱镜之间的半波片。
在一些实施例中，所述两个棱镜被截短，以使得所述两个棱镜中的仅一比例部分留在所述两个棱镜的对称轴的下方或上方，所述比例部分基于用于相位校正的干涉图样本点的比例部分来确定。
在一些实施例中，所述两个棱镜被截半，使得由所述干涉条纹图案调制的所述子图像的所述热图像对应于来自所述场景的所述热辐射的单侧干涉图样本点。
在一些实施例中，所述两个棱镜配置有楔角和光轴倾角，所述楔角和光轴倾角提供所述光程差的最大值，所述最大值允许重建要由所述气体成像系统成像的最小波长。
在一些实施例中，双折射偏振干涉仪位于多个热辐射光线束的各自的光路中，并且小透镜阵列和双折射偏振干涉仪配置为使得包括在小透镜阵列中的小透镜的焦平面与干涉条纹定位平面重合。
在进一步的实施例中，红外检测器可以可选地位于重合的焦平面和干涉条纹定位平面中。在一些实施例中，中继透镜系统可以可选地放置在双折射偏振干涉仪和红外检测器之间。在一些实施例中，热辐射光线束可以形成由小透镜阵列产生的多个热子图像。
在一些实施例中，小透镜阵列可以包括小透镜的阵列，每个小透镜形成在小透镜阵列处接收到的红外辐射的基本相同的子图像(例如，从包含气体的场景接收的红外辐射)。可以选择小透镜阵列中的小透镜的数量，以响应由红外检测器提供的像素的数量(例如，空间分辨率)和感兴趣的气体吸收/发射光谱来获得期望的光谱和空间分辨率。在一些实施例中，小透镜阵列可以配置为二维阵列，而在其它实施例中，小透镜阵列可以配置为一维阵列。
在一些实施例中，双折射偏振干涉仪可以包括起偏器、两个棱镜、半波片和检偏器。在一些实施例中，两个棱镜可以是诺马斯基棱镜。例如，根据一些实施例，两个诺马斯基棱镜可以相对于彼此旋转180度，和/或诺马斯基棱镜可以包括两个以楔角楔在一起的单轴双折射晶体。在一些实施例中，两个棱镜可以由金红石(TiO2)或蓝宝石(Al2O3)制成。
在一些实施例中，气体成像系统可以进一步包括处理器，其配置为识别热子图像阵列中的不同光谱带，并且基于识别的不同光谱带来对场景中经选择的不同气体的成像。
在本文的其它实施例中，提供了用于对场景中的经选择的不同气体进行成像的热成像装置中的方法。例如，根据一个或多个实施例，该方法包括接收从场景发射的热辐射；基于接收的热辐射通过小透镜阵列形成多个热辐射光线束；通过双折射偏振干涉仪为所述多条光线束中的每个别光线生成光程差，其中光程差组合形成干涉条纹图案；通过红外IR检测器捕获场景的基于各自的热辐射光线束并且由干涉条纹图案调制的热子图像阵列。捕获的热子图像可以表示来自场景的热辐射的多个干涉图样本点，并且可以用来构建来自场景的热辐射的多个高光谱图像，以实现对场景中经选择的不同气体进行检测、识别和/或成像。
该方法的一些实施例可以进一步包括由处理器和代码部分识别热子图像阵列中的不同光谱带，并且基于识别的不同光谱带对场景中的经选择的不同气体成像。
保护范围由权利要求限定，其通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域的技术人员将更加完整地理解本文的实施例以及意识到其附加优点。将参考将首先简要描述的附图。
附图说明
图1示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的光学气体成像的工作原理。
图2示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的包括在气体成像系统中的双折射偏振干涉仪(BPI)。
图3A示意性地示出根据本文呈现的一个或多个实施例的气体成像系统。
图3B示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的在热辐射检测器形式的焦平面阵列处接收的多个子图像。
图4示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的气体成像系统的优化图。
图5A和图5B示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的BPI的棱镜楔角γ和光轴倾角δ的不同组合的光程差Δ的示例图。
图6A示出根据本文给出的一个或多个实施例的作为固定棱镜高度的棱镜楔角γ和光轴倾角δ的函数的BPI和干涉条纹定位平面之间的距离的示例图。
图6B示出根据本文呈现的一个或多个实施例的作为固定棱镜楔角γ和光轴倾角δ的棱镜高度的函数的BPI和干涉条纹定位平面之间的距离的示例图。
图7示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的具有截棱镜的BPI。
图8示意性地示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的气体成像系统。
图9示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的通过图8的气体成像系统的光线的踪迹。
图10示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的从3至5微米的波长上的各种气体的重建光谱。
通过参考下面的详细描述可以最好地理解本公开的实施例及其优点。应该理解的是，相似的附图标记用于表示在一个或多个图中示出的相似元件。
具体实施方式
一些现有技术的气体成像系统仅分辨单个波长或单个窄波段的波长，并且因此不能识别气体的类型。需要提供能够识别气体类型的进一步改进的气体成像系统，即，确定已经检测到哪一种或多种气体。
本公开的实施例涉及能够对场景中的经选择的不同气体进行成像的气体成像系统和相关方法。根据本公开的一个或多个实施例，气体成像系统可以被包括在热成像装置中(例如IR相机)。
有能力分辨大量波长的相机被称为高光谱相机。这种相机测量物体在场景图像中的每个像素的光谱，并且可以看作是相机和光谱仪的组合。所有的原子和分子具有独特的电磁波谱，即一种光谱特征或指纹。因此，物体的化学成分可以通过测量其光谱来确定。高光谱成像可以用于大量的应用，例如在农业和环境调查中远程识别作物和森林的种植进度和健康，在采矿和石油工业中寻找矿物和石油，在生物技术和生物医学工程中用荧光显微镜研究细胞和蛋白质，以及在天文学中获得空间分辨的光谱图像。
根据本公开的实施例，高光谱仪器被用于气体成像，其中可以从其光谱特征中检测和识别气体。这样的实施例可以以在电磁场的不同部分中吸收和/或发射电磁辐射的不同气体为目标。
本文描述了使用高光谱成像从气体的电磁吸收和/或发射光谱中检测和/或识别气体的方法。光谱信息由基于双折射偏振棱镜的干涉仪多路复用，并且干涉图经傅立叶变换以重建原始光谱。本公开的实施例被适配于，并且一些实例针对3-5μm(微米)的中波红外波长的光学气体成像进行了优化。一些实施例适于检测和/或识别烃气体以及二氧化碳和一氧化二氮。
根据本公开的实施例，可以在单次曝光中捕捉完整的高光谱图像。其一个优点是消除了扫描伪像的风险。一些实施例被用于检测和/或识别具有变化光谱的气体。
