CN103063304A - 色散剪切像面干涉超光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种色散剪切像面干涉超光谱成像装置及方法，该装置包括沿光路方向依次放置的前置光学***、Sagnac色散剪切分束***、成像***和信号处理***。来自目标各点的入射光进入前置光学***，确定目标视场，消除杂散光并形成准直光束；进入Sagnac色散剪切分束***被横向剪切一分为二，形成剪切距离随波数变化的两束光；进入成像***，在成像物镜后焦面处的探测器靶面上得到携带有干涉信息的目标图像；推扫探测目标以获取目标各点不同光程差下的干涉信息；信号处理***对干涉信息进行傅里叶变换获取目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息；该方法具有超光谱分辨率、高光通量、高目标分辨率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学目标探测方法，特别是一种色散剪切像面干涉超光谱成像装置及方法。
背景技术
成像光谱技术采用辐射成像技术和光谱测量技术相结合方法，能够获得目标的二维空间辐射光强信息和目标各点的光谱信息。其中干涉成像光谱技术是上世纪80年代发展起来的新型探测技术，利用干涉信息与光谱信息之间存在的傅里叶变换关系来计算目标的光谱信息，并且获取目标的二维空间信息。
干涉成像光谱技术与色散型成像光谱技术相比，具有高光通量、高目标分辨率等优点，具有广阔的应用前景，在工业、农业、军事侦察、大气探测等领域具有重要的应用价值。现有干涉成像光谱技术光谱分辨率受获取干涉光程差影响，光程差越大光谱分辨率越高。受探测器信噪比、靶面大小等因素的影响，现有干涉成像光谱技术获取的干涉光程差有限，其光谱分辨率最高也只能达到纳米量级，很难实现亚纳米成像光谱探测。无法满足超光谱分辨率的应用要求。
现有超光谱成像技术根据分光方式主要分为色散型和干涉型。色散型方案中需要采用狭缝进行推扫成像，狭缝的使用使得空间分辨率和光通量之间存在制约关系。为了获得高空间分辨率，通常需要减小狭缝的宽度，结果导致光通量的极大损失。对于弱辐射目标，特别是天文目标的光谱探测，将增加探测器响应灵敏度的负担。
干涉型超光谱成像技术分为空间调制型和空间外差型。现有空间调制型干涉超光谱技术主要有两种，一种方法是采用空间外差光谱技术，另一种方法是通过在共光路干涉光路中增加色散棱镜来实现。其中，空间外差干涉光谱方法由Harlander等人提出，目前已应用于天文探测领域，具有亚纳米级光谱分辨能力。空间外差光谱技术通过在光路中加入视场展宽棱镜可以有效扩大观测视场，并且可以实现全反射型光路，适用于紫外波段和红外光谱的探测。但是现有空间外差光谱技术假定探测目标具有均匀统一的光谱分布，因此主要用于点目标成像探测。此外，空间外差干涉光谱技术难以采用共光路干涉形式，并且入射到衍射光栅的光束要求为严格的准直光，因此该方法对***光学元件的精度要求较高，对干扰源较为敏感。而且，该方法获取的光谱信息存在重叠，需要复杂的方法来区分探测中心波数前后的光谱信息。在共光路干涉光路中增加色散棱镜来提高光谱分辨率的方法，由Okamoto等人首次提出，后来由Meigs等人进行了优化。通过选取合适的材料以及不同厚度的色散棱镜，可以提高探测波段内的光谱分辨率。但该方法用于成像探测存在以下几个问题：(1)受棱镜色散特性的限制，所获取的光谱信息中，长波段处的光谱分辨率要远远小于短波段处的光谱分辨率，因此对探测波段具有选择性；(2)该方法只能通过改变色散棱镜的材料和厚度两种方式来提高光谱分辨率，因此在实际应用中可能出现选不出合适的材料，或者可能需要很大体积的色散棱镜才能达到预期的光谱分辨率的情况；(3)由于色散棱镜的引入会影响仪器的成像质量，因此需要设计复杂的成像物镜光学结构来校正成像质量的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高目标分辨率、高通量的色散剪切像面干涉超光谱成像装置及方法，该方法可以实现目标亚纳米量级的超分辨率光谱成像探测。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种色散剪切像面干涉超光谱成像装置，包括沿光路方向依次放置的前置光学***1、Sagnac色散剪切分束***2、成像***3和信号处理***4；其中，前置光学***1包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜11和准直物镜12，前置成像物镜11的像面和准直物镜12的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束***2包括共光轴顺时针依次设置的分束器21、第一衍射光栅24、第一高反镜22、第二高反镜23、第二衍射光栅25；成像***3包括沿光路方向依次设置的成像物镜31、探测器32，其中探测器32的靶面位于成像物镜31的后焦面上；信号处理***4与探测器32相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置，其中Sagnac色散剪切分束***2内光路走向如下：前置光学***1形成的准直光束经过分束器21后形成第一反射光和第一透射光两支：第一反射光首先入射到第一衍射光栅24，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第一高反镜22和第二高反镜23，入射到第二衍射光栅25，发散光束经过第二衍射光栅25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光两支，其中第二反射光进入成像***3；第一透射光首先入射到第二衍射光栅25，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第二高反镜23和第一高反镜22，入射到第一衍射光栅24，发散光束经过第一衍射光栅24后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光两支，其中第三透射光束进入成像***3。
本发明基于色散剪切像面干涉超光谱成像装置的成像方法，包括以下步骤：
第一步，来自目标各点的入射光进入前置光学***1，确定目标视场，消除杂散光并形成准直光束；
第二步，形成的准直光束进入Sagnac色散剪切分束***2的分束器21，被横向剪切一分为二，形成剪切距离随波数变化的两束光；
第三步，被Sagnac色散剪切分束***2剪切开的两束光进入成像***3的成像物镜31，在成像物镜31后焦面处的探测器32靶面上得到携带有干涉信息的目标图像；推扫目标，改变剪切开的两束光通过成像物镜31到达探测器32的光程差范围，在探测器32的靶面上产生与变化光程差范围对应的携带有干涉信息的目标图像，并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理***4；
第四步，信号处理***4从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据进行傅里叶变换，得到复原的目标图像，从而得到目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制，方法简单实用；
