一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置及方法
2023-12-11 08:52:27 2
專利名稱：一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置及方法
技術領域：
本發明屬於光學探測目標領域，特別是一種能夠獲得目標空間二維圖像信息，目標各點高解析度光譜信息的探測方法。
背景技術：
成像光譜技術採用輻射成像技術和光譜測量技術相結合方法，能夠獲得目標的二維空間輻射光強信息和目標各點的光譜信息。其中幹涉成像光譜技術是上世紀80年代發展起來的新型探測技術，利用幹涉信息與光譜信息之間存在的傅立葉變換關係來計算目標的光譜信息，並且獲取目標的二維空間信息。90年代中後期出現的像面幹涉成像光譜技術，通過在無限遠成像系統中加入橫向剪切分束器，引入幹涉信息；與時間型幹涉成像光譜技術相比，內部不需要動鏡推掃，具有結構穩固的優點；與空間型幹涉成像光譜技術相比，不受入射狹縫的限制，具有高光通量、高目標解析度、高光譜解析度等優點。像面幹涉成像光譜技術現已成為國內外研究的熱點，在工業、農業、醫學等領域具有廣闊的應用前景。現有幹涉成像光譜技術光譜解析度受獲取幹涉光程差影響，光程差越大光譜解析度越高。受探測器信噪比、靶面大小等因素的影響，現有幹涉成像光譜技術獲取的幹涉光程差有限，其光譜解析度受限，限制了像面幹涉光譜成像技術的應用領域。1986年，Okamoto等人首次提出在橫向剪切分束器中加入色散平板的方法提高光譜解析度，後來由Meigs等人進行了優化。通過選取合適的材料以及不同厚度的色散平板，可以提高探測波段內的光譜解析度。該方法目前只用於空間調製型幹涉成像光譜儀中，但是在空間調製型幹涉成像光譜儀中，狹縫的使用使得空間解析度和光通量之間存在制約關係。為了獲得高空間解析度，通常需要減小狹縫的寬度，而結果導致光通量的極大損失。對於弱輻射目標，特別是天文目標的光譜探測，將增加探測器響應靈敏度的負擔。
發明內容
本發明的目的在於提供一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置及方法，能夠提高現有像面幹涉光譜成像裝置的光譜解析度，擴展其應用領域。。實現本發明目的的技術解決方案為一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置，其特徵在於包括沿光路方向依次放置的前置光學系統、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統、成像系統和信號處理系統；其中，前置光學系統包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡和準直物鏡，前置成像物鏡的像面和準直物鏡的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統包括沿Sagnac共光路系統的內部順時針光軸依次設置的分束器、高反鏡、色散平板、高反鏡，其中分束器與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統的入射光軸成逆時針45°角，高反鏡與順時針入射光軸成逆時針67. 5°角，高反鏡與順時針入射光軸成67. 5°角，色散平板位於高反鏡和高反鏡之間；成像系統包括沿光路方向依次設置的成像物鏡、探測器，其中探測器的靶面位於成像物鏡的後焦面上；信號處理系統與探測器相連；所有光學元件相對於基底同軸等高，即相對於光學平臺或儀器底座同軸等高。
該發明裝置的光路走向如下探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡，形成準直光束；前置光學系統形成的準直光束經過分束器後形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡，發生反射，然後入射色散平板，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡，發生反射後，入射到分束器，形成第二發射光和第二透射光，其中第二反射光進入成像系統；第一透射光首先入射到第一高反鏡，發生反射，然後入射色散平板，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡，發生反射後，入射到分束器，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統。從分束器出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡匯聚到成像物鏡的後焦面處的探測器的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統；
本發明的一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜方法，包含以下步驟
第一步，探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡，形成準直光束，以準直光束形式進入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統；
第二步，前置光學系統形成的準直光束經過分束器後形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡，發生反射，然後入射色散平板，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡，發生反射後，入射到分束器，形成第二發射光和第二透射光，其中第二發射光進入成像系統；第一透射光首先入射到第一高反鏡，發生反射，然後入射色散平板，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡，發生反射後，入射到分束器，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統。第三步，從分束器出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡匯聚到成像物鏡的後焦面處的探測器的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統；
第四步，信號處理系統從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的幹涉數據，對幹涉數據進行傅立葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。本發明與現有技術相比，其顯著優點1、具備像面幹涉成像光譜技術的優點
I)探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調製，方法簡單實用。2)具有高通量、高信噪比的優點。2、能夠提高像面幹涉成像光譜技術的光譜解析度，能夠兼顧高光通量和高光譜解析度探測。
圖1為實現本發明方法的裝置結構示意圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。參照圖1，一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置，其特徵在於包括沿光路方向依次放置的前置光學系統1、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統2、成像系統3和信號處理系統4 ;其中，前置光學系統I包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡11和準直物鏡12，前置成像物鏡11的像面和準直物鏡12的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統2包括沿Sagnac共光路系統的內部順時針光軸依次設置的分束器21、高反鏡22、色散平板24、高反鏡23，其中分束器21與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統2的入射光軸成逆時針45°角，高反鏡22與順時針入射光軸成逆時針67. 5°角，高反鏡23與順時針入射光軸成67. 5°角，色散平板24位於高反鏡22和高反鏡23之間；成像系統3包括沿光路方向依次設置的成像物鏡31、探測器32，其中探測器32的靶面位於成像物鏡31的後焦面上；信號處理系統4與探測器32相連；所有光學元件相對於基底同軸等高，即相對於光學平臺或儀器底座同軸等高。該發明裝置的光路走向如下探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡11成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡12，形成準直光束；前置光學系統I形成的準直光束經過分束器21後形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡22，發生反射，然後入射色散平板24，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡23，發生反射後，入射到分束器21，形成第二發射光和第二透射光，其中第二反射光進入成像系統3 ;第一透射光首先入射到第一高反鏡23，發生反射，然後入射色散平板24，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡22，發生反射後，入射到分束器21，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統3。從分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡31匯聚到成像物鏡31的後焦面處的探測器32的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統4。一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜方法，步驟為
