CN101806625B - 静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置 - Google Patents

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静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置，包括沿光传输方向顺序设置的前置光学望远***、静态全光调制模块、静态傅立叶变换干涉成像光谱仪、成像镜组、面阵探测器，面阵探测器与信号获取与处理***相连接；目标源发出的光通过前置光学***准直后经静态全光调制模块调制，调制后的传输光经过静态傅立叶变换干涉成像光谱仪后，出射光变成两束相干光，这两束光经成像镜组后汇聚于面阵探测器上成像并发生干涉，面阵探测器接收到的信号再送入经信号获取与处理***处理；本发明具有结构简单紧凑、无运动部件、光通量大、可一次性获得目标二维空间像、一维光谱信息和完整偏振信息的特点。

Description

静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，特别是一种同时能获得目标二维强度、干涉光谱和全偏振特性的三位一体的静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置。
背景技术
1980s，美国空气动力实验室(JPL)提出成像光谱仪概念，将成像仪与光谱仪融合，可以同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，受到各国大力重视。20多年时间里，成像光谱仪从多通道的色散型，发展到高光谱的干涉型，其中麦克尔逊(Mechelson)干涉成像光谱仪具有视场较大的基本优点，干涉型分光结构保证了其高的光谱分辨能力，大视场也保证了其较高的信噪比，这些优点使其在对地观测中被大量采用。但常用的动镜扫描方式探测时，同一目标干涉强度需要动镜多次步进来采集，得到的是不同时刻的值，造成的测量误差较大；内部扫描镜的驱动需要很高的精度，且对外界的震动敏感。这些问题使其在航天、航空、野外环境中使用有较大局限性。后来发展起了静态傅立叶变化光谱仪，典型代表之一就是麦克尔逊(Mechelson)型静态干涉仪，它利用其中一个反射镜倾斜来产生光程差，在干涉面上产生竖直的干涉条纹，再利用傅立叶变换得到光源的光谱。这种结构没有复杂的机械扫描，结构简单，成本低廉，便于小型化且调试方便，对于推进对地观测光谱测量有重要意义。
然而我们注意到：光源发射的光照射到地球表面和大气中的任何目标，在辐射、反射、透射和散射光波的过程中，不仅会引起光波强度、光谱辐射特性的变化，还会引起偏振状态的变化。干涉成像光谱仪优良地解决了同时探测目标空间强度信息和光谱信息的功能，可以获得目标的二维空间信息以及物质结构和化学成分，然而无法全面体现表征物体属性的偏振特性。
发明内容
针对目前麦克尔逊(Mechelson)型静态傅立叶变换高光谱成像仪不能获取目标全偏振特性的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、无运动部件、光通量大、可一次性获得目标二维空间像、一维光谱信息和完整偏振信息的静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下装置予以实现。
静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置，包括沿光传输方向顺序设置的前置光学望远***1、静态全光调制模块2、静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3、成像镜组4、面阵探测器5，面阵探测器5与信号获取与处理***6相连接。
所述的前置光学望远***1包括按顺序设置的前置光学***物镜组11，光阑12和前置光学***像方镜组13；前置光学***物镜组11可以是反射镜组、折反镜组或折射镜组。
所述的光阑12在时空混合调制情况下为一孔径光阑121，在空间调制情况下为一狭缝122。
所述的静态全光调制模块2由双折射晶体组21及其后的偏振片或偏振棱镜22组成。
所述的静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3包括法线垂直于主光轴的定镜31、分光镜32、法线与入射光轴有夹角的定镜33。
所述的成像镜组4选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜41及其后的成像透镜42，柱面透镜41的焦面位于后续的成像透镜42上，成像透镜42的焦平面位于后续面阵探测器5上；
时空混合调制情况下，为成像透镜42，其焦平面位于后续面阵探测器5上。
所述面阵探测器5由CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列构成。
所述的信号获取与处理***6由可将面阵探测器5接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
本发明采用双折射晶体构成的静态全光调制模块对四个Stokes矢量分别进行相位调制：采用前置光学望远***把从物体目标入射的光线变为平行光入射到静态全光调制模块，使得入射光的四个Stokes矢量分别得到不同调制，从而在相位上分开，以实现全偏振特性的提取；采用麦克尔逊(Mechelson)型静态傅立叶变换干涉仪作为分光、干涉核心部件：入射光通过分光镜后，形成两列光波：一列被反射，再经垂直定镜31反射回分光面32原来的位置后，透过分光镜出射；另一列被分光面32透射，再经过小角度定镜33反射回分光面32后，与原来的位置产生一个横向偏移量，并进一步被分光面反射。于是这两列同源光波波前经过不同的途径后在空间上被分开，成为相干光，他们通过成像镜组后，发生干涉，在位于成像镜焦平面上的面阵探测器上形成干涉图样，实现光谱分光功能，达到高光谱分辨能力。
本发明的干涉成像光谱偏振探测装置与其它现有装置相比，其优势在于：
a)本发明实现了全偏振信息、高分辨成像、高光谱信息三位一体获取；
b)整个装置为大视场、高信噪比、静态结构：核心光谱仪为麦克尔逊(Mechelson)型静态傅立叶变化光谱仪结构，保证了其较大的视场以及相应的高信噪比，且没有任何运动的部件，抗振能力强；
c)除面阵探测器与信号获取与处理***之外，整个装置为全光结构：偏振信息和光谱信息获取的过程中无任何电光、声光或者磁光调制机构，可实现偏振信息的完全实时探测。无源结构一方面避免了电调制带来的电噪声影响，另一方面避免了电控导致的非实时性，同时还降低了信号控制与解调处理的难度；
d)整个装置光通量大、灵敏度高、分辨率高、光谱范围宽、后期信号处理简单，设计、加工、成本低，有利于推广和应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的光阑12的结构示意图，其中，图2(a)是在时空混合调制情况下，光阑12为一孔径光阑121的结构示意图；图2(b)是在空间调制情况下，光阑12为一狭缝122的结构示意图。
图3为本发明的成像镜组4的结构示意图，其中，图3(a)是在时空混合调制情况下，成像镜组4为成像透镜42的结构示意图；图3(b)是在空间调制情况下，成像镜组4为由一个柱面透镜41及其后的成像透镜42所构成的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
参照图1，静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置，包括沿光传输方向顺序设置的前置光学望远***1、静态全光调制模块2、静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3、成像镜组4、面阵探测器5，信号获取与处理***6。
所述的前置光学望远***1位于整个装置的最前端，包括按顺序设置的前置光学***物镜组11，光阑12和前置光学***像方镜组13；前置光学***物镜组11可以是反射镜组、折反镜组或折射镜组；前置光学望远***1用于采集并准直目标光，同时消除杂散光。
参照图2，所述的光阑12在时空混合调制情况下为一孔径光阑121，在空间调制情况下为一狭缝122。
所述的静态全光调制模块2位于前置光学望远***1的后面，由双折射晶体组21及其后的偏振片或偏振晶体22组成；静态全光调制模块2用于将准直的目标光的四个Stokes矢量光谱调制到不同频率的载波上，使得四个Stokes矢量S0、S1、S2、S3分别具有不同的相位。
所述的静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3包括法线垂直于主光轴的定镜31、分光镜32、法线与入射光轴有夹角的定镜33；静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3位于静态全光调制模块2的后面，用于将前述不同波长的传输光分为两束相干光，实现光谱分光功能，达到高光谱分辨能力。
参照图3，所述的成像镜组4选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜41及其后的成像透镜42，柱面透镜41的焦面位于后续的成像透镜42上，成像透镜42的焦平面位于后续面阵探测器5上；
时空混合调制情况下，为成像透镜42，其焦平面位于后续面阵探测器5上。
成像镜组4用于将静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3出射的光聚焦到面阵探测器5上。
所述面阵探测器5为光电转换器，位于成像镜4的焦平面上，由CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列构成。面阵探测器5用于接收成像镜的出射光，获取目标光的图像、光谱和全部偏振信息，其输出的电信号送入后续信号获取与处理***6。
所述的信号获取与处理***6由可将面阵探测器5接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
本发明的工作原理是：目标源发出的光通过前置光学***1准直后经静态全光调制模块2调制，调制后的传输光经过麦克尔逊(Mechelson)型静态傅立叶变换干涉成像光谱仪3后，出射光变成两束相干光，这两束光经成像镜组4后汇聚于面阵探测器5上成像并发生干涉，面阵探测器5接收到的信号再经信号获取与处理***6处理后即可获得目标的图像、光谱和偏振信息。
附图中：1-前置光学远望***；其中11-前置光学***物镜组；12-光阑，其中121-孔径光阑，为光阑12在时空混合调制***中所采用的形式；122-狭缝，为光阑12在空间调制***中所采用的形式；13-前置光学***像方透镜组；2-静态全光偏振调制模块；21-双折射晶体组；22-偏振片或偏振棱镜；3-静态傅立叶变换干涉成像光谱仪；31-法线垂直于主光轴的定镜M1、32-分光镜PS、33-法线与入射光轴有小夹角的定镜M2；4-成像镜组，其中41-柱面透镜；42-成像透镜，41与42依次连接，构成空间调制***中所采用的透镜组4；42-成像透镜单独构成时空混合调制***中所采用的透镜组4；5-面阵探测器；6-信号获取与处理***。

