高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法及實現該方法的光譜儀的製作方法
2023-05-13 08:17:16 2
專利名稱：高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法及實現該方法的光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種快速獲得目標幹涉光譜的動鏡式幹涉成像方法及實現該方法的光譜儀，具體涉及一種高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法及實現該方法的光譜儀。
背景技術：
較早的成像光譜儀有法國太空空間與戰略系統分部於1991年研製出的麥可遜幹涉型時間調製空間成像傅立葉變換光譜儀D Simenoni.New concept forhigh-compact imaging Fourier transform spectrometer(IFTS)[C].SPIE，1991，1479127-138.，美國羅倫斯利物摩爾實驗室於1995年研製出的麥可遜幹涉型時間調製空間成像傅立葉變換光譜儀Michael R Carter，Charles L Bennett，DavidJ Fields，et al.Live more imaging Fourier transform spectrometer[C].SPIE，1995，2480380-386.。其採用線性往復掃描方式，每次掃描結束時必須轉向，待穩定後再採集數據。所以，採集數據時必須通過一束參考雷射提供相應的相干採樣圖譜。掃描速度通過伺服系統控制，並在轉向時提供逆程掃描，隨著掃描頻率、速度的增加，往返時間成為總掃描時間的重要部分。為了得到精確的採樣幹涉圖，伺服系統所需的帶寬急劇增加。而隨著掃描速度的增加，解析度會受上述因素的制約。由於往返時間成為總掃描時間的重要部分，佔空比會因伺服系統功率、掃描器件尺寸大小、掃描器件重量及系統穩定時間的制約而降低。例如，在360次/秒掃描、單次掃描時間為2.8毫秒的掃描頻率下極難實現往復掃描。1-2毫秒的返程與穩定時間會將佔空比降低至33-50％。在重複頻率很高的情況下，將制約對解析度有影響的掃描長度。因此，麥可遜幹涉型時間調製空間成像傅立葉變換光譜儀穩定性差，工藝複雜，只適用於空間和光譜時間變化較慢的目標。
轉鏡幹涉光譜成像是變形的時間調製型邁可爾遜幹涉技術J.Peter Dybward，et.al.「New Interferometer Design Concept」，STC Technical Report 2637，Science and Technology Corp，Hampton，VA，under contract#DAAA15-89-D-007，US Army CRDEC，APG，MD，8/92.，該技術在掃描過程中有空掃。即轉鏡旋轉時僅在一定角度內可獲得幹涉光譜圖，而在其他角度為空掃。工作效率低，且只能對單象素取樣，即只能對點目標掃描，只能應用於一個角度光線的掃描。
一種超高速掃描傅立葉變化紅外光譜測定法Peter R.Griffiths，Blayne L.Hirsche，Christopher J.Manning.Ultra-rapid-scanning Fourier transforminfared spectrometry.Vibrational Spectroscopy 19(1999)165-176.，雖解決了轉鏡空掃的問題，但仍只能對單象素取樣。如果要獲得線目標或者面目標的幹涉圖譜，就必須在系統前部附加一個前置掃描系統，實現對目標每個點的逐個掃描，最後集合而獲得整個目標的幹涉圖譜。存在的缺陷是系統結構複雜，體積較大，重量重。由於實時性差，不僅影響光譜圖的質量，且掃描時間長，掃描速度低，解析度低，適用的工作範圍也較窄。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法及實現該方法的光譜儀，其解決了背景技術中只能對單象素取樣、工作效率低，或系統結構複雜、掃描速度低、穩定性差的技術問題。