图1示出了根据本文给出的一个或多个实施例的光学气体成像的工作原理。应当理解的是，图1以示例形式示出基于吸收的检测/成像(例如，当气体吸收辐射时)，但是本公开的实施例适用于基于吸收的和基于发射的气体检测/成像两者。在图1的基于吸收的示例中，背景物体110发射的红外辐射穿过比背景更冷的气体云120，即T背景>T气体，并且气体吸收一些红外辐射。对于基于发射的检测/成像，在基于发射的检测/成像的、气体云120比背景更热，即T背景<T气体的情况下，气体发射的红外辐射比吸收的更多。热成像系统130中的热辐射检测器(例如以IR相机的形式) 检测得到的入射辐射。气体对辐射的吸收导致热成像系统130中的检测器处的检测信号比不存在气体云的情况下的检测信号更低，从而能够基于更低的检测信号成像气体。相反，气体发射红外辐射导致检测信号比不存在气体云的情况下的检测信号更高，从而能够基于更高的检测信号来检测/ 成像气体。对于一些实施例，将滤波器放置在热成像设备的检测器的前方以将检测到的辐射变窄到选定的波带。图解140示出了使用针对选定的波长的滤波器的每波长的辐射强度。
如在一般物理学中所知，原子吸收和发射辐射对应于电子能态之间的电子跃迁。吸收和发射的光子的能量必须等于电子的激发和去激发能量以使能量守恒。因为每个跃迁具有特定的能量差异，所以只有对应于这些特定能量的波长才会发生吸收和发射。也许这种情况的最著名的示例就是太阳光谱中太阳辐射的吸收，其观察为暗线，在太阳光谱中被称为弗劳恩霍夫线。由于吸收和发射对于每个元素都是独特的，所以特征线起着一种光谱特征或“光谱指纹”的作用，该特征可用于识别元素。大多数电子跃迁处于紫外或可见光谱范围内。然而，许多分子气体在红外光谱范围内具有吸收和发射。与原子相比，分子具有额外的自由度，即旋转和振动模式。至于电子跃迁、旋转和振动激发只能发生在特定的能态之间。因此，由振动跃迁引起的吸收和发射仅发生在特定的波长上。因此，任何原子或分子都可以通过测量其特征光谱来识别。
根据实施例，通过热成像检测气体的技术利用气体分子的旋转和振动带中的红外辐射的吸收或发射。因此，如图1所示，温度T的背景物体在特定光谱内发射辐射。辐射穿过温度T气体<T的烟流。一些波长对应于振动激发的能量的辐射被气体吸收。因此到达相机检测器的辐射缺少某些波长。这具有这样的效果，即与根本没有气体存在的情况相比，如果在相机和背景物体之间存在一些气体时，检测器处的强度较低。
如图解140所示，根据一些实施例，通过在检测器之前放置滤波器，可以调整光谱区域以匹配特定气体或特定类别气体的吸收带。如图解150 所示，较窄的滤波器生成较大的相对信号变化，并因此生成较高的信号对比度和灵敏度。然而，如图解160所示，总强度降低，因此存在折衷，其通过分析信噪比来调整，例如，通过滤波器的频谱选择来调整以降低高阶噪声。图解170说明了由于滤波器引起的合成检测器信号变化。如果气体比背景更热，则气体排放的贡献将大于吸收。因此，相机与背景之间的热气导致信号的增加。
除了被吸收和发射之外，辐射也可以被散射，这在激发之后立即去激发时发生。在光学气体成像应用中，散射辐射通常是背景之外的热物体的结果，其发射的辐射由气体散射并由相机检测。例如，一些实施例包括屏蔽以减轻散射辐射。
一些实施例进一步配置为检测以及量化气体。除了检测气体之外，根据本公开的一些实施例配置为识别检测到的气体，这通过配置为测量多个波长的强度来做到。例如，这样的强度可以每一个都构成采样光谱，以与已知的气体光谱(例如，包括通过计算和/或模拟生成的气体光谱，例如借助气体发射/吸收和透射光谱的HITRAN模拟)进行比较，并且检查匹配。
灰度相机生成的图像将强度描述为两个空间坐标(x和y)的函数I(x， y)。彩色相机通过组合来自三个单独的颜色通道(红色、绿色和蓝色)的强度来再现场景的颜色。这些通道对应于可见光谱中的三个不同的波段。因此，彩色相机生成的图像可以理解为除了两个空间坐标之外，还将强度描述为波长λ的函数I(x，y，λ)。根据本文描述的一些实施例，多光谱和高光谱相机增加了光谱带的数量。这种多光谱或高光谱系统可以具有多于10个光谱带。
高光谱成像的一个目标是为图像的每个像素获得完整的光谱。因此，高光谱图像可以由通常称为数据立方体的三维数据集组成。该立方体的三边表示x，y和λ，并且每个元素表示强度I(x，y，λ)。在高光谱成像中，数据立方体可具有比二维检测器阵列更高的维度。这可以通过收集立方体的时间顺序2D切片或者通过将立方体分成多个2D元素(以某种方式分布并组织在检测器阵列上)同时测量立方体的所有元素来解决，并且然后在后期处理过程中将它们重新组合成立方体。这两种技术分别被称为扫描和快照。不同的扫描技术是可用的。光谱扫描系统以一次一个光谱带的方式捕获场景的空间图像，例如通过为每个图像在检测器前插入不同的滤波器。点扫描系统以一次一个点的方式捕获场景中每个点的光谱。这样的系统通常将来自场景的单个点的光分散到线阵检测器上。线扫描系统以一次一个切片的方式对场景进行成像，光通过狭缝进入系统，并被分散到检测器阵列上。
一些实施例可以在监测的气体具有吸收峰的光谱范围内操作。几个不同的范围可能是感兴趣的范围。许多碳氢化合物(例如1-戊烯、苯、丁烷、乙烷、乙醇、乙苯、乙烯、庚烷、己烷、异戊二烯、MEK、甲烷、甲醇、 MIBK、辛烷、戊烷、丙烷、丙烯、甲苯和二甲苯)在较低的中波长红外线(3-5微米)中有吸收，而强效温室气体六氟化硫(SF6)，以及几种制冷剂气体在长波长红外线(7-14微米)中有吸收。系统中的所有组件都可以传输或在镜子的情况下反射预期光谱范围内的辐射。进一步，在具有非常小的组件、尺寸与红外光的波长在同一量级或小于红外光的波长的系统中，可能发生衍射效应。
本公开的各种实施例可利用光谱滤波器、棱镜、衍射光栅或干涉仪或其任何组合来提取光谱信息。利用干涉仪的技术(例如傅立叶变换红外光谱)与滤波和色散技术相比具有一些优势。这些优势被称为费尔盖特优势和贾奎诺优势。
费尔盖特优势(也称为复用优势)可以描述为与直接测量相比改善的干涉测量信噪比。这是由于使用了滤波器和色散元件(例如棱镜和光栅) 的事实，一次测量一个波长。因此，每个像素仅接收光的总强度的一部分，因为仅一个波长到达每个像素；所有其它波长已经被过滤走或分散到其它像素。另一方面，干涉仪对信号进行复用，从而同时测量来自所有波长的光谱信息。因此，信号的强度不会被信号的滤波或分散降低，这导致基于干涉仪系统的更高的信噪比。
贾奎诺优势或吞吐量优势是与分散元件相比，由于干涉仪的光通量更高,信噪比改善，分散元件需要小的入口狭缝来限制通过它们的光量。
高信噪比是光学气体成像技术中的优势，特别是对于定量测量。根据不同的实施例可以提供不同的配置。作为比较，多图像傅里叶变换光谱成像是将二维小透镜阵列与迈克尔逊干涉仪相结合的技术。然而，这种基于镜面干涉仪的技术对振动、热膨胀、空气湍流以及其它可能影响测量的效应都很敏感。
根据各种实施例，提供了一种对振动较不敏感的稳固设备，其包括快照高光谱成像傅立叶变换光谱仪。在其它实施例中，这是迈克尔逊干涉仪的替代方案，并且包括具有双折射棱镜的双折射偏振干涉仪。本文描述了包括这种技术的示例性实施例。就此而言，与基于滤波器或色散技术相比，本公开的实施例有利地提供了改善的信噪比。
根据本公开的实施例的快照高光谱成像傅里叶变换光谱仪形式的气体成像系统包括小透镜阵列、双折射偏振干涉仪和热辐射检测器(也称为 IR检测器)形式的焦平面阵列。
在各种实施例中，双折射偏振干涉仪(BPI)包括具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的双折射材料。这可以是一种具有一个对称轴并称为单轴的双折射介质。这个称为光轴的轴控制着各向异性，并定义了介质的特殊方向。与光轴成一定角度的所有方向在光学上是等效的。这样的单轴介质将入射光束分成两束光线：一束称为普通光线(o光线)，其偏振方向垂直于光轴，另一束称为非常光线(e光线)，偏振部分地在光轴方向上 (但不必须平行于光轴)。下面参考关于o光线和e光线通过单轴介质的光线追迹的等式1-15来描述根据本公开的实施例的BPI的操作和原理。
