CN209043460U - 一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超速检测高光谱成像技术，针对高速转镜透射式干涉光谱仪光程差非线性等问题，提供一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，包括准直镜、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一中空回归反射器、第二中空回归反射器、探测器和双反射转镜；入射光入射到分束镜上被分成反射光和透射光；反射光经第一反射镜、双反射转镜反射后进入第一中空回归反射器，然后反射光呈180°折返至双反射转镜，再经过双反射转镜、第一反射镜反射至分束镜上；透射光经第二反射镜、双反射转镜反射后进入第二中空回归反射器，然后反射光呈180°折返至双反射转镜，再经过双反射转镜、第二反射镜反射至分束镜上；反射光与透射光产生的干涉光被探测器接收。

Description

一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置

技术领域

本实用新型涉及超速检测高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置。

背景技术

成像光谱技术是20世纪80代发展起来的新一代光学探测技术，它以物体的光谱分析理论为核心，融合了光学系统设计、物体成像技术、光电探测器、信号处理与信息挖掘及光谱信息传输理论等技术。成像光谱技术融合了光谱技术和成像技术的优点，可以用来分析目标物体图像和光谱信息，这些图像信息和光谱信息就组成了目标物体的三维数据立方体。在三维数据立方体中，可以通过成像光谱技术提取目标物体的图像轮廓信息，也可以对目标物体进行精细的光谱分析；广泛应用在目标探测、航空航天遥感、农业应用、矿产资源探测、海洋遥感、地质勘测、减灾预报、生物医学诊断等许多方面。

成像光谱仪有多种分类方法，主要是根据系统的结构或者获取光谱的方式不同来进行分类。按照获取光谱方式，成像光谱仪主要可分为色散型、滤光片型和傅里叶变换型三大类。

在色散型成像光谱仪中，光通量和光谱分辨率之间的矛盾关系导致了色散型成像光谱仪在探测可见和红外弱辐射方面存在比较大的困难。

滤光片式成像光谱仪具有设计简单、实现相对容易的特点，但是其一帧图像的每一行分别对应着不同的地面目标和光谱，因此，给图像的配准和后期的图像处理带来许多困难。

鉴于色散型和滤光片型成像光谱仪的缺点，自上世纪八十年代后期开始，国外一些著名的科研机构开始了傅里叶变换成像光谱仪的研究。现在已经被广泛应用于化学分析、生物研究、矿产调查、航天航空遥感等领域。与它类型光谱仪相比较，具有光通量高、多通道同时探测、高分辨率、高信噪比，光谱范围宽，扫描速度快等诸多优点。

最早实现傅里叶变换光谱技术的是迈克尔逊干涉仪，尽管这款经典的干涉仪经过后人的不断改进出现了很多变体，但是由于一般的动镜扫描型干涉光谱仪都需要一套精度要求很高的直线型动镜系统，导致稳定性差、工艺复杂，给研制带来了许多困难，均不能有效解决平动镜造成的倾斜和剪切问题。

动镜扫描型迈克尔逊干涉光谱仪一般具有如下三个缺点：

(1)需辅助光路，结构复杂

在传统迈克尔逊干涉的直线型动镜干涉仪中，动镜在运动过程中如果发生倾斜，将严重影响干涉效率，甚至不能产生干涉；它对方向性要求也极其严格，根据大量的理论计算和工程实践，认为若要达到满意的仪器性能，动镜在运动过程中倾斜角度应为几个角秒，瞬时速度均匀性达到±1％以内，这两个指标是仪器研制成功的关键。由于动镜的运动过程极难控制，故在直线型动镜干涉仪中需设置辅助光路，即利用激光对动镜运动中的方向准确性、速度均匀性、位移量进行精确监控与修正。

另外，直线型动镜干涉仪对动镜驱动系统的精度要求很高，动镜在做往复的直线运动时，需保持匀速运动，需要高精度的伺服系统。这些技术保证措施使得整个干涉系统变得结构复杂。