本發明的技術解決方案是一種高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法，其特殊之處在於該方法的實現步驟包括1)準直透鏡1將來自目標的光束轉換成平行光束；2)分束器2將平行光束分為反射光束IF和透射光束IT；其中(i)被分束器2分出的反射光束IF①.經轉鏡3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿與入射方向平行的方向反射迴轉鏡3；②.轉鏡3將光反射回分束器2；③.反射回分束器2的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT；④.透射光束IFT透過分束器2到達傅立葉透鏡7，被位於傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收，形成第一束光的光程；(ii)被分束器2分出的透射光束IT①.被角反射器6按與入射方向平行的方向反射回分束器2；②.反射回分束器2的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT；③.反射光束ITF，通過傅立葉透鏡7，被位於傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收，形成第二束光的光程；3)第一束光的光程與第二束光的光程產生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產生幹涉光譜圖；4)幹涉光譜圖經計算機處理系統11進行傅立葉變換，得到復原的目標圖像。
一種實現上述高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法的光譜儀，包括傅立葉透鏡7，位於傅立葉透鏡7的焦面上的探測器8，與探測器8相連接的計算機處理系統11，設置於前置光學系統10主光軸上的準直透鏡1，設置於準直透鏡1軸線OO′上的分束器2，其特殊之處在於它還包括轉鏡3和角反射器5-6；所述轉鏡3的初始位置和角反射器5-6的位置應滿足當轉鏡3在某一位置定位時，1)主光軸上的光被分束器2第一次分出的反射光束IF為第一束光；其經轉鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡7到達探測器8的光程形成第一束光的光程；2)主光軸上的光被分束器2第一次分出的透射光束IT為第二束光；其到達角反射器6，經角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡7到達探測器8的光程形成第二束光的光程；3)第一束光再回到分束器2的交點與第二束光再回到分束器2的交點相重合；4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合；5)第一束光的光程與第二束光的光程相等；所述傅立葉透鏡7的光軸位於第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器2位於既能接收到通過準直透鏡1的初始入射光、又能接收到經轉鏡3和角反射器5反射回的反射光、且在準直透鏡1軸線OO′上的部位。
上述探測器8以採用紅外探測器為宜。
上述轉鏡3以由圓柱體的斜端面構成為宜。
本發明具有以下優點1.可實現高頻掃描，且穩定性好。採用轉鏡式動鏡，系統運行連續，當掃描速度很高時，由於慣性的作用，旋轉伺服系統仍能保持較好的穩定性。
2.抗幹擾能力強。由於獲得幹涉圖的時間極短，系統對振動敏感的程度低，機械振動頻率一般對光譜圖的質量無影響。
3.角反射器與轉鏡匹配形成的光路具有自補償特性，從而使本發明具有較好的抗幹擾性。
4.掃描效率高。轉鏡以一個圓柱體的具有一定傾斜度的端面作為反射面，在電機的帶動下轉動，無空掃現象，掃描效率高。
5.可實現線目標或面目標的直接掃描。採用角反射鏡，不僅能掃描主光軸光線，還可掃描具有一定角度的光線，即可對線目標或面目標直接進行掃描，縮短了掃描時間，進一步提高了掃描效率和光譜圖的質量。
6.實時性好，解析度高，工作範圍寬。尤適用於對較大目標的大面積掃描。
7.功耗低，所需驅動功率小。
8.角反射器僅採用兩個，結構更簡單，體積更小，重量更輕。
9.實際加工生產時，角反射器的減少不僅簡化了工藝難度，而且避免了角反射器位置匹配不精確引起出射光和入射光不平行的影響。即減少了幹涉圖的噪聲，提高了信噪比。
10.當轉鏡旋轉產生光程差，光成差的計算量會因角反射器的減少而減少2/3。光程差是非線性的，光程差計算量的減少既有利於減小光程差的誤差，又可提高運算速度。而光譜圖是不同光程差時幹涉圖的傅立葉變換，光程差的誤差減小能夠進一步提高復原光譜圖的準確度。
11.角反射器的減少，使光線IF減少了8次鏡面反射，降低了鏡面反射帶來的光的能量損失，也提高了信號強度。
12.由於入射到角反射器三個稜和頂點的光線經角反射器反射，會變成雜散光，角反射器的減少使雜散光減少，降低了信號噪聲。