普通波(o波)服从斯涅耳定律，
n1sinθ1＝n0sinθ0，(等式1)
其中n1是入射介质的折射率，θ1是入射角，n0是双折射材料中的o波的折射率，并且θ0是o波折射角。非常波(e波)遵循类似的定律，
n1sinθ1＝n sinθe，(等式2)
其中θe是e波的折射角，并且n是e波的有效折射率。两个等式之间的差别在于，n0是常数，而n是e波矢量和光轴之间的角度的函数。用θ表示这个角度，我们有等式3：
其中，ne是非常折射率。注意n针对不同的θ在两个极值n0和ne之间变化。并且n0和ne都是双折射介质的性质，并且通常表示为双折射B＝ne-n0。
在各向同性介质中，波矢量k和光线矢量(坡印亭矢量)S指向相同的方向。然而，在双折射介质中，这只对普通光线才是正确的。对于非常光线，波矢量ke和光线矢量Se不是平行的，这意味着坡印亭矢量给出的能量流与恒定相的表面不在相同的方向。由于普通波矢量和光线矢量是相同的，所以等式1充分描述了普通的折射。
根据本公开的实施例的非常波矢量和光线矢量的行为如下计算。在单轴介质中非常光线和波矢量折射的示例中，波矢量以角度θ1入射在双折射介质的表面上。非常波矢量以角度θe折射，并且非常光线矢量与成角度α。光轴由表示，并且选择坐标系使得x轴是表面法线单色平面波落在双折射介质的平表面上。选择坐标系，使得x轴平行于表面法线并且yz平面与该表面重合。是折射的e波矢量，是折射的e 光线矢量，并且是光轴。相位匹配条件
其中r是表面上的任意点，意味着e波矢量在入射平面(xy平面) 内。因此，其中θe是e波的折射角。令 则由于光轴与e波矢量的夹角为θ，
将其代入等式3，我们得到等式6：
将该等式6插入等式2并简化，我们得到cotθe中的二次等式，等式 7：
求解该等式，我们得到等式8：
只有一种解在物理上是合理的，对应于当no和ne被代入等式2时，θe的两个极值之间的解。
可以证明和之间的角度由等式9给出：
α也可以通过和的标量积与它们相关联，
一般来说，不在入射平面中。然而，它与和是共面的，因此，
将等式5、9、10和11与下的归一化条件组合在一起，得出：
根据实施例，利用这些等式，可以在任何单轴介质中计算普通和非常光线和波的传播。
在一些实施例中，该计算的最终结果在计算光路长度时使用，是e光线矢量的有效折射率nS，其是
nS＝n cosα。(等式15)
图2示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的气体成像系统中包括的双折射偏振干涉仪(BPI)200。在一些实施例中，BPI 200包括起偏器 210(在图中也标记为“G”)、第一棱镜220、第二棱镜230、可选的半波片240以及可选的检偏器250(第二偏振器、在图中也标记为“A”)。在一些实施例中，第一棱镜220和第二棱镜230被半波片240分开。
如图2所示，非偏振光线260(例如，红外线)进入BPI 200(在图2 的示例中来自左侧)。在图2中，空间方位用坐标系x-y-z表示，其中x轴竖直，并且z轴在图的平面上水平，并且y指向平面外。在实施例中，起偏器210(其在该示例中在xy平面中以45度取向)生成偏振状态的偏振光束，该偏振状态是x和y偏振的相等部分的叠加。在实施例中，第一棱镜220将线偏振光束分成两个正交偏振光束，第一正交偏振光束261(在图2中以实线示出)和第二正交偏振光束262(在图2中以虚线示出)，其可分别对应于以上参考等式1-15讨论的单轴晶体的普通和非常光线。
半波片240将偏振状态旋转90度，使得两个正交偏振光线261、262 的偏振方向被切换。与第一棱镜相同但围绕z轴或x轴相对旋转180度的第二棱镜250将两个正交偏振光线聚焦，使得它们在平行于xy平面的条纹定位平面270中相交，该条纹定位平面270如图2通过第二棱镜230和检偏器250之间的竖直虚线标示，也称为干涉条纹定位平面270。在一些实施例中，非线性滤波或其它光学滤波可以在干涉条纹定位平面270执行，例如通过提供滤光器或其它光学元件。
由于光线途经不同的路径穿过棱镜，所以它们之间会有光程差Δ。Δ取决于入射光线的x位置和角度，并确定干涉条纹图案。在实施例中，检偏器250将两个正交偏振光线261、262检偏(analyze)为相干偏振状态，使得一旦通过会聚透镜或中继透镜系统(例如，以下图3A中的中继透镜系统320)聚焦则在检测器上形成干涉条纹)。
在图2所示的实施例中，棱镜例如可以是诺马斯基棱镜(NP)，其由两个单轴双折射晶体组成，在这里以楔角γ楔在一起，其将线偏振光束分成两个正交偏振光束，分别对应于如上所述的单轴晶体的普通光线和非常光线。第一楔形物的光轴在zx平面内以角度δ定向。如本文所述，普通光线总是具有垂直于光轴的偏振，所以其偏振是在y方向上。在光轴方向上总是具有偏振分量的非常光线在x方向上偏振。在该图中，两个偏振状态 x和y的路径分别由虚线(表示偏振光线262的线)和实线(表示偏振光线261的线)表示。
在第二晶体楔形物中，光轴平行于y轴。因此，由于光线的偏振未被折射改变，并且仍然在y方向上，即平行于第二楔形物的光轴，所以第一楔形物中的普通光线在第二楔形物中变为非常光线。类似的，第一楔形物中的非常光线在第二楔形物中变为普通光线。在第一诺马斯基棱镜之后，在xy平面45°取向的半波片(HWP)将偏振状态旋转90°，从而切换两个正交偏振光线的偏振方向。因此，在HWP之前x偏振的光线变成y偏振，反之亦然。与NP1相同但旋转180°的第二诺马斯基棱镜(NP2)将两束光线聚焦，使它们在平行于xy平面的平面中相交。
由于光线途经不同的路径穿过棱镜，所以它们之间存在光程差Δ。Δ取决于从光线撞击BPI的点到与yz平面共面的BPI对称平面的距离(其中楔形物具有相同的厚度)。因此，Δ取决于x位置，并且一般取决于入射光线的角度，并确定得到的干涉条纹图案。条纹位于光线相交的平面中，即条纹定位平面(FL)。与起偏器210(G)相同的检偏器250(A)将光线检偏(analyze)为相干偏振状态，使得在检测器上形成干涉条纹。
图3A示意性地示出根据本公开的一个或多个实施例的气体成像系统 (例如，热成像系统130)中包括的光学系统300。在实施例中，观察场景中的物体由较小的透镜(也称为小透镜)的阵列成像，该阵列在这之后称为小透镜阵列310，其生成多条光束以形成相同的(或基本上相同的，例如由于小透镜阵列310的透镜之间的可忽略的或可容忍的视差)物体子图像，也简称为子图像。子图像光束通过BPI 200传输，如上所述，BPI 200 生成作为入射光线的角度和x位置的函数的光程差。小透镜阵列310到BPI 200之间的距离和小透镜310的焦距被选择为使得小透镜310的焦平面与条纹定位平面270(图3A中未示出)重合。这使得子图像与干涉重合。 BPI 200围绕z轴340旋转角度ψ，这在Δ中引入y位置依赖性。这是因为BPI对称平面是旋转的的事实，所以对给定的x，到该平面的距离将取决于y
通过中继透镜系统320中继子图像，将条纹和子图像二者重新定位并聚焦到焦平面阵列(FPA)330上，焦平面阵列(FPA)330优选地具有也称为IR检测器的热辐射检测器的形式。通过将FPA 330放置在条纹和子图像的该重新定位的位置处，将聚焦的子图像阵列与干涉图案一起记录在检测器上。以这种方式进行中继可能有利于允许在选择条纹定位平面270的位置方面具有更大的自由度，并且从而在设计和优化BPI 200的元件(例如棱镜220和230)方面具有更大的自由度。此外，通过中继透镜系统320 的中继可以通过为封闭和冷却检测器阵列的容器(例如，杜瓦冷却器组件) 提供空间，来允许使用冷却的FPA检测器。在其它实施例中，如上所述， FPA 330(例如敏感的非冷却红外线FPA)可以直接放置在条纹定位平面 270处，而不是通过中继透镜系统320中继子图像。在这样的实施例中，检偏器250可以被重新定位成更靠近第二棱镜230以在检偏器250之后形成条纹定位平面270。