(2)稳定性差，环境适应能力和抗干扰能力低

在直线型动镜干涉仪中，需要动镜匀速平稳运动且对倾斜晃动要求较高，所以要求有一套高精度的动镜驱动系统。但是在实际的工程研制过程中，实现超高精度的动镜直线驱动系统仍然是一个难题，也是限制直线型动镜干涉仪得到广泛应用的关键。为此，世界各国相继发展了各种方案以解决高精密动镜驱动系统的难题，如采用面弹簧支撑、磁悬浮支撑、基于片簧振动驱动等方案，但也一直未能很好的解决动镜高精密直线驱动问题。

另外，动镜直线型往复运动对运动轨道的加工工艺依赖性较强，抖动对测量效果影响极为显著，致使系统稳定性差，降低了此类光谱仪适应恶劣环境的能力和抗干扰能力，不能在野外复杂环境、航空和航天遥感等特殊环境下工作。

(3)时间利用率低，探测速度慢

由于直线型动镜干涉仪的动镜需要进行加速减速、方向变化等运动过程，因此不可避免存在伪扫，一部分时间须用于动镜的运动控制和调整中，时间利用率仅为50％左右，即在整个采样周期内仅有一半的时间用于数据采集。

另外，直线型动镜干涉仪采集一幅干涉谱需要动镜往复运动一个周期，由于中间伴随着加速减速、方向变化等过程，所以不能用于对光谱的快速测量，实时性能差，使其应用领域受到限制，在时间分辨光谱探测和快速现象监测等领域不能发挥其应有的强大技术优势。

Wadsworth于1997年提出了高速透镜转镜式干涉光谱技术方案，继承Fourier光谱变换干涉仪风格。基于转镜的高分辨率干涉光谱仪，它是基于动镜的傅里叶变换光谱仪，属于时间调制型的光谱仪，其工作原理主要是依靠转镜的旋转使两束光产生变化的光程差，得到随时间变化的干涉图，最终得到目标的高分辨率的光谱信息。这类高稳定度、高灵敏度的干涉成像光谱技术，将成为高分辨率超光谱航天遥感领域的一个新的发展方向。

为了实现在获得较高的光谱分辨率的条件下同时保证光学系统对环境的适应性的目的，主要有两条基本思路：一是在迈克尔逊干涉系统的基础之上设计提高系统稳定性的结构；二是通过硬件改良、软件分析等方法提高静态干涉系统的光谱分辨率。

转镜式高分辨率干涉仪的一个主要特点是可以高速测量，形象地记录目标的完整发展变化过程，用于观测快速变化的目标二维空间图像随时间的变化规律，主要应用于爆炸、激波、等离子体等超高速运动物体领域研究。