13.由於轉鏡在某一時刻、光線IF和光線IT回到分束器時的光程差不為0，會帶來光譜的畸變，而角反射器對位置比較敏感，較小的移動會引起很大的光程改變。角反射器的減少，不僅大大減少了裝校的工作量，而且可確保轉鏡在某一時刻、光線IF和光線IT回到分束器時的光程差為0。
圖1為本發明的結構原理示意圖；圖2為本發明實施例的結構示意圖。
附圖標號說明1-準直透鏡，2-分束器，3-轉鏡，4-電機，5-角反射器，6-角反射器，7-傅立葉透鏡，8-探測器，9-被觀測物，10-前置光學系統，11-計算機處理系統。
具體實施例方式
參見附圖1，本發明的光學系統主要由準直透鏡1、分束器2、轉鏡3、角反射器5、6，前置光學系統10和傅立葉透鏡7構成；幹涉系統主要由準直透鏡1、分束器2、轉鏡3、角反射器5、6和傅立葉透鏡7構成。探測系統主要由探測器8構成，信息處理系統主要由計算機處理系統11構成，參見圖2。
本發明的工作原理在轉鏡3靜止時，主光軸上的光束被分束器2分成兩束光，該兩束光的光程相等。當轉鏡3在電機4的驅動下轉動時，被分束器2第一次分出的反射光束IF，經轉鏡3與角反射器5、6多次反射後，回到分束器2，再到達傅立葉透鏡7的第一束光的光程會發生變化。而被分束器2第一次分出的透射光束IT，經角反射器6反射回分束器2，被分束器2反射到達傅立葉透鏡7的第二束光的光程不變化。兩束光的光路不再重合，最後到達探測器8的光程不再相等，從而產生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產生幹涉圖。隨著轉鏡3的轉動，兩束光的光程差不斷變化，由此獲得幹涉光譜圖。幹涉光譜圖經計算機處理系統11進行傅立葉變換後，可得到復原的目標圖像。轉鏡3在電機4帶動下高速轉動，即可實現高速掃描。
本發明準直透鏡1的軸線OO′位於前置光學系統10的主光軸上。分束器2的位置應確保既能接收到通過準直透鏡1的初始入射光，又能接收到通過轉鏡3和角反射器5反射回的光。轉鏡3的初始位置和角反射器5、6的位置應滿足當轉鏡3在某一位置定位時，1)主光軸上的光在分束器2上第一次被分出的反射光束IF為第一束光；其經轉鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡7到達探測器8的光程形成第一束光的光程。
2)主光軸上的光在分束器2上第一次被分出的透射光束IT為第二束光；其到達角反射器6，又經角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡7到達探測器8的光程形成第二束光的光程。
3)第一束光再回到分束器2的交點與第二束光再回到分束器2的交點相重合。
4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合。
5)第一束光的光程與第二束光的光程相等。傅立葉透鏡7的光軸位於第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上。探測器8位於傅立葉透鏡7的焦面上。探測器8以採用紅外CCD探測器為宜。圖2所示的被觀測物9是火箭，其是本發明用於觀測火箭尾焰的示意圖。
本發明光的傳輸過程1.來自目標即被觀測物9的光束經前置光學系統10到達準直透鏡1，準直透鏡1將目標光束轉換成平行光束；平行光束投射到鍍有半透半反膜的分束器2上。
2.分束器2將光束分為反射光束IF和透射光束IT。其中，
1)被分束器2分出的反射光束IF(1)經轉鏡3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿與入射方向平行的方向反射迴轉鏡3；(2)轉鏡3將光反射回分束器2；(3)反射回分束器2的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT。
2)被分束器2分出的透射光束IT(1)被角反射器6按與入射方向平行的方向反射回分束器2；(2)反射回分束器2的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT。
3.被分束器2分出的反射光束IF再次被分束器2分出的透射光束IFT，透過分束器2到達傅立葉透鏡7，被位於傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收。
4.被分束器2分出的透射光束IT再次被分束器2分出的反射光束ITF，通過傅立葉透鏡7，被位於傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收。