因此，根据一个或多个实施例的光学系统300包括：小透镜阵列310，其配置为基于接收到的从场景发射的热辐射来形成多个热辐射线束，每个线束代表接收到的从场景发射的热辐射(例如，每个束表示从相同或基本相同的场景发射的相同或基本相同的热辐射的子图像)；BPI 200配置成为多个线束中的每条光线(例如，为由小透镜阵列310形成的多个子图像中的每条光线)生成光程差(例如，通过将每条光线分成两条光线再组合，其中两者之间的光程差导致表现为相应强度水平的干涉)，其中通过BPI 200的所有光线的聚集体生成干涉条纹图案；并且FPA 330(红外IR检测器)配置为基于各自的热辐射线束捕获场景的热子图像阵列并且通过干涉条纹图案调制。因此，捕获的子图像阵列表示来自场景的热辐射的干涉图，其可以重建(例如，应用下文针对一些实施例讨论的傅立叶变换)为包含不同的光谱带中的场景热图像、并能够成像场景中的经选择的不同气体的高光谱图像。
图3A中所示的实施例形成结合到快照高光谱成像系统中的双折射偏振干涉仪。两个相同波数的单色光束的干涉由下式给出
其中I1和I2是光束的强度，φ1和φ2是光束的相位，I是总合成强度。光束的相位是其中L是光束的光程长度，即行进的距离乘以折射率。两束光程长度的差值为L2-L1＝Δ，这是光程差。将其代入等式16，并令其中I0是某个源强度，即可得出
对于发射波数的光谱的源，作为Δ的函数的强度可以表示为等式 18：
这可以重写为等式19：
通过傅立叶变换干涉图I(Δ)恢复源的光谱如等式20所示：
如上所述，旋转的BPI生成作为x、y和通常入射角θ1的函数的光程差Δ。与x和y相比，θ1的影响很小，通常可以忽略不计。当BPI以角度ψ≠0旋转时，光程差将是Δ＝Δ(x，y)，并且所有像素将采样不同的光程差。假定小透镜阵列中的小透镜的数量是N×M，则将在FPA330上生成N×M个子图像。结果是FPA上的N×M个聚焦的子图像，其由场景的光谱特性决定的干涉条纹图案调制。
图3B示出了在热辐射检测器的形式的焦平面阵列上生成的多个子图像360。在图3B中，全局坐标系xy与图3A中的相同，而xiyi系统对于子图像i是局部的，其中i∈{1，2，...，N×M}，并描述了子图像内的相对位置。在子图像内的相同相对位置处的每个像素接收不同的Δ，并因此检测到不同的强度。所有这些像素的强度构成物体上对应点的干涉图。在图3B中，条纹图案由明暗条纹描绘。
子图像中相同相对位置处的所有像素的强度形成物体上相应点的干涉图。在图3B中，例如，标记为黄色(也显示为阴影框)的像素的强度构成最右下像素的干涉图，因为图像被水平和垂直反射，物体上的点。通过使用等式20对干涉图进行傅立叶变换来重建点的光谱。通过对子图像中的所有像素重复该过程来构造完整的高光谱图像。
本公开的各种实施例提供了高光谱气体成像系统的不同配置和不同配置参数。例如，在根据一些实施例的示例配置中，BPI 200可以包括半波片。再次参考图2，配置参数可以包括以下中的至少一个：
-偏振器210、250，棱镜220、230和半波片240的几何参数，例如厚度、高度和位置；
-偏振器210、250，棱镜220、230，半波片240以及可能的周围介质的光学参数，例如折射率；
-棱镜220、230的光学参数，例如普通和非常光折射率；和/或
-光学参数，例如楔角γ281和光轴倾角δ282。
例如，可参照图4来说明用于各种实施例的这些配置参数中的至少一些配置参数的确定，图4示出了根据本文呈现的一个或多个实施例的气体成像系统的优化图400。在一些实施例中，优化图400用于确定例如在第一棱镜200中的第一楔形物的光轴的定向角δ282和楔角γ281。在图4的示例中，棱镜高度为h棱镜＝21mm，并且第二棱镜的背面与条纹定位平面270 之间的距离(棱镜-FL距离)是≥1mm，如图4的右上角所示。在一些实施例中，通过确定重建(根据奈奎斯特定理)红外辐射的期望最小波长λmin所需的临界采样光程差Δ奈奎斯特以及在棱镜对称轴上方的小透镜阵列310 的小透镜的数量来计算最大光程差Δmax 410。在一些实施例中，确定给出该Δmax的棱镜高度、γ、δ以及FL与第二棱镜的背面之间的距离的最佳参数组合，从而确定第一楔形物的光轴的定向角δ282和楔角γ281。
根据各种实施例，可以确定这些和其它配置参数，使得BPI 200适于在红外光谱中最佳地操作。进一步，根据各种实施例的这些参数的确定可优化用于气体成像应用的BPI200和光学系统300。
在一个方面，根据各种实施例，棱镜220和230(例如诺马斯基棱镜) 的材料被选择为满足在红外线中提供双折射和可接受的透射的要求的材料。应用于本文所述的一个或多个实施例中的这种材料的非限制性示例包括金红石(TiO2)和蓝宝石(Al2O3)。金红石在3.38微米处具有B＝+0.17 的双折射和0.4-5微米的透射范围。蓝宝石在3.33微米处具有相对低的 B＝-0.008的双折射和0.5-5.5微米的透射范围。这两个透射范围覆盖了中波红外区域，其中许多碳氢化合物有吸收，以及二氧化碳和一氧化二氮同样如此，使这两种材料适合这些气体的光学气体成像。例如，使用蓝宝石，可以制造薄的和更厚的晶体楔形物，并且还可以指定光轴定向达到度以下的精度。
另一方面，可以选择偏光器210和250以及半波片240的尺寸和材料，以提供用于红外气体成像的BPI 200的期望性质。在一个非限制性示例中，半波片240可以选择为0.6mm厚并且由镉硫代镓酸盐制成，并且偏振器为在2mm厚的硅基板上的线栅型。硫代镓酸盐和硅都在3-5微米范围内透光。
对于小透镜阵列310，小透镜阵列310中的小透镜的数量以及因此由小透镜阵列310透射的子图像的数量决定了高光谱图像的空间分辨率。例如，如果FPA 330上的像素的数量是n×m，其中n和m分别是每行和每列的像素的数量，则子图像以及因此重建的高光谱图像将具有n/N×m/M 像素的空间分辨率，其中N和M分别是每行和每列的小透镜的数量。因为重建光谱中的光谱样本点的数量与子图像的数量成比例，小透镜阵列 310中的小透镜的数量也确定光谱分辨率。
因此，光谱和空间分辨率之间有折衷；前者随着小透镜的数量而增加，而后者随着小透镜的数量而减小。根据各种实施例，小透镜阵列310中的小透镜的数量被选择为实现用于气体成像的光谱和空间分辨率之间的期望的平衡，例如如以下参照等式21-22所述的基于用于气体成像的期望样本点的数量。
另一方面，在各种实施例中选择每行的小透镜的数量(N)和每列的小透镜的数量(M)为尽可能多地利用FPA上的像素。在一些实施例中，这可以通过将子图像的数量及其长宽比与FPA 330的格式(例如，每行和每列的像素的数量，也称为像素尺寸)进行匹配来实现。因此，在一个示例中，选择N和M以使得n/N和m/M的余数为零。子图像的长宽比是n/N： m/M。在N＝M的实施例中，子图像将具有与FPA相同的长宽比，并且每行和每列的小透镜的数量将相等。在N≠M的实施例中，子图像的长宽比一般将不与FPA的长宽比相同，但是在一些实施例中选择为1:1(正方形格式)，这具有以下优点：来自每个小透镜的BPI 200上的入射角中的x-y 对称性。在这种情况下，对于每个子图像，入射角对光程差的影响的大小在两个方向上将是相同的。
