偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置的製作方法
2023-12-09 14:56:21
專利名稱：偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學儀器技術領域，涉及一種幹涉成像光譜技術及其裝置，特別是一種偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置。
為了克服多光譜掃描儀光譜信息量太少，不能提供一定光譜範圍內比較完整的光譜圖的缺點，發展了基於稜鏡或光柵的色散型成像光譜技術；為了克服色散型成像光譜儀能量利用率低的弱點，又出現了幹涉成像光譜技術。幹涉型成像光譜儀較色散型光譜儀具有高通量、多通道等優點。成像光譜技術是本世紀80年代以後出現的一項融合光學、光譜學、精密機械、電子技術以及計算機技術於一體的高新科技，它能夠獲得被測目標的兩維空間信息和一維光譜信息，因此在航空航天遙感、科學實驗、工業、農業、地質、海洋、安全等等許多方面具有極其重要的應用價值，被譽為光學儀器發展史中的一次大飛躍。國際上每年有多次專題學術會議討論該項技術的應用情況與最新發展。
幹涉成像光譜儀又分時間調製型和空間調製型兩種。空間調製型幹涉成像光譜儀克服了時間調製型幹涉光譜儀需要高精度動鏡驅動系統和實時性不好兩個缺點，大大提高了儀器的穩定性，且容易做到小型輕量。與時間調製光譜儀比較，空間調製成像光譜儀在大大降低研製成本的同時，保留了動鏡掃描幹涉成像光譜儀的主要優點。它的突出優點是使用波段可以更寬、視場角可以更大、穩定性好、抗振動能力強、體積小、重量輕，特別適合於惡劣環境下使用，如在飛機和衛星等領域。
90年代以來，隨著探測器製造技術和高速計算技術的發展，國際上又出現了偏振型幹涉成像光譜技術。偏振型幹涉成像光譜技術屬於空間調製型幹涉成像光譜技術的範疇。
中國專利CN99115952.7號申請文件中公開了一種「幹涉成像光譜技術及其裝置」，本發明的目的是基於上述中國專利申請文件中的技術方案，提出一種既具有高能量通量、多光譜通道，同時又具有高信噪比、高穩定性、結構簡單的偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置，即集時間調製式與空間調製式主要優點於一體的偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置，該技術方案能夠減小儀器體積和重量、減小功耗、降低實現難度，以克服現有技術中所存在的缺陷。
本發明的任務是通過下述方式完成的，一種偏振型幹涉成像光譜技術，該技術的關鍵在於，首先利用偏振型橫向剪切幹涉儀將國標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光，然後由光學系統再將剪切後的目標輻射進行幹涉，並保證幹涉條紋方向與偏振型橫向剪切幹涉儀的剪切方向垂直，最後收集上述幹涉信號對其進行視頻處理後送入計算機中進行光譜復原，最終得到目標的光譜信息和圖像信息。
如果目標發出的輻射不是準直光，會影響復原光譜的準確性，因此在上述技術方案的基礎上，將目標輻射在進行剪切之前最好預先對其加以準直處理。準直處理的過程既有利於對目標輻射的進行收集，同時還具有減小雜散光等作用。
為了獲取目標輻射的真實光譜圖，還可以對目標輻射間斷性地進行標定，利用該標定值與幹涉信號加以對照，便可獲取目標輻射的真實光譜圖。
本發明在完成上述偏振型幹涉成像光譜技術方案的基礎上，還設計出了能夠實現上述技術方案的相關裝置，該裝置可以稱其為偏振型幹涉成像光譜儀，它由偏振型橫向剪切幹涉儀、收集光學系統、探測器、信號獲取與處理系統構成，偏振型橫向剪切幹涉儀將目標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光，在收集光學系統的後焦面處發生幹涉，收集光學系統將剪切後的目標輻射收集到位於其像面的探測器上，輻射於此處發生幹涉，幹涉條紋方向與偏振型橫向剪切幹涉儀的剪切方向垂直，信號獲取與處理系統把從探測器獲取的幹涉圖信號進行數位化，並進行處理，最終得到目標的光譜信息和圖像信息，其關鍵是偏振型橫向剪切幹涉儀由起偏器，一組雙折射稜鏡以及檢偏器組成。