5.分束器2第一次分出的反射光束IF，經轉鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，通過傅立葉透鏡7會聚到探測器8形成第一束光的光程；分束器2第一次分出的透射光束IT，到達角反射器6，又經角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，通過傅立葉透鏡7會聚到探測器8形成第二束光的光程；該兩束光產生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產生幹涉光譜圖。
6.幹涉光譜圖經計算機處理系統11進行傅立葉變換，得到復原的目標圖像。
權利要求
1.一種高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法，其特徵在於該方法包括以下步驟1)準直透鏡(1)將來自目標的光束轉換成平行光束；2)分束器(2)將平行光束分為反射光束IF和透射光束IT；其中(i)被分束器(2)分出的反射光束IF①.經轉鏡(3)反射到角反射器(5)，角反射器(5)把入射的光沿與入射方向平行的方向反射迴轉鏡(3)；②.轉鏡(3)將光反射回分束器(2)；③.反射回分束器(2)的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT；④.透射光束IFT透過分束器(2)到達傅立葉透鏡(7)，被位於傅立葉透鏡(7)焦面上的探測器(8)接收，形成第一束光的光程；(ii)被分束器(2)分出的透射光束IT①.被角反射器(6)按與入射方向平行的方向反射回分束器(2)；②.反射回分束器(2)的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT；③.反射光束ITF，通過傅立葉透鏡(7)，被位於傅立葉透鏡(7)焦面上的探測器(8)接收，形成第二束光的光程；3)第一束光的光程與第二束光的光程產生光程差，成為兩束相干光，在探測器(8)上產生幹涉光譜圖；4)幹涉光譜圖經計算機處理系統(11)進行傅立葉變換，得到復原的目標圖像。
2.一種實現權利要求1所述高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法的光譜儀，包括傅立葉透鏡(7)，位於傅立葉透鏡(7)的焦面上的探測器(8)，與探測器(8)相連接的計算機處理系統(11)，設置於前置光學系統(10)主光軸上的準直透鏡(1)，設置於準直透鏡(1)軸線OO′上的分束器(2)，其特徵在於它還包括轉鏡(3)和角反射器(5-6)；所述轉鏡(3)的初始位置和角反射器(5-6)的位置應滿足當轉鏡(3)在某一位置定位時，1)主光軸上的光被分束器(2)第一次分出的反射光束IF為第一束光；其經轉鏡(3)和角反射器(5)反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡(7)到達探測器(8)的光程形成第一束光的光程；2)主光軸上的光被分束器(2)第一次分出的透射光束IT為第二束光；其到達角反射器(6)，經角反射器(6)和分束器(2)多次反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡(7)到達探測器(8)的光程形成第二束光的光程；3)第一束光再回到分束器(2)的交點與第二束光再回到分束器(2)的交點相重合；4)第一束光被分束器(2)再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器(2)再次分出的反射光束ITF光路重合；5)第一束光的光程與第二束光的光程相等；所述傅立葉透鏡(7)的光軸位於第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器(2)位於既能接收到通過準直透鏡(1)的初始入射光、又能接收到經轉鏡(3)和角反射器(5)反射回的反射光、且在準直透鏡(1)軸線OO′上的部位。
3.根據權利要求2所述的高穩定度幹涉成像光譜儀，其特徵在於所述的探測器(8)為紅外探測器。
4.根據權利要求2或3所述的高穩定度幹涉成像光譜儀，其特徵在於所述轉鏡(3)由圓柱體的斜端面構成。
全文摘要
一種高穩定度幹涉成像光譜儀的成像方法及實現該方法的光譜儀，其準直透鏡將來自目標的光轉換成平行光束，經分束器後分為反射光束I
文檔編號G01J3/45GK1945242SQ200510096119
公開日2007年4月11日 申請日期2005年10月9日 優先權日2005年10月9日
發明者張文喜, 相裡斌, 袁豔, 黃旻, 蘇麗娟, 陶然 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所