在一些实施例中，FPA 330可以是高量子效率冷却型以使灵敏度最大化。在其它实施例中，FPA是非冷却型的，例如微测热辐射计检测器。为了获得高分辨率的高光谱图像，FPA优选具有大的格式。例如，冷却检测器的大格式是n×m＝1280×1024像素，间距为15微米。在示例中，选择小透镜的数量为N×M＝10×8，匹配5：4的FPA长宽比并生成正方形格式图像。在一些实施例中，空间分辨率可以选择为相对于光谱分辨率是次要的，例如通过选择10×8而不是5×4的小透镜。这可由烟流固有地相当“漫射”的事实所驱动，由此分辨它们所需的空间分辨率相对较低，并且需要高光谱分辨率来识别气体光谱。如在本示例中，在1280×1024的 FPA上创建10×8子图像的10×8的小透镜提供128×128像素的空间分辨率，相比之下5×4小透镜提供256×256的较高空间分辨率但是相应较低的光谱分辨率相比，。
至于确定所需光谱分辨率的采样点数量，采样频率需要至少是信号频率的两倍，以正确地重建检测到的辐射的光谱而不会生成混叠。对于宽带信号，最高频率分量决定奈奎斯特频率。换言之，可重建的最短波长λmin等于两个连续干涉图点之间光程差的差异的两倍。从而，
其中ΔNyquist是临界采样光程差。由于强度与Δ的符号无关(见等式18)，因此只有干涉图的一侧是唯一的，并有助于重建的光谱的分辨率。光谱分辨率，即波数中的最小可分辨差异是其中Δmax是干涉图中的最大光程差。这里，Δmax＝n+ΔS，其中n+是正的干涉图点的数量，或者相当于采样正的光程差的小透镜的数量，并且ΔS是选择的采样周期。
现在将根据一个或多个实施例示出确定用于获得期望的干涉图的ΔS、 n+和Δmax的示例。从上面的讨论可以看出，较小的意味着更好的分辨率，并且最小化相当于最大化Δmax。为了能够重建选择的λmin，采样周期受奈奎斯特准则约束，ΔS≤ΔNyquist＝λmin/2。相等ΔS＝ΔNyquist最大化Δmax。
当纯粹地收集单侧干涉图时，即当仅对正Δ进行采样时，正的干涉图点n+的数量(其确定小透镜阵列310中的小透镜的数量)被最大化。然而，纯粹的单侧干涉图对于称为相位误差的一类误差极其敏感。这些由零光程差点的错位引起的误差导致重建光谱中的误差。相比之下，包含相同数量的正负干涉图点的双侧干涉图在相位误差方面非常稳定，并且输出光谱基本上不受影响。因为纯粹的单侧干涉图对相位误差很敏感，所以根据一个或多个实施例，牺牲了最大可获得的光谱分辨率以获得相对于相位误差的增加的稳定性。就此而言，根据一些实施例，对几个负Δ点与大多数正Δ点的混合进行采样以增加稳定性(也称为执行相位校正)，反之亦然。在一个非限制性示例中，采样的干涉图点的大约25％是负的点以提供针对相位误差的足够的稳定性。在另一个非限制性示例中，样本点的大约25％是为了提供稳定性而添加的正干涉图点，而大约75％是负的点。
因此，在根据一个或多个实施例的一个具体示例中，用于气体成像的期望的光谱区域被选择为3-5微米(例如，以覆盖碳氢化合物、二氧化碳和一氧化二氮的吸收以及中波红外区域中的其它气体)，并且因此，λmin＝3 微米，并且ΔNyquist＝1.5微米。在该示例中，为了最大化Δmax，将ΔS设置成等于ΔNyquist，并且将正干涉图点数量设置为n+＝(1-0.25)NM＝0.75·80＝60，以使用25％的负干涉图点执行相位校正，其中每行的小透镜的数量是 N＝10，并且每列是M＝8。然后，在该示例中的最大光程差变成Δmax＝90 微米，这生成了的分辨率。重建光谱中的光谱点的总数量将为 Nλ,tot＝Δmax/λmin＝30。这些点将在和之间的波数空间中均匀分布开。因此，在λmin＝3微米和λmax＝5微米之间的波长区域中的光谱点的数量将是
现在将根据本公开的各种实施例更详细地讨论光学系统300的构型，包括棱镜高度h棱镜、棱镜楔角γ281、光轴倾角δ282和条纹定位平面270 的位置。通常，根据各种实施例，可以选择棱镜的高度h棱镜、楔角γ281 和光轴倾角δ282以在干涉图中实现期望的最大光程差Δmax。棱镜的高度 h棱镜、楔角γ281和光轴倾角δ282又决定了BPI 200与条纹定位平面270之间的距离(本文也称为BPI-FL距离)。
为了确定用于实现合适的最大光程差Δmax的楔角γ281和光轴倾角δ 282，已经结合本公开进行了实验。在这方面，根据本公开的实施例，图 5A和图5B示出了根据本公开的实施例的对于γ和δ的不同组合，作为在 BPI(在该示例中具有15mm的高度)上的正常入射光线的x位置的函数的光程差Δ的示例曲线图。特别地，图5A示出了当δ固定为70°时，对于五个不同的γ值的Δ的曲线图，并且图5B示出了当γ固定为110°时，对于五个不同的δ的Δ的曲线图。由于本公开的发明人已经通过实验进行了验证，并且如在图5A和图5B中所示，存在光程差随着γ和δ两者增大的总体趋势，并且在所有参数的组合上具有很强的线性。另外，γ比δ对Δ的影响更大。
由本公开的发明人进行的另外的实验还示出了BPI 200和条纹定位平面270之间的距离(BPI-FL距离)可以如何确定为γ、δ和棱镜高度的函数。例如，图6A和图6B分别示出了对于20mm的固定棱镜高度，作为γ和δ的函数的BPI-FL距离的示例曲线图；和对于固定的γ＝90.1°和δ＝35°，作为棱镜高度的函数的BPI-FL距离的示例曲线图。如图6A所示，并且根据本发明人进行的实验，对于该示例，当δ＝35°和γ↘90°(γ不能精确地为90°，因为这将意味着无限薄的棱镜)时出现最大距离。
BPI 200与条纹定位平面270之间的距离是相关的，因为如上所述， BPI设计的一个方面是FPA 330在条纹定位平面270处的放置。对于其中使用冷却检测器来实施FPA 330的实施例，通常约30mm长的封闭体积(例如，杜瓦冷却器组件)呈现在像素阵列之前，以冷却像素阵列。因此，对于这些实施例，BPI 200与条纹定位平面270之间的距离因此将需要至少30mm，以使条纹定位平面270与像素阵列重合。如图6B所示，提供该距离的相应的棱镜高度将至少约为150mm。其它期望的BPI-FL距离的棱镜高度可以根据实施例以类似的方式确定。
然而，取决于具体的实施方式示例，棱镜220和230的所得尺寸可能相对于FPA 330的尺寸而言太大(即，FPA 330太小而不能覆盖穿过棱镜 220和230的所有透射的辐射)。就此而言，如上所述，根据一些实施例的光学系统300在BPI 200和FPA 330之间包括中继透镜系统(例如，中继透镜系统320)，其将干涉条纹和子图像中继到FPA 330。随着中继透镜系统的引入，条纹定位平面270不再必须与FPA 330重合，这意味着平面270 的位置以及因此棱镜的高度、棱镜楔角γ281和光轴倾角δ282可以在这些实施例中更自由地选择。作为另一个益处，条纹定位平面270可以放置在任何体积的外部，例如棱镜220和230之外，以避免对体积内的任何杂质的成像。进一步，其可以有利地放置为远离任何光学表面，以减少来自多次反射的杂散光，并且避免对表面上的灰尘颗粒成像。
因此，如参照图5A-5B和图6A-6B所述的，根据各种实施例的BPI 200 配置有提供期望的光程差Δmax(例如，对应于用于气体成像的期望光谱带和光谱分辨率)的棱镜高度h棱镜、棱镜楔角γ281和光轴倾角δ282的组合，并将条纹定位平面270放置在离BPI 200期望的距离处。根据本公开的各种实施例，为了确定期望的棱镜高度、楔角γ281和光轴倾角δ，通过仿真来执行优化方法，其中针对γ和δ的所有组合，从棱镜高度h棱镜的初始值开始追踪光线通过BPI 200。