Claims (4)

1.傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置，其特征在于：包括沿光传输方向顺序设置的前置光学望远***(1)、静态全光调制模块(2)、静态傅立叶变换干涉成像光谱仪(3)、成像镜组(4)、面阵探测器(5)，面阵探测器(5)与信号获取与处理***(6)相连接；所述的前置光学望远***(1)包括按顺序设置的前置光学***物镜组(11)，光阑(12)和前置光学***像方镜组(13)；所述的光阑(12)在时空混合调制情况下为一孔径光阑(121)，在空间调制情况下为一狭缝(122)；所述的静态傅立叶变换干涉成像光谱仪(3)包括法线垂直于主光轴的定镜(31)、分光镜(32)、法线与入射光轴有夹角的定镜(33)；所述的成像镜组(4)选用以下任一方案制成：
空间调制情况下，为一个柱面透镜(41)及其后的成像透镜(42)，柱面透镜(41)的焦面位于后续的成像透镜(42)上，成像透镜(42)的焦平面位于后续面阵探测器(5)上；
时空混合调制情况下，为成像透镜(42)，其焦平面位于后续面阵探测器(5)上；
所述的信号获取与处理***(6)由可将面阵探测器(5)接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机构成，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱和四个Stokes矢量，并显示为伪彩色图片。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的前置光学***物镜组(11)可以是反射镜组、折反镜组或折射镜组。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的静态全光调制模块(2)由双折射晶体(21)及其后的偏振片或偏振晶体(22)组成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述面阵探测器(5)由CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列构成。
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