CN102589702B - 一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光谱测量技术领域，公开了一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪。它包括光学结构、二维探测器和数据采集***，所述的光学结构包括前置望远镜、入射狭缝和菲涅尔双面镜；所述菲涅尔双面镜包括平面反射镜M1和平面反射镜M2。本发明的成像光谱仪，在结构上，从入射狭缝到二维探测器之间仅有一个光学元件（菲涅尔双面镜），这使得仪器结构大为简化；另外，由于本发明在光路结构中采用菲涅尔双面镜，菲涅尔双面镜表面反射率高，入射光能损失低。

Description

一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，更具体地说，涉及一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪。

背景技术

干涉成像光谱仪是上世纪八十年代末发展起来的新型遥感器，较之色散型成像光谱仪，它具有光通量大、通道多及信噪比高等特点，适于对可见和红外弱辐射的探测。时间调制型干涉成像光谱仪存在动镜扫描机构，不适应快速变化光谱的测量，而空间调制型干涉成像光谱仪因实时性好、性能稳定、抗震动能力强等特点，受到高度重视。

从分光光路看，空间调制型干涉成像光谱仪主要有迈克尔逊型、双折射型及三角共路(Sagnac)型。具体讨论如下。

专利名称：空间调制干涉型计算层析成像光谱仪，专利号CN200510130308.9，申请日：2005-12-09，属于空间调制迈克尔逊型干涉成像光谱仪。其主要组成结构为前置望远***、旋转投影器、干涉光学***、二维焦平面探测器和数据采集处理***。其不足之处在于，前置光学成像***到探测器之间，有一个分束器、两块平面镜及一个透镜；其入射能量有近二分之一在第二次经过分束器BS时从左边出射而未能进入到探测器。

专利名称：静态双折射偏振干涉成像光谱仪，专利号CN200710017517.1，申请日2007-03-16，属于双折射型干涉成像光谱仪，由沿入射光方向同轴依次设置的前置望远***、偏振干涉仪、成像镜组、面阵探测器以及与面阵探测器输出端联接的计算机信号处理***组成。其不足之处在于，从入射狭缝到探测器之间，有2个偏光镜，2个格兰泰勒偏光棱镜；其入射能量有近二分之一未能通过起偏器，格兰泰勒偏光棱镜后的o光与e光在经过检偏器时能量再次受到损失。

专利名称：红外静止型高光通量傅立叶变换成像光谱仪，专利号CN200510110243.1，申请日：2005-11-10，属于三角共路型干涉成像光谱仪，它采用三角式光路的像面干涉仪来实现***的分光，采用面阵探测器件和对地面的推扫完成对地物的成像光谱探测。其不足在于，从入射狭缝到探测器之间，有一块Sagnac棱镜、两个透镜；其入射能量在进入探测器前，有三次需经过Sagnac棱镜的分束面，其中第二次、第三次有近一半的光能损失。

专利名称：采用菲涅尔双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪，专利号CN200510055609.X，申请日：2005-03-21，提出了一种新的类型：菲涅尔双面镜型。该***由光学结构、焦平面探测器及信号采集处理***组成。光学结构包括反射式前置望远镜、狭缝、反射式准直镜、菲涅尔双面反射镜及反射式柱面镜等部分。其从入射狭缝到探测器之间，有一个反射式准直镜、一个菲涅尔双面镜和一个反射式柱面镜，其不足在于，结构比较复杂。

上述讨论表明：这些空间调制型干涉成像光谱仪包括菲涅尔双面镜型成像光谱仪均存在光路结构较复杂的问题，这一方面增加了光学设计的难度和遥感器的重量，也不同程度地增加了光能的损耗。

发明内容

1.本发明要解决的问题

针对现有技术中空间调制型干涉成像光谱仪包括菲涅尔双面镜型成像光谱仪光路结构复杂的问题，本发明提供了一种光路结构简化，且从入射狭缝到探测器之间只有一块菲涅尔（Fresnel）双面镜干涉成像的光谱仪。

2.技术方案

本发明的目的是通过如下途径实现的：

一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，它包括光学结构、二维探测器和数据采集***，所述的光学结构包括前置望远镜、入射狭缝和菲涅尔双面镜；所述菲涅尔双面镜包括平面反射镜M1和平面反射镜M2。