例如，进行模拟以确定期望最大光程差Δmax＝90的这些配置参数。对于BPI-FL距离大于预定阈值的每个模拟，计算最大光程差Δmax。如果γ和δ的组合不产生Δmax≥90微米，则增加棱镜高度并且重复模拟。如果最大Δmax＞＞90微米，则反而减小棱镜高度并重复模拟。最后，如果最大Δmax≈90微米，则选择给出最接近90微米的值的γ、δ、棱镜高度和条纹定位平面距离的组合。
再次参考图4，示例性优化曲线图400表示根据实施例的这种模拟的一个结果，其用于确定提供Δmax≈90微米并将条纹定位平面270放置在离 BPI 200至少1.0mm处的棱镜高度h棱镜、棱镜楔角γ281和光轴倾角δ282。在该示例中，棱镜高度h棱镜被确定为21.0mm，并且在优化曲线400中示出生成Δmax≈90微米和条纹定位化平面距离≥1.0mm的光轴倾角度δ282 和棱镜楔角γ281的范围，例如举例γ＝103.8°和δ＝48.3°生成Δmax＝89.98微米以及条纹定位平面距离为1.0mm。
根据一些实施例，棱镜楔形物(例如，棱镜220和230)可以被切割，使得它们被截短而不影响BPI 200相对于最大光程差Δmax或BPI-FL距离的特性和操作。如上所述，在一些实施例中，棱镜生成双侧干涉图，其中负(或正)干涉图点未被采样或者仅少数被采样用于相位校正，并且因此对应于该未使用干涉图点的棱镜部分可以被去除。
例如，正和负光程差Δ都显示在上面的图5A和5B中，其可以由具有相同厚度的两个楔形物的诺马斯基棱镜或者根据一些实施例的具有相似特性的其它棱镜来生成。这里，对于x＝0mm(其对应于诺马斯基棱镜的对称轴)，光程差Δ为零，而光程差Δ在轴上方为正，并且在轴下方为负。对于大约只有25％的干涉图样本点为负(例如，用于相位校正)的特定示例，大约只有25％的棱镜高度(对应于为负值的25％样本点)需要在该对称轴下面，并且其余的可以在其上面。为了实现这一点，可以切割棱镜楔形物使得它们被截断，这有利地节省了本来未被利用的材料，并且允许热成像系统130的BPI 200和光学系统300的更紧凑的设计。
根据本公开的实施例，图7中示出了这样的截断的棱镜720和730以及因此截断的BPI 700的示例。与图2的BPI 200相比，棱镜720和730 被截断，使得棱镜高度的大约25％(例如，20mm中的5mm)在对称轴下面，而棱镜高度的大约75％(例如20mm中的15mm)在上面。如本领域技术人员将从本公开中理解的，BPI 200的棱镜220和230可以被截断，以使棱镜高度的一比例部分在对称轴下面(或者如果要使用正的干涉图点而不是负的干涉图点来进行相位校正，则在对称轴上面)，其对应于取样的干涉图点的其它期望的比例部分(例如，在10％-30％或0％至50％的范围内，例如10％、30％、50％或者没有相位校正的0％)，该其它期望的比例部分用于相位校正，就如在根据各种实施例的其它实施方式中示例的那样。
图8和图9示意性地示出了根据本公开的实施例的气体成像系统800 (例如热成像系统130)。在一个或多个实施例中，气体成像系统800(或热成像系统130)包括以上针对各种实施例讨论的BPI 200或700、小透镜阵列310、中继透镜系统320和FPA 330，并且可以进一步包括设计有用于控制视场的一个或多个物镜820以及用于减少由杂散热和/或光引起的噪音的一个或多个热和杂散光挡板830的无焦望远镜810。图9还示出了来自观察场景中的物体(从图9中的左侧)并且穿过光学组件(例如，无焦望远镜510、小透镜阵列310、BPI200或700和中继透镜系统320)到达 FPA 330的热辐射的射线追迹。
在一些实施例中，气体成像系统800的全部或一些组件可以是银或AR 涂层以使SNR最大化并使偏振变化最小化。在一些实施例中，一个或多个支撑表面可涂覆有高发射率涂层以减少反射和杂散光。在一些实施例中， FPA 330可以设置在冷却的杜瓦瓶中，并且杜瓦瓶的冷罩的接收角可以与来自光学组件的热辐射的出射角匹配。
作为根据实施例的具体示例，无焦望远镜810包括两个物镜820和两个挡板830。在该示例中，两个物镜820都可以具有1的焦比，并且在无穷远处聚焦时可以隔开两个焦距放置，以便它们在它们之间共享共同的焦点。另外，两个挡板830配置为替代在两个物镜820之间具有单个视场光阑的常规视场光阑。这是为了减少来自挡板530本身和气体成像系统800的其它部分的杂散光。
更具体地，挡板830可远离焦点放置，由此减少来自挡板830、封闭气体成像系统800的壳体的内壁以及气体成像系统800中的其它部件的杂散光。注意，气体成像系统800中除了冷却的检测器以外的所有部件都可以假设为处于室温并且因此发射对应于室温的红外辐射。例如，挡板830 本身可以近似为黑体，并且因此根据普朗克定律辐射。就此而言，在室温下，总能量的不可忽略的一部分由气体成像系统800的组件在与检测器的光谱响应一致的波长上在内部发射。如上所述，挡板830可以减少这种内部发射的红外辐射对FPA 330的影响。
进一步，无焦望远镜810的物镜820和挡板830配置为限制视场以获得精确的光程差Δ。在这方面，结合本公开进行了实验和模拟以确定光程差对系统的入射角的依赖性。例如，在整个系统中追迹光线，并在这些实验和模拟中计算光程差。首先，要求光线正常地入射在离BPI 200或700 最远的第一物镜820上，这意味着它们也正常地入射在小透镜阵列310上。另外，要求所有的光线都经过相同的小透镜。对于每条光线，计算BPI 200 或700上的入射角和光程差Δ。
理想情况(也是在一个或多个实施例中BPI设计所用的情况)，是当所有光线正常入射在其上时。因此，感兴趣的数据是与具有非零入射角的光线的这种情况的偏离。Δ的差值可以表示为BPI 200或700上的入射角的函数。与采样周期ΔS＝1.5微米相比，差值相对较小，并且总是小于其 15％。对在5°入射到第一物镜820上的光线重复相同的计算。第一物镜 820上的非零入射角使在BPI 200或700上的入射角大于第一种情况。因此，偏差较大。在这种情况下，差异可能大到采样周期ΔS的30％。因此，根据一些实施例，无焦望远镜810的物镜820和挡板830配置为限制视场，例如限制在5°、10°或其它适当的角度内。
如上面针对各种实施例所述的，小透镜阵列310包括小透镜的阵列，每个小透镜形成在小透镜阵列310处接收的红外辐射(例如，从包含气体的场景接收的红外辐射)的基本上相同的子图像。如上针对各种实施例讨论的，选择小透镜阵列310中的小透镜的数量以响应于由FPA 330提供的像素数量(例如空间分辨率)和感兴趣的气体吸收/发射光谱来实现期望的光谱和空间分辨率。在小透镜阵列310中提供10×8的小透镜以形成10 ×8子图像的一个具体示例中，每个小透镜的直径可以等于棱镜高度除以 10。
根据各种实施例，中继透镜系统320包括一个或多个中继透镜840。在图8所示的示例中，中继透镜系统320包括两个中继透镜840，它们一起将由小透镜阵列310和BPI 200生成的子图像和干涉条纹分别中继至 FPA 330。在一些实施例中，FPA 330可以是冷却检测器，并且冷屏蔽孔850 可以以固定的距离安装在FPA 330上，以使检测器与系统的其余部分绝缘。