偏振型橫向剪切幹涉儀的作用是將目標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光，他們的強度相同或相似，在收集光學系統的後焦面處發生幹涉。晶體材料的厚度不同，一根光線經過偏振幹涉儀後分開的距離(稱為剪切量)不同。晶體材料越厚，剪切量越大，反之，晶體材料越薄，剪切量就越小。
上述一組雙折射稜鏡可以選用以下任一方案製成A.兩塊雙折射稜鏡同為正晶體，B.兩塊雙折射稜鏡同為負晶體，C.兩塊雙折射稜鏡中的一塊為正晶體，而另一塊為負晶體，同時兩塊雙折射稜鏡的晶軸方向互相垂直。
也就是說，偏振型橫向剪切幹涉儀由四個部件組成，即起偏器，兩塊雙折射稜鏡和檢偏器。所述的兩塊雙折射稜鏡可以選用同一種材料(同為正晶體，或者同為負晶體)，也可以是一塊正晶體，一塊負晶體，上述兩塊雙折射稜鏡的晶軸方向要互相垂直。
所述收集光學系統最好直接採用一套能單獨成像的透鏡組件。
所述探測器可以選用面陣探測器，該面陣探測器在推掃方式工作時，能夠獲得目標的兩維空間和一維光譜信息。
所述信號獲取與處理系統可以利用在現有普通微機的基礎上增設一套專用電路板而製成，專用電路板將探測器上的模擬信號放大之後轉變為數位訊號，然後將其輸入給普通微機，普通微機在專用軟體的支持下將上述數位訊號進行處理。即信號獲取與處理系統把從探測器獲取的幹涉圖信號進行數位化並進行處理，最終得到目標的光譜信息和圖像信息。
在偏振型橫向剪切幹涉儀的前方最好增設前置光學系統，該前置光學系統可以由前置物鏡和準直鏡兩部分組成，它將目標發出的輻射進行收集、準直並減小雜散光。
前置光學系統具有將目標發出的輻射進行收集、準直和減小雜散光等作用，其結構可採用折射、折反射和反射等多種形式。由於儀器要求準直光進入到下一部分，如果從前置光學系統出射的光束不是準直光，會影響復原光譜的準確性，所以將目標的輻射轉變為準直光是前置光學系統的主要目的。當整個系統的光能量不足時，加大前置光學系統的入瞳直徑，可以增大進入光學系統能量數倍，此外，前置光學系統中可以加入合適的光闌，以便有效地抑制系統的雜散光。
如果系統的能量足夠，並且當目標物離本偏振型幹涉成像光譜儀足夠遠，例如在遙感等遠距離探測應用時，進入儀器的目標輻射已經近似於平行光，前置光學系統可省略以簡化系統。但此時要充分考慮光學系統的雜散光抑制問題，通常可以通過加上一個外遮光罩的技術措施加以解決。
所述前置光學系統可以採用折射、折反射或反射的結構形式。
在本偏振型幹涉成像光譜儀的結構組成內，還可以增設一個定標系統，定標系統所需的定標光路由切換鏡導入，即定標系統由切換鏡切入信號，在不設置前置光學系統的情況下，切換鏡設置在偏振型橫向剪切幹涉儀的前方，而在設置有前置光學系統的情況下，切換鏡設置在前置光學系統以及偏振型橫向剪切幹涉儀之間，該切換鏡將目標輻射進行切換，定標系統在實現定標時，目標輻射的主光路不能進入後續的偏振型橫向剪切幹涉儀，所述定標系統用於對整個儀器系統的光譜響應和輻射度響應進行標定。
收集光學系統將剪切後的目標輻射收集到位於其像面的探測器上，輻射於此處發生幹涉，幹涉條紋方向與偏振型橫向剪切幹涉儀的剪切方向垂直，幹涉光程差與剪切量、探測器有效尺寸成正比，與收集光學系統焦距成反比。光程差越大，光譜解析度越高。
探測器是幹涉信號的接收器，探測器可以使用面陣探測器，在推掃方式工作時，能夠獲得目標的兩維空間和一維光譜信息。
信號獲取與處理系統把從探測器獲取的幹涉圖信號進行數位化，並進行處理，最終得到目標的光譜信息和圖像信息。
定標系統的主要功能是對整個儀器系統的光譜響應和輻射度響應進行標定，有光譜響應度定標、輻射度定標以及相對定標和絕對定標之分。光譜定標的目的是獲取實物的真實光譜圖。