在前置望远镜至二维探测器的光路上，依次排列安装有前置望远镜、入射狭缝、菲涅尔双面镜和二维探测器；所述入射狭缝位于前置望远镜的焦平面上；垂直于入射狭缝方向的从入射狭缝出射的光束全部落在菲涅尔双面镜上，菲涅尔双面镜的两个平面反射镜的交接线位于垂直于入射狭缝方向的从入射狭缝出射的光束的正中间。

二维探测器与入射狭缝的方向平行、并与两路反射光相干区域内零光程差所在平面垂直，且所述二维探测器只对两路反射光相干区域内零光程差所在平面的上方或下方的干涉图进行检测；所述二维探测器与数据采集***连接；所述二维探测器采用如下公式对一维狭缝的像进行测量，获得一维目标物点x对应的像：

$I\left(x\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}P\left(v\right)$

上式中，物点x发出的各个波长上光波的光强的总和等于物点x发出的总光强，记为I(x)，P(v)为一维狭缝某物点x的光谱。

优选地，入射狭缝处S点经菲涅尔双面镜所成的虚像为S1点和S2点，所述二维探测器所在位置与S1点和S2点连线的中垂线垂直。

优选地，所述平面反射镜M1和平面反射镜M2之间的夹角θ的范围为0.1°<θ≤5°。

前置望远镜将远距离线状目标成像于入射狭缝上，从入射狭缝出射的光，经菲涅尔双面镜反射后，形成入射狭缝的两个虚像S1、S2，两路反射光在相遇处的相干区域内发生干涉，在垂直入射狭缝的方向上，产生狭缝上对应物点的干涉图，干涉图上下对称，干涉图上方（或下方）的数据由二维探测器检测，通过数据采集***进行数据处理，获得狭缝上对应像元的光谱和像；一维狭缝的像非由成像透镜产生，而是由经二维探测器检测的干涉图数据，通过数据处理技术获得；二维探测器仅对干涉图上方（或下方）数据进行测量，干涉图下方（或上方）的数据利用干涉图数据上下对称的原理获得。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明的成像光谱仪，在结构上，从入射狭缝到二维探测器之间仅有一个光学元件（菲涅尔双面镜），这使得仪器结构大为简化；

（2）本发明的成像光谱仪在光路结构中采用菲涅尔双面镜，菲涅尔双面镜表面反射率高，入射光能损失低；

（3）不同于现有技术，本发明的成像光谱仪，一维狭缝的像非由成像透镜产生，这省去了成像透镜，减小了干涉成像光谱仪的重量；本发明仅对干涉图上方（或下方）数据进行测量，干涉图下方（或上方）的数据利用干涉图数据的上下对称的原理获得，提高了探测器的利用率，探测器可测量的相干区有效数据的长度增加近一倍，仪器的线型函数得到调整，干涉条纹测量的空间分辨率得到提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理示意图。

图中：1-前置望远镜；2-入射狭缝；3-菲涅尔双面镜；4-二维探测器；5-数据采集***。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步介绍。

如图1所示，一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，它包括光学结构、二维探测器4和数据采集***5，所述的光学结构包括前置望远镜1、入射狭缝2和菲涅尔双面镜3。所述菲涅尔双面镜3包括平面反射镜M1和平面反射镜M2。

在前置望远镜1至二维探测器4的光路上，依次排列安装有前置望远镜1、入射狭缝2、菲涅尔双面镜3和二维探测器4；所述入射狭缝2位于前置望远镜1的焦平面上；垂直于入射狭缝2方向的从入射狭缝2出射的光束全部落在菲涅尔双面镜3上，菲涅尔双面镜3的两个平面反射镜的交接线位于垂直于入射狭缝2方向的从入射狭缝2出射的光束的正中间；二维探测器4与入射狭缝2的方向平行、并与两路反射光相干区域内零光程差所在平面垂直，且所述二维探测器4只对两路反射光相干区域内零光程差所在平面的上方或下方的干涉图进行检测；所述二维探测器4与数据采集***5连接。

入射狭缝2处S点在菲涅尔双面镜3内所成的虚像为S1点和S2点，所述二维探测器4所在位置与S1点和S2点连线的中垂线垂直。所述平面反射镜M1和平面反射镜M2的夹角θ的范围为0.1°<θ≤5°。