在一些实施例中，可以调整小透镜阵列310中的小透镜的焦距以及小透镜阵列310和BPI 200之间的距离，使得由小透镜形成的图像精确地聚焦在条纹定位平面270处。以此方式，中间图像平面可以与条纹定位平面重合。进一步，可以调整更靠近BPI 200的第一中继透镜840的焦距和位置，使得其焦平面也与条纹定位平面270重合，由此中继子图像和干涉条纹两者。可以调节更靠近FPA 330的第二中继透镜840的位置和焦距，使得所有光线都透过冷屏蔽孔850。FPA 330位于最终图像平面处。可以进一步调整中继透镜840和小透镜的焦距，使得子图像填充整个FPA 330而不重叠，从而使利用的像素的数量最大化。因此，在一个具体示例中，小透镜被设定为f/7.34的焦距，第一中继透镜840设定为f/1的焦距以及第二中继透镜840设定为f/2.3的焦距。这个示例中的气体成像系统800的总长度大约是200mm。
本公开的发明人已经通过执行与本公开相关联的实验、建模和模拟验证了根据上面讨论的各种实施例的气体成像系统800的操作和特性(例如，快照高光谱相机系统的总体操作和特性)。例如，那些实验、建模和模拟提供了概念验证，其展示了BPI 200如何可以与辅助光学器件组合以创建快照高光谱成像系统，例如根据本公开的实施例的气体成像系统800。
更具体地，根据各种实施例的气体成像系统800被3D建模以使用所有入射光线来模拟干涉图和光谱。通过假设由入射波矢量和表面法线定义的入射平面与xy平面重合、平行于x轴并且yz平面与棱镜的表面重合，来执行光线追迹计算。在棱镜的倾斜楔形交叉点处，可以从入射角和折射角加入或减去楔角，以校正法线与z轴的不平行。在这方面，计算是在新的坐标系x′y′z′中进行的，其围绕y轴旋转以使z′轴与表面法线对齐。计算之后，系统被旋转回来，并且原来的xyz系统中的角度可以用于后续的计算。使用相同的方法来计算在3D模型中以非零y分量入射的光线。在这里，坐标系被旋转以使z′x′平面与入射平面对齐，其中z′轴平行于表面法线。
然后，每条光线的光程长度是：
其中，从第一棱镜的表面开始，(xi,yi,zi)是与界面i的交点，ni是界面i与i+1之间的区域中的光线的折射率，并且(xFL,yFL,zFL)是与条纹定为平面270的交点。
如以上针对各种实施例所述的，BPI 200、700围绕z轴旋转角度ψ以使光程差取决于x和y两者。为了使每个采样点之间的采样周期不变，Δ需要在每个后续子图像之间线性变化，
因为Δ在x中是线性的，根据各种实施例。这当ψ＝-arctan(1/M)时实现，其中负号使Δ随y而减小而不是增加。例如，根据各种实施例，对于M＝8的如上所示的一些示例，该角度被确定为ψ＝-7.125°。
继续该示例，其中小透镜阵列310中的小透镜的数量为10×8并且棱镜高度被确定为21mm，在矩形网格中存在具有2.1mm的间隔的10×8等距光线，其对应于小透镜的直径。模拟了光线正常入射在小透镜阵列310 上并穿过每个小透镜的中心的情况。该模拟生成的干涉图是理想化的，因所有光线正常入射在BPI 200、700上。从该实验和模拟获得的80个光程差具有最小值Δmin＝-32.5微米，最大值Δmax＝90.0微米，和标准偏差为 2.71·10-10微米的平均采样周期ΔS＝1.55微米。
使用这样的一组80个光程差，模拟不同的源以生成不同的干涉图，例如根据上面的等式18并且将设置为某个源光谱函数。在一个示例中，源是黑体，并且因此在该示例中是普朗克定律，
其中h是普朗克常数，c是光速，kB是玻尔兹曼常数，并且T是温度，在这种情况下设定T＝300K。在计算干涉图之前，源光谱被归一化。
光谱使用Cooley-Tukey快速傅立叶变换算法重建。该算法要求样本点的数量是二的幂。因此，执行干涉图的标准零填充程序以将点的数量从80 增加到最接近的二的幂，27＝128。频谱中的点数量的这种增加给出了明显更小的即明显更高的分辨率。然而，添加的零不会添加任何新的信息，因为零填充具有内插光谱的效果。因此，有效分辨率是基于零填充之前的样本点的数量。在计算中，重建的光谱覆盖在原始黑体源光谱上至3-5 微米。基于这种覆盖和比较，发明人已经证实重建非常准确并且与原始光谱难以区分。
考虑到重建黑体光谱的准确性，本公开的一些实施例可以通过与黑体光谱进行比较以在执行光学气体成像时自动设置源的发射率。在没有气体吸收的情况下，在已知温度下测得与预期黑体光谱的偏差可能归因于物体的发射率，并且因此被用于为气体成像设定背景场景或物体的发射率。
在根据实施例的另一光谱重建示例中，源是两条紧密间隔的单色线。线的间距等于理论分辨率其在3.3微米处对应于0.13微米。重建的峰值部分重叠，但是两条线可以仍然被分辨，从而确认根据本公开的实施例的重建足够准确。
在各种实施例中，气体成像系统800(例如，快照高光谱相机)可以配置为检测和/或识别具有期望的光谱带中的吸收或发射的气体。如上所述，FPA 330可以配置为具有覆盖至少期望的光谱带的光谱响应范围，包括棱镜高度h棱镜、棱镜楔角γ281、光轴倾角度δ282的光学系统300的配置可选择为提供对应的最大光程差Δmax，因此与期望的光谱带对应的λmin，并且小透镜阵列310可以包括的小透镜的数量为FPA 330和期望的光谱带提供合适的光谱分辨率和空间分辨率。进一步，根据一个或多个实施例的气体成像系统800可以包括逻辑设备880，例如处理器(例如，通用处理器、数字信号处理器或微控制器)、可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列)或专用集成电路，其可通信地耦接到FPA 330，并配置为从在FPA330处捕获的干涉条纹图案(例如，干涉图)和子图像重建高光谱图像。在一些实施例中，逻辑设备880可以设置在与气体成像系统810 的光学系统(例如，FPA 330、BPI 200或700、小透镜阵列310、中继透镜系统320和/或无焦望远镜810)分离的外部设备中，并且可以配置为经由有线或无线网络或连接与FPA 330通信，或者以其它方式接收捕获的热图像(例如，经由可移动存储器)。
就这一点而言，逻辑设备880可以配置为基于由FPA 330捕获的子图像阵列构建(例如，重建、确定或生成)一组覆盖期望的光谱带的高光谱图像(例如，场景在多个不同光谱，波长或频率中的一组热图像)，并且它们一起表示来自场景的热辐射的干涉图。在一些实施例中，逻辑设备880 可以配置为通过在由FPA 330捕获的子图像中相同相对位置处的像素组上应用傅立叶变换并对子图像中的所有像素重复傅里叶变换来重构高光谱图像，如参考等式16-20、图3B以及本文其它地方所述的。因此，在一个示例中，逻辑设备880可以配置为对由FPA 330捕获的子图像中的相同相对位置分组的所有像素执行Cooley-Tukey快速傅里叶变换，用适当的零填充以将样本点增加到最接近的二的幂。
在一些实施例中，逻辑设备880可以进一步配置为从一组构建的高光谱图像中检测和/或识别一种或多种感兴趣的气体，和/或配置为基于一组构建的高光谱图像呈现用户可视的图像，使用户能够检测和/或识别一种或多种感兴趣的气体的存在。例如，逻辑设备880可以配置为比较一组构建的高光谱图像中的强度变化(例如，由于目标光谱带内的一种或多种气体的吸收或发射)与吸收/发射简档或数据库(例如，存储在气体成像系统800的存储器中)以检测和/或识别某些气体。另外地或可选地，逻辑设备800可以配置为呈现视觉表示，例如一组构建的高光谱图像的组合图像(例如，融合的，叠加的或平铺的图像)，用户可以观看该组合图像以例如实时识别或检测感兴趣的一种或多种气体。在一些实施例中，逻辑设备800可以配置为在这样的视觉表示中通过颜色或阴影形式的区分性高亮显示识别的气体的存在、类型、位置和/或形状。
在一些实施例中，逻辑设备880可以包括处理器，其配置为执行存储在非暂时性机器可读介质上的机器可读指令(例如，代码部分)以接收来自FPA 330的捕获的子图像，重建高光谱图像和/或从高光谱图像识别感兴趣的气体。