到目前为止，被认为可实现超高速数码记录的最现实选择是转镜和CCD摄影系统组合。然而，该方案依然存在不足之处。

在转镜透射式高速超光谱干涉仪中，最为核心的问题就是系统光程差产生的非线性问题。光程差的非线性带来了干涉图周期的变化和相位误差，也给复原光谱带来了噪音和波数漂移。

根据折射定律，光程差随折射体的转角变化而不断变化，其中存在着一定的固有非线性，这会极大地影响光谱仪的分辨率；同时，由于高速转镜透射式干涉光谱仪依靠透射材料及其转动角度产生光程差，不同波长光对材料折射率的不同也带来光程差的非线性；而且转镜的有效转角范围有限，对透射材料的选择也提出了很高的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有迈克尔逊干涉仪存在的稳定性差、测量速度慢等问题，以及高速转镜透射式干涉光谱仪光程差非线性、对转镜材料要求高、光能量损耗大等问题，而提供一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特殊之处在于，包括准直镜、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一中空回归反射器、第二中空回归反射器、探测器和可高速旋转的双反射转镜；双反射转镜的旋转轴线平行于第一反射镜和第二反射镜的镜面；经准直镜准直的入射光入射到分束镜上，被分束镜分成反射光和透射光；反射光依次经第一反射镜、双反射转镜反射后进入第一中空回归反射器，然后反射光与其进入第一中空回归反射器的入射方向呈180°折返至双反射转镜，再依次经过双反射转镜、第一反射镜反射至分束镜上；透射光依次经第二反射镜、双反射转镜反射后进入第二中空回归反射器，然后反射光与其进入第二中空回归反射器的入射方向呈180°折返至双反射转镜，再依次经过双反射转镜、第二反射镜反射至分束镜上；返回到分束镜上的反射光与透射光发生干涉形成干涉光；双反射转镜高速转动使反射光和透射光产生变化的光程差；探测器位于干涉光的光路上，用于接收不同光程差的反射光和透射光产生的干涉光。探测器通过接收到的不同光程差的干涉光，得到干涉光随时间变化的干涉谱；采用计算机对干涉谱的数据进行反演(滤波和傅里叶变换)后，最终得到目标的高分辨率光谱图像。

进一步地，上述双反射转镜的两个反射面均镀有高反射膜。

进一步地，上述分束镜的表面镀有半透半反射膜，上述入射光的入射方向所在直线与分束镜的镜面所在平面之间所成的锐角为45°，保证了透射光的强度与反射光的强度相同，使得能够获得最佳的干涉效果。

进一步地，上述双反射转镜由电机驱动。

进一步地，上述电机可采用直流伺服电机，优选以钕铁硼为磁芯的高速永磁直流电机。与普通的直流伺服电机相比，以钕铁硼为磁芯的高速永磁直流电机具有体积小、功率大、效率高、转速高、无失速危险等特点。

本实用新型的工作原理：

本实用新型利用倾斜双面镀高反射膜的双反射转镜产生光程差，使同一目标发出的光线产生相干干涉的原理，建立高分辨反射式双反射转镜干涉光谱探测系统。

入射光经前置光学系统进入到干涉分光系统，分束器将入射光分为两束光，两束光发生干涉形成干涉光；电机带动双反射镜产生高速旋转产生不同光程差的干涉光，干涉光经探测器接收得到随时间变化的干涉谱，经数据反演后最终得到目标的高分辨率光谱图像。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、与高速转镜透射式干涉光谱仪相比，本实用新型采用双面镀有高反射膜的高速双反射转镜，光束不需要透射穿过镜体，进而避免了传统透镜式转镜干涉光谱仪在高速转动过程中引起的光程差非线性，也从根本上克服了传统透射式转镜对转镜材料要求高、光能量损耗大的缺陷。

2、与传统直线移动的迈克尔逊干涉仪相比，本实用新型采用双反射转镜极大地简化了伺服系统，转镜的转速和旋转角度极易控制，无需辅助光路，从而简化了系统结构；同时，由于旋转动镜的转速极易提高，可较大幅度地提高系统的实时性能，而且有助于提高光程差，从而有效地提高系统的分辨率。

3、本实用新型采用对称型紧凑光路设计，巧妙采用了倾斜反射镜和中空回射器组合，保证了被剪切的两束光无论以任何角度入射后均能严格沿原方向反射回光的接收系统完成干涉。即使环境发生震动，使得入射光发生了一些偏移，中空回射镜仍然可以保证入射光线与反射光线的平行，从而保证了整体干涉效果的稳定性。使干涉分光系统对振动和晃动不敏感，较好地克服了抖动对测量的影响，提高了系统可靠性和抗干扰能力。同时这种紧凑光路设计有效减小了系统体积，降低了对加工工艺的依赖性。

4、本实用新型中双反射转镜是整个系统中唯一的运动部件，其可采用高速永磁直流电机为旋转反射镜提供驱动；可采用全数字化伺服控制系统保证旋转反射镜高稳定度的转动，不仅可以提供采集数据的起始零位信号，还可以实现双反射转镜的匀速转动。数据采集的频率与转镜的转速频率保持一致，即在转镜旋转一周时，给出一个采集脉冲，可以实现采集数据与转镜旋转同步进行。