偏振型幹涉成像光譜儀的工作原理是前置光學系統和偏振型橫向剪切幹涉儀的作用是將被探測目標的輻射準直並分割成一對相干光束。其幹涉定域在無窮遠處，收集光學系統將無窮遠處的幹涉圖收集到它的後焦面，在其後焦面處放置一個面陣探測器便可採集到這些幹涉條紋。在偏振型幹涉成像光譜儀中獲得的幹涉圖像非常特殊，被稱為「像面幹涉圖」。在探測器上得到的圖像既包含了目標的圖像信息，又包含了幹涉信息，是被幹涉信息調製過的圖像信息。本發明提出的偏振型幹涉成像光譜儀工作時，儀器通過沿光束剪切方向的推掃來獲得完整幹涉圖。在探測器上，光程差與沿推掃方向的視場角成正比，即零視場角時幹涉光程差為零，隨著這一方向視場角的增加，幹涉光程差也增加。因此將不同視場獲得的像面幹涉圖中的同一目標點的輻射取出，就可構成該點的完整幹涉圖，其它點依此類推。
本發明提出的偏振型幹涉成像光譜儀的能量利用率高於一般色散型成像光譜儀的能量利用率。一般色散型成像光譜儀是把從目標來的輻射按照波長的長短散布在探測器的一個條帶上，如果光譜儀的光譜解析度為100，則目標的輻射要按照波長從短到長分散到100個探測器單元上，每個探測器單元上接收的能量的平均值是普通照相機的百分之一。而本發明描述的偏振型幹涉成像光譜儀在像面上的照度與相同孔徑照相機像面照度在一個量級。
可見，本發明所提供的偏振型幹涉成像光譜儀能提供一定光譜範圍內的多張單色圖像。也就是說，本偏振型幹涉成像光譜儀能夠根據使用者的要求，獲得一定光譜範圍內的任意一個極窄波段內點的完整圖像，提供給使用者進行分析處理。
根據用途的不同，本發明提出的偏振型幹涉成像光譜儀可以有多種實施方案，下面結合實施例所示附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1為偏振型幹涉成像光譜儀的整體結構示意圖；圖2為簡化型偏振型幹涉成像光譜儀的結構示意圖；圖3為具有定標系統的偏振型幹涉成像光譜儀結構示意圖；圖4為具有前置光學系統的偏振型幹涉成像光譜儀結構示意圖。
參照圖1，偏振型幹涉成像光譜儀由前置光學系統1、定標系統2、偏振型橫向剪切幹涉儀3、收集光學系統4、探測器5和信號獲取與處理系統6構成。
前置光學系統1由前置物鏡11和準直鏡12組成，具有將目標發出的輻射進行收集、準直和減小雜散光等作用，在前置物鏡11的後焦面處放置有視場光闌13，它限制前置物鏡11像面(整個系統的一次像面)的形狀，也有防治雜散光的作用，由於儀器要求準直光進入到下一部分，所以將目標的輻射轉變為準直光是前置光學系統1的主要目的。
定標系統2中的切換鏡21位於前置光學系統1和偏振型橫向剪切幹涉儀3之間，切換鏡21使得系統要麼進行定標，要麼使目標輻射的主光路進入後續的偏振型橫向剪切幹涉儀3，所述定標系統2用於對整個儀器系統的光譜響應和輻射度響應進行標定。
偏振型橫向剪切幹涉儀3由起偏器31，兩塊雙折射稜鏡32和33以及檢偏器34組成，兩塊雙折射稜鏡32和33的晶軸方向互相垂直。
收集光學系統4在本實施例中採用了一套能單獨成像的透鏡組件。
探測器5在本實施例中使用面陣探測器(CCD)，在推掃方式工作時，能夠獲得目標的兩維空間和一維光譜信息。
信號獲取與處理系統6在本實施例中使用了在一臺普通微機上外插電路板的方法。
參照圖2，這是一個經過簡化的偏振型幹涉成像光譜儀，其中省去了前置光學系統1和定標系統2，為了抑制光學系統的雜散光的幹擾，在本實施例中，設置有一個外遮光罩7，該外遮光罩7設置在偏振型橫向剪切幹涉儀3的前方。
參照圖3，該偏振型幹涉成像光譜儀基本上與圖2所示的偏振型幹涉成像光譜儀相類似，只是增設了一個定標系統2，定標系統2中的切換鏡21位於外遮光罩7和偏振型橫向剪切幹涉儀3之間。
參照圖4，該偏振型幹涉成像光譜儀也與圖2所示的偏振型幹涉成像光譜儀相類似，只是增設了一個前置光學系統1，該前置光學系統1位於偏振型橫向剪切幹涉儀3前面。
權利要求