在一个实施例中，气体成像系统800配置为检测和/或识别具有3-5 微米带中的吸收/发射光谱的气体。已经测试过根据一个或多个实施例的该示例检测和识别在该光谱带中的气体的能力，该气体包括甲烷(CH4)、乙烷(C2H4)丁烷(C4H10)、二氧化碳(CO2)和一氧化二氮(N2O)。图 10示出了根据本公开的实施例的这些气体的重建光谱。应当理解，尽管图10为了便于理解和更加清楚而示出了单点而不是2D图像的气体光谱，但是本公开的实施例可以如本文所述的重建2D高光谱图像。
在图10中，表示由于红外辐射吸收在从3至5微米的波长上的强度变化的甲烷重建光谱1010看起来仅产生小的凹凸，因为甲烷的吸收/发射光谱在3-5微米范围内存在大量紧密间隔的尖锐峰地迅速变化。然而，在提供较高光谱分辨率的其它实施例中，凹凸可以更清楚地区分并更紧密地跟随甲烷吸收/发射光谱。乙烯比甲烷稍重一点，并且因此其光谱没有那么迅速地变化。然而，峰值仍然非常尖锐和紧密间隔。因此，在本实例中，在乙烷的重建光谱1020中，与乙烯的吸收/发射波长相对应的凹凸没有非常明显，但是具有较高光谱分辨率的实施例可生成更显着的结果。丁烷的重建光谱1030更准确。丁烷的吸收/发射光谱不像轻烃的光谱那样迅速变化，因此重建光谱更准确。这同样适用于二氧化碳的重建光谱 1040和一氧化二氮的重建光谱1050，两者都是准确的。
在图10中，丁烷、二氧化碳和一氧化二氮彼此是明显不同的，并且也可以区别于两种轻烃、甲烷和乙烯。因此，气体成像系统800的该示例性实施例在实际应用中不仅可以检测，而且可以识别(例如，区分)丁烷、二氧化碳和一氧化二氮。可以检测两种轻烃，甲烷和乙烯，但是可能需要根据一些实施例的配置为提供较高的光谱分辨率的气体成像系统800来识别它们。
就这一点而言，根据一些实施例，增加小透镜阵列310中小透镜的数量(其确定子图像的数量和相应样本点的数量)，以提供如上文所述的更高的光谱分辨率。然而，也如所述的，如果FPA 330的分辨率不相应增加，则这降低了空间分辨率。在一些实施例中，增加小透镜的数量和FPA 330 的分辨率中的任一者或两者以提供能够识别轻烃(例如甲烷和乙烯)的较高光谱分辨率。
也如上所述，在一些实施例中可以通过使得干涉图更加单侧(例如使用更少数量的负样本点(例如，小于总样本点的25％，例如在5-20％的范围内))，或者不使用负的样本点(例如，总样本点的0％)来实现光谱分辨率中的少量的增加，以进行相位校正。
在一些实施例中，增加光谱分辨率的另一种方式是采用空间外差。在这些实施例中，气体成像系统进一步包括四分之一波片和偏振光栅(图中未示出)。这些组件在光程差中引入波数依赖性，在干涉图中给出补偿，
其中是由偏振光栅的特性决定的补偿。如已经提到的，在其它实施例中，干涉图采样点可以均匀地展开到在和之间的波数空间中，并且在0cm-1到λmin之间的样本可能被浪费。然而，通过在这些实施例中提供补偿可以改变最小波数以使感兴趣的区域外的样本数量最小化。在一个示例中，通过选择所有样本将在感兴趣的区域内。例如，在参考等式22所示的示例中，代替大约12个样本位于3-5微米之间，所有Nλ,tot＝30个样本将在该频带内。
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现由本公开提供的一个或多个实施例。同样在适用的情况下，本文阐述的各种硬件组件和/或软件组件可以被组合成包括软件、硬件和/或两者的复合组件。在适用的情况下，本文阐述的各种硬件组件和/或软件组件可以分成包括软件、硬件或两者的子组件。另外，在适用的情况下，可以预期的是，软件组件可以被实现为硬件组件，反之亦然。在适用的情况下，可以改变本文描述的各种步骤的顺序，组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
前面的公开内容并不旨在将保护范围限制到所公开的确切形式或特定使用领域。可以设想，各种替代实施例和/或修改，无论是本文明确描述或暗示的，鉴于本公开内容都是可能的。因此，范围仅由权利要求限定。
Claims (14)
1.一种气体成像系统，其特征在于，所述气体成像系统包括：
小透镜阵列，其配置为接收来自场景的热辐射并且传输来自所述场景的所述热辐射的基本相同的多个子图像；
双折射偏振干涉仪，其配置为接收所述多个子图像，并且基于进入所述双折射偏振干涉仪的每条光线的相应位置，为所述多个子图像中的每条光线生成光程差，所述光程差组合以形成干涉条纹图案；和
红外焦平面阵列，其配置为接收由于通过所述双折射偏振干涉仪的所述光程差而由所述干涉条纹图案调制的所述多个子图像，以提供热图像。
2.根据权利要求1所述的气体成像系统，其特征在于，由所述干涉条纹图案调制的所述多个子图像的所述热图像表示来自所述场景的所述热辐射的多个干涉图样本点，所述多个干涉图样本点的数量由所述多个子图像的数量决定。
3.根据权利要求1所述的气体成像系统，其特征在于进一步包括逻辑设备，其配置为基于由所述干涉条纹图案调制的所述多个子图像的所述热图像来确定多个高光谱图像，每个高光谱图像表示来自所述场景的在不同的波段中的热辐射。
4.根据权利要求3所述的气体成像系统，其特征在于，所述逻辑设备配置为至少通过对来自所述热图像的像素组分别应用傅立叶变换来确定所述多个高光谱图像，每个像素组包括在各个子图像中的相同相对位置处的像素。
5.根据权利要求3所述的气体成像系统，其特征在于，所述逻辑设备进一步配置为通过分析所述高光谱图像以与感兴趣的一种或多种气体的红外吸收/发射光谱进行比较来检测和/或识别所述一种或多种气体的存在。
6.根据权利要求3所述的气体成像系统，其特征在于，所述逻辑设备进一步配置为产生所述高光谱图像的视觉表示以供用户观看。
7.根据权利要求1所述的气体成像系统，其特征在于：
所述小透镜阵列和所述双折射偏振干涉仪被定位成使得包括在所述小透镜阵列中的小透镜的焦平面与所述干涉条纹图案的定位平面重合；和
所述红外焦平面阵列位于重合的所述焦平面和所述干涉条纹图的所述定位平面中。
8.根据权利要求7所述的气体成像系统，其特征在于进一步包括设置在所述双折射偏振干涉仪和所述红外焦平面阵列之间的中继透镜系统，并且所述中继透镜系统配置为重新定位重合的所述焦平面和所述干涉条纹图案的所述定位平面。
9.根据权利要求1所述的气体成像系统，其特征在于，所述双折射偏振干涉仪包括相对于彼此旋转180度的两个棱镜。
10.根据权利要求9所述的气体成像系统，其特征在于，所述两个棱镜是诺马斯基棱镜，每个棱镜包括以楔角楔入在一起的两个单轴双折射晶体。
11.根据权利要求9所述的气体成像系统，其特征在于，所述双折射偏振干涉仪包括在所述两个棱镜之前的起偏器、在所述两个棱镜之后的检偏器以及在所述两个棱镜之间的半波片。
12.根据权利要求9所述的气体成像系统，其特征在于，所述两个棱镜被截短，以使得所述两个棱镜中的仅一比例部分留在所述两个棱镜的对称轴的下方或上方，所述比例部分基于用于相位校正的干涉图样本点的比例部分来确定。
13.根据权利要求9所述的气体成像系统，其特征在于，所述两个棱镜被截半，使得由所述干涉条纹图案调制的所述子图像的所述热图像对应于来自所述场景的所述热辐射的单侧干涉图样本点。
14.根据权利要求9所述的气体成像系统，其特征在于，所述两个棱镜配置有楔角和光轴倾角，所述楔角和光轴倾角提供所述光程差的最大值，所述最大值允许重建要由所述气体成像系统成像的最小波长。
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