5、本实用新型可采用光电方式或电磁方式从转镜的转轴上获得旋转一周时的零位信号，以保证零位信号的稳定度。

附图说明

图1是本实用新型光谱成像装置一个实施例的结构示意图。

图中各标号的说明如下：

1—准直镜、2—分束镜、3—第一反射镜、4—第二反射镜、5—第一中空反射器、6—第二中空反射器、7—双反射转镜；8—探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示的一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，包括准直镜1、分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第一中空回归反射器5、第二中空回归反射器6、探测器8、双反射转镜7和驱动双反射转镜7旋转的电机(图中未示出)，电机采用以钕铁硼为磁芯的高速永磁直流电机；双反射转镜7的两个反射面均镀有高反射膜；双反射转镜7的旋转轴线平行于第一反射镜3和第二反射镜4的镜面；分束镜2的表面镀有半透半反射膜，所述入射光的入射方向与分束镜2成45°。

经准直镜1准直的入射光入射到分束镜2上，被分束镜2分成强度相同的反射光和透射光。

反射光依次经第一反射镜3、双反射转镜7反射后进入第一中空回归反射器5，然后反射光与其进入第一中空回归反射器5的入射方向呈180°折返至双反射转镜7，再依次经过双反射转镜7、第一反射镜3反射至分束镜2上。

透射光依次经第二反射镜4、双反射转镜7反射后进入第二中空回归反射器6，然后反射光与其进入第二中空回归反射器6的入射方向呈180°折返至双反射转镜7，再依次经过双反射转镜7、第二反射镜4反射至分束镜2上。

返回到分束镜2上的反射光与透射光发生干涉形成干涉光；双反射转镜7高速转动使反射光和透射光产生变化的光程差。

探测器8位于干涉光的光路上，用于接收不同光程差的反射光和透射光产生的干涉光。

探测器8通过接收到的不同光程差的干涉光，得到干涉光随时间变化的干涉谱；采用计算机对干涉谱的数据进行反演滤波和傅里叶变换后，最终得到目标的高分辨率光谱图像。

Claims (5)

1.一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：包括准直镜(1)、分束镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第一中空回归反射器(5)、第二中空回归反射器(6)、探测器(8)和可高速旋转的双反射转镜(7)；双反射转镜(7)的旋转轴线平行于第一反射镜(3)和第二反射镜(4)的镜面；

经准直镜(1)准直的入射光入射到分束镜(2)上，被分束镜(2)分成反射光和透射光；

反射光依次经第一反射镜(3)、双反射转镜(7)反射后进入第一中空回归反射器(5)，然后反射光呈180°折返至双反射转镜(7)，再依次经过双反射转镜(7)、第一反射镜(3)反射至分束镜(2)上；

透射光依次经第二反射镜(4)、双反射转镜(7)反射后进入第二中空回归反射器(6)，然后反射光呈180°折返至双反射转镜(7)，再依次经过双反射转镜(7)、第二反射镜(4)反射至分束镜(2)上；

返回到分束镜(2)上的反射光与透射光发生干涉形成干涉光；

探测器(8)位于干涉光的光路上，用于接收干涉光。

2.根据权利要求1所述一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述分束镜(2)的表面镀有半透半反射膜，所述入射光的入射方向所在直线与分束镜(2)的镜面所在平面之间所成的锐角为45°。

3.根据权利要求1或2所述一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述双反射转镜(7)的两个反射面均镀有高反射膜。

4.根据权利要求3所述一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述双反射转镜(7)由电机驱动。

5.根据权利要求4所述一种基于高速双反射转镜的傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述电机采用直流伺服电机或者以钕铁硼为磁芯的高速永磁直流电机。