图2为本发明的原理示意图。图2中的O为平面反射镜M1与M2的交点位置，S为入射狭缝2的位置，S1和S2为S点经平面反射镜M1与M2所成的虚像，F点为相干区域内、靠近入射狭缝2一侧、可分辨干涉条纹所对应的最大光程差所在的双曲线轨迹与二维探测器4光敏元靠近上边位置的交点，二维探测器4与两虚像S1、S2连线的垂直平分线垂直，E点为二维探测器4和两虚像S1、S2连线的垂直平分线的交点，C点为相干区域内、远离入射狭缝2一侧、可分辨干涉条纹所对应的最大光程差所在的双曲线轨迹与FE连线的交点，A点为虚像S1与F点连线和平面反射镜M1的交点，B点为虚像S2与C点连线和平面反射镜M2的交点。对于到达二维探测器4表面同一点F的两相干光波SAF、SOF，可用复数形式表示为：

y1=a₁·e^{i2π(ωt+φ1)}

y2=a₂·e^{i2π(ωt+φ2)}

a₁和a₂分别为两相干光波SAF和SOF的振幅，i为虚数单位，ω=f·2π，f为光波的频率，φ₁和φ₂分别为两相干光波SAF和SOF的初位相。

F点的合振动y为：y=y1+y2=a₁·e^{i2π(ωt+φ1)}+a₂·e^{i2π(ωt+φ2)}

F点的光强I为：

$I=y\&CenterDot;y^{*}=(a_1\&CenterDot;e^{i2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&phi;}1)}+a_2\&CenterDot;e^{i2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&phi;}2)})\&CenterDot;(a_1\&CenterDot;e^{-i2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&phi;}1)}+a_2\&CenterDot;e^{-i2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&phi;}2)})$ $=a_1^2+a_2^2+{2a}_1{a}_2\cos (\mathrm{\&phi;}2-\mathrm{\&phi;}1)$

记其中Δ为到达二维探测器4表面同一点F的两相干光波SAF、SOF的光程差，v为波数。

菲涅尔双面镜两表面的反射率相等，调整菲涅尔双面镜可使得SO为∠ASB的平分线，可认为a₁=a₂,亦即：

I=2a₁ ²+2a₁ ²cos(φ2-φ1)=P+Pcos(φ2-φ1)=P+Pcos(2πvΔ)

其中P=2a₁ ²。

在探测器表面的不同位置，两相干光波有不同的光程差Δ，在探测器表面的不同位置的光强I(Δ)可表示为：I(Δ)=P+Pcos(2πvΔ),滤去直流分量可得：

I(Δ)=Pcos(2πvΔ)   （1）

考虑到物点非单色光情况，各波长光波的光强为P(v),则（1）式为：

$I\left(\mathrm{\&Delta;}\right)={\&Integral;}_n^{\&infin;}P\left(v\right)\cos \left(2\mathrm{\&pi;v\&Delta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{dv}---\left(2\right)$

把P（v)在(0，-∞)对v偶拓展，（2）式可表示为：

$I\left(\mathrm{\&Delta;}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}P\left(v\right)\exp \left(i2\mathrm{\&pi;v\&Delta;}\right)\&CenterDot;\mathrm{dv}---\left(3\right)$

（3）式表明：P(v)为I(Δ)的傅立叶变换，通过对二维探测器4上垂直狭缝方向的干涉图的傅立叶变换，可以得到狭缝上对应目标点的各波长光波的光强P(v)（即光谱）。

图2中，记O点到S1与S2连线的距离为r，O点到二维探测器4的垂直距离为L，S1与S2之间距离为T，二维探测器4上F点离OE的垂直距离为l，根据分波阵面法杨氏双狭缝干涉原理，在L远大于T，且L远大于l的情况下，S1与S2到二维探测器4上F点的两光束的光程差△与l是线性关系（干涉条纹等间隔）：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{l}{L+r}\&CenterDot;T---\left(4\right)$