第一步，探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡11成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡12，形成準直光束，以準直光束形式進入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統2 ；
第二步，前置光學系統I形成的準直光束經過分束器21後形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡22，發生反射，然後入射色散平板24，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡23，發生反射後，入射到分束器21，形成第二發射光和第二透射光，其中第二發射光進入成像系統3 ;第一透射光首先入射到第一高反鏡23，發生反射，然後入射色散平板24，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡22，發生反射後，入射到分束器21，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統3。第三步，從分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡31匯聚到成像物鏡31的後焦面處的探測器32的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統4 ;
第四步，信號處理系統4從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的幹涉數據，對幹涉數據進行傅立葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。本發明色散剪切像面幹涉超光譜成像裝置探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調製，方法簡單實用；具有高目標解析度、高通量的優點；能夠提高幹涉成像光譜技術的光譜解析度。
權利要求
1.一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜裝置，其特徵在於:包括沿光路方向依次放置的前置光學系統(I)、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(2)、成像系統(3)和信號處理系統(4);其中，前置光學系統(I)包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡(11)和準直物鏡(12)，前置成像物鏡(11)的像面和準直物鏡(12)的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(2)包括沿Sagnac共光路系統的內部順時針光軸依次設置的分束器(21)、高反鏡(22)、色散平板(24)、高反鏡(23)，其中分束器(21)與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(2)的入射光軸成逆時針45°角，高反鏡(22)與順時針入射光軸成逆時針67.5°角，高反鏡(23 )與順時針入射光軸成67.5°角，色散平板(24)位於高反鏡(22 )和高反鏡(23 )之間；成像系統(3)包括沿光路方向依次設置的成像物鏡(31)、探測器(32)，其中探測器(32)的靶面位於成像物鏡(31)的後焦面上；信號處理系統(4)與探測器(32)相連；所有光學元件相對於基底同軸等高，即相對於光學平臺或儀器底座同軸等高。
2.根據權利要求1所述的一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜方法裝置，其特徵在於，裝置的光路走向如下:探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡(11)成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡12，形成準直光束；前置光學系統(I)形成的準直光束經過分束器(21)後形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一高反鏡(22)，發生反射，然後入射色散平板(24)，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡(23)，發生反射後，入射到分束器(21)，形成第二發射光和第二透射光，其中第二反射光進入成像系統(3);第一透射光首先入射到第一高反鏡(23)，發生反射，然後入射色散平板(24)，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡(22)，發生反射後，入射到分束器(21)，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統(3);從分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡(31)匯聚到成像物鏡(31)的後焦 面處的探測器(32)的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統(4)。
3.一種基於權利要求1所述的提高光譜解析度的幹涉成像光譜方法，其特徵在於包含以下步驟: 第一步，探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡(11)成像在其像面上，消除雜散光，隨後經過準直物鏡(12)，形成準直光束，以準直光束形式進入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(2)； 第二步，前置光學系統(I)形成的準直光束經過分束器(21)後形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一高反鏡(22)，發生反射，然後入射色散平板(24)，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡(23)，發生反射後，入射到分束器(21)，形成第二發射光和第二透射光，其中第二發射光進入成像系統(3);第一透射光首先入射到第一高反鏡(23)，發生反射，然後入射色散平板(24)，發生色散，形成發散光束穿過色散平板，發散角度隨波數變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨後入射高反鏡(22)，發生反射後，入射到分束器(21)，形成第三發射光和第三透射光，其中第三透射光進入成像系統(3)； 第三步，從分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數變換進而引入隨波數變換的光程差信息，隨後光束經過成像物鏡(31)匯聚到成像物鏡(31)的後焦面處的探測器(32)的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有幹涉信息的目標幹涉圖像，並轉化成電信號進入信號處理系統(4)； 第四步，信號處理系統(4)從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的幹涉數據，對幹涉數據進行 傅立葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。
全文摘要
本發明公開了一種提高光譜解析度的幹涉成像光譜的裝置及方法，該裝置包括沿光路依次放置的前置光學系統、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統、成像系統和信號處理系統；目標各點的入射光進入前置光學系統，消除雜散光並形成準直光束；隨後進入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統，光被橫向剪切分束系統橫向剪切，由於平板色散作用，剪切距離隨著光波長而變化，進而引入隨波數變化的光程差信息；剪切開的兩束光隨後進入成像系統；通過旋轉橫向剪切分束器或者旋轉整個系統獲取目標各點不同光程差下的幹涉信息；對獲取的目標物點幹涉信息進行離散傅立葉變換，得到高解析度的光譜信息和各譜段的二維圖像信息；本發明具有高光譜解析度、高光通量、高目標解析度等優點。
文檔編號G01J3/45GK103076092SQ20121057952
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者李建欣, 孟鑫, 孫宇聲, 徐婷婷, 郭仁慧, 沈華, 馬駿, 朱日宏, 陳磊, 何勇 申請人:南京理工大學