1.一種偏振型幹涉成像光譜技術，其特徵在於，首先利用偏振型橫向剪切幹涉儀將目標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光，然後由光學系統再將剪切後的目標輻射進行幹涉，並保證幹涉條紋方向與偏振型橫向剪切幹涉儀的剪切方向垂直，最後收集上述幹涉信號對其進行視頻處理後送入計算機中進行光譜復原，最終得到目標的光譜信息和圖像信息。
2.根據權利要求1規定的偏振型幹涉成像光譜技術，其特徵是目標輻射在進行剪切之前預先對其加以準直處理。
3.根據權利要求1或2規定的偏振型幹涉成像光譜技術，其特徵是對目標輻射間斷性地進行標定，利用該標定值與幹涉信號加以對照，最終得到目標輻射的真實光譜圖。
4.一種偏振型幹涉成像光譜儀，由偏振型橫向剪切幹涉儀、收集光學系統、探測器、信號獲取與處理系統構成，偏振型橫向剪切幹涉儀將目標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光，在收集光學系統的後焦面處發生幹涉，收集光學系統將剪切後的目標輻射收集到位於其像面的探測器上，輻射於此處發生幹涉，幹涉條紋方向與偏振型橫向剪切幹涉儀的剪切方向垂直，信號獲取與處理系統把從探測器獲取的幹涉圖信號進行數位化，送入處理器中進行處理，最終得到目標的光譜信息和圖像信息，其特徵是偏振型橫向剪切幹涉儀由起偏器，一組雙折射稜鏡以及檢偏器組成。
5.根據權利要求4規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是所述一組雙折射稜鏡選用以下任一方案製成A.兩塊雙折射稜鏡同為正晶體，B.兩塊雙折射稜鏡同為負晶體，C.兩塊雙折射稜鏡中的一塊為正晶體，而另一塊為負晶體，同時兩塊雙折射稜鏡的晶軸方向互相垂直。
6.根據權利要求5規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是所述收集光學系統為一套能單獨成像的透鏡組件，所述探測器選用面陣探測器，該面陣探測器在推掃方式工作時，能夠獲得目標的兩維空間和一維光譜信息，所述信號獲取與處理系統為配合有一套專用電路板的普通微機，它把從探測器獲取的幹涉圖信號進行數位化並進行處理，最終得到目標的光譜信息和圖像信息。
7.根據權利要求4、5或6規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是在偏振型橫向剪切幹涉儀的前方設置有前置光學系統，該前置光學系統由前置物鏡和準直鏡兩部分組成，它將目標發出的輻射進行收集、準直並減小雜散光。
8.根據權利要求7規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是所述前置光學系統中增設光闌，用於抑制系統的雜散光。
9.根據權利要求4、5或6規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是它還具有一個定標系統，定標系統由切換鏡切入信號，切換鏡設置在偏振型橫向剪切幹涉儀的前方，所述定標系統用於對整個儀器系統的光譜響應和輻射度響應進行標定。
10.根據權利要求8規定的偏振型幹涉成像光譜儀，其特徵是它還具有一個定標系統，定標系統由切換鏡切入信號，切換鏡設置在前置光學系統以及偏振型橫向剪切幹涉儀之間，所述定標系統用於對整個儀器系統的光譜響應和輻射度響應進行標定。
全文摘要
本發明公開了一種偏振型幹涉成像光譜技術及其裝置,對目標輻射預先加以準直處理後,首先利用偏振型橫向剪切幹涉儀將目標輻射沿垂直於光軸方向剪切為有一定間距的兩束相干光,然後由光學系統再將剪切後的目標輻射進行幹涉,最後收集該幹涉信號對其進行視頻處理後送入計算機中進行光譜復原,同時對目標輻射間斷性地進行標定,最終得到目標的真實光譜圖。
文檔編號G01J3/26GK1256408SQ9911595
公開日2000年6月14日 申請日期1999年12月28日 優先權日1999年12月28日
發明者相裡斌, 楊建峰, 阮萍, 張淳民, 王煒 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所