由傅立叶变换的空间不变性可知，傅立叶变换后频域空间的刻度也是线性的，由此可实现对光谱定标。

（2）式中，P(v)为一维狭缝某物点x的光谱。根据能量守恒定律，物点x发出的各个波长上光波的光强的总和，应等于物点x发出的总光强，记为I(x)即有：

$I\left(x\right)=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(v\right)---\left(5\right)$

（5）式为一维目标物点对应的像，本发明基于（5）式获得一维目标物点对应的像。

实施例

如图1所示，本发明的一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，包括前置望远镜1、入射狭缝2、菲涅尔双面镜3、二维探测器4和数据采集***5，所述菲涅尔双面镜3包括平面反射镜M1和M2。

前置望远镜1采用离轴抛物面反射镜，焦距300mm，有效口径60mm，离轴距离30mm；入射狭缝2位于前置望远镜1的焦平面上焦点附近，入射狭缝2的宽度为0.1mm；菲涅尔双面镜3位于入射狭缝2的另一侧，垂直于入射狭缝2方向的从入射狭缝2出射的光束全部落在菲涅尔双面镜3上，菲涅尔双面镜3的交接点位于垂直于入射狭缝2方向的从入射狭缝2出射的光束的正中间，菲涅尔双面镜3的交角为θ的取值为0.5°；二维探测器4与入射狭缝2平行、与两路反射光相干区域内零光程差所在平面垂直，二维探测器4对两路反射光相干区域内零光程差所在平面的上方（靠近狭缝一侧）的干涉图进行检测；二维探测器4的光敏元靠近上边的位置与相干区域内、靠近狭缝一侧、可分辨干涉条纹所对应的最大光程差所在的双曲线轨迹相交，二维探测器4的光敏元靠近下边的位置与零光程差所对应的平面相交；干涉图上下对称，干涉图下方的数据利用干涉图数据上下对称的原理获得，通过数据采集***5进行数据处理，获得狭缝上对应像元的光谱和像，二维探测器4采用1024×255像素面阵CCD，光谱响应范围0.4-1.0μm，光敏元尺寸9μm；数据采集***5为8位量化精度的图像采集卡，通过PCI总线与计算机相连。采用激光平行光管（口径50mm，激光波长：650nm、635nm、532nm，功率1mw）进行成像光谱检测，对本发明装置***谱线位置进行标定，标定完成后，对0.4-1.0μm波长范围的远距离线状目标进行成像光谱检测。

Claims (3)

1.一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，其特征在于，它包括光学结构、二维探测器（4）和数据采集***（5），所述的光学结构包括前置望远镜（1）、入射狭缝（2）和菲涅尔双面镜（3）；

所述菲涅尔双面镜（3）包括平面反射镜M1和平面反射镜M2；

在前置望远镜（1）至二维探测器（4）的光路上，依次排列安装有前置望远镜（1）、入射狭缝（2）、菲涅尔双面镜（3）和二维探测器（4）；所述入射狭缝（2）位于前置望远镜（1）的焦平面上；垂直于入射狭缝（2）方向的从入射狭缝（2）出射的光束全部落在菲涅尔双面镜（3）上，菲涅尔双面镜（3）的两个平面反射镜的交接线位于所述垂直于入射狭缝（2）方向的从入射狭缝（2）出射的光束的正中间；

二维探测器（4）与入射狭缝（2）的方向平行、并与两路反射光相干区域内零光程差所在的平面垂直，且所述二维探测器（4）只对两路反射光相干区域内零光程差所在平面的上方或下方的干涉图进行检测；

所述二维探测器（4）与数据采集***（5）连接；所述二维探测器（4）采用如下公式对一维狭缝的像进行测量，获得一维目标物点x对应的像：

$I\left(x\right)=\underset{0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(v\right)$

上式中，物点x发出的各个波长上光波的光强的总和等于物点x发出的总光强，记为I(x)，P(ν)为一维狭缝某物点x的光谱。

2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，其特征在于，入射狭缝（2）处S点经菲涅尔双面镜（3）所成的虚像为S1点和S2点，所述二维探测器（4）所在位置与S1点和S2点连线的中垂线垂直。

3.根据权利要求1或2所述的一种菲涅尔双面镜干涉成像光谱仪，其特征在于，所述平面反射镜M1和平面反射镜M2之间的夹角θ的范围为0.1°<θ≤5°。

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