(2)具有高目标分辨率、高通量的优点；
(3)能够提高干涉成像光谱技术的光谱分辨率，实现亚纳米量级分辨率的光谱成像探测。
附图说明
附图为本发明色散剪切像面干涉超光谱成像光路结构示意图。
其中：1前置光学***：11前置成像物镜，12准直物镜；2Sagnac色散剪切分束***：21分束器，22第一高反镜，23第二高反镜，24第一衍射光栅，25第二衍射光栅；3成像***：31成像物镜，32探测器；4信号处理***。
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说明。
结合图1，本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置，包括沿光路方向依次放置的前置光学***1、Sagnac色散剪切分束***2、成像***3和信号处理***4；其中，前置光学***1包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜11和准直物镜12，前置成像物镜11的像面和准直物镜12的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束***2包括共光轴顺时针依次设置的分束器21、第一衍射光栅24、第一高反镜22、第二高反镜23、第二衍射光栅25，其中第一衍射光栅24和第二衍射光栅25规格相同，并沿垂直于Sagnac色散剪切分束***2中的光轴放置；成像***3包括沿光路方向依次设置的成像物镜31、探测器32，其中探测器32的靶面位于成像物镜31的后焦面上；信号处理***4与探测器32相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置，其中Sagnac色散剪切分束***2内光路走向如下：前置光学***1形成的准直光束经过分束器21后形成第一反射光和第一透射光两支：第一反射光首先入射到第一衍射光栅24，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第一高反镜22和第二高反镜23，入射到第二衍射光栅25，发散光束经过第二衍射光栅25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光两支，其中第二反射光进入成像***3的成像物镜31；第一透射光首先入射到第二衍射光栅25，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第二高反镜23和第一高反镜22，入射到第一衍射光栅24，发散光束经过第一衍射光栅24后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光两支，其中第三透射光束进入成像***3的成像物镜31。
本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置的成像方法，步骤如下：
第一步，来自目标各点的入射光进入前置光学***1，确定目标视场，消除杂散光并形成准直光束；
第二步，形成的准直光束进入Sagnac色散剪切分束***2的分束器21，被横向剪切一分为二，形成剪切距离随波数变化的两束光；
第三步，被Sagnac色散剪切分束***2剪切开的两束光进入成像***3的成像物镜31，在成像物镜31后焦面处的探测器32靶面上得到携带有干涉信息的目标图像；推扫目标，改变剪切开的两束光通过成像物镜31到达探测器32的光程差范围，在探测器32的靶面上产生与变化光程差范围对应的携带有干涉信息的目标图像，并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理***4；
第四步，信号处理***4从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据进行傅里叶变换，得到复原的目标图像，从而得到目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置探测步骤为：
(1)探测目标发射或者反射的光通过前置成像物镜11成像在其像面上，消除杂散光，随后经过准直物镜12，形成准直光束，以准直光束形式进入Sagnac色散剪切分束***2；
(2)前置光学***1形成的准直光束经过分束器21后形成第一反射光和第一透射光两支：第一反射光首先入射到第一衍射光栅24，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，满足光栅方程：
d(sini+sinθ)＝m/σ
式中，d为光栅常数，i为光栅入射角，θ为出射角，即发散角，m为衍射级次，σ为波数；
随后经过第一高反镜22和第二高反镜23，入射到第二衍射光栅25，发散光束经过第二衍射光栅25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光两支，其中第二反射光进入成像***3；第一透射光首先入射到第二衍射光栅25，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第二高反镜23和第一高反镜22，入射到第一衍射光栅24，发散光束经过第一衍射光栅24后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光两支，其中第三透射光束进入成像***3。
(3)从分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量即水平剪切距离随波数变换，进而引入随波数变换的光程差信息，随后光束经过成像物镜31汇聚到成像物镜31的后焦面处的探测器32的靶面上，通过电控旋转平台进行旋转Sagnac色散横向剪切分束器2或者旋转整套***对被测目标进行推扫可以获取目标各点不同光程差下的携带有干涉信息的目标干涉图像，并转化成电信号进入信号处理***4；信号处理***4为装有信号处理软件的计算机；
(4)信号处理***4提取各物点不同光程差下的干涉数据，进行傅里叶变换可以获取目标各点超分辨率的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
本发明色散剪切像面干涉超光谱成像装置探测器之前器件为全光器件，无声光、电光调制，方法简单实用；具有高目标分辨率、高通量的优点；能够提高干涉成像光谱技术的光谱分辨率，实现亚纳米量级分辨率的光谱成像探测。
Claims (3)
1.一种色散剪切像面干涉超光谱成像装置，其特征在于包括沿光路方向依次放置的前置光学***(1)、Sagnac色散剪切分束***(2)、成像***(3)和信号处理***(4)；其中，前置光学***(1)包括沿光路方向依次设置的前置成像物镜(11)和准直物镜(12)，前置成像物镜(11)的像面和准直物镜(12)的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束***(2)包括共光轴顺时针依次设置的分束器(21)、第一衍射光栅(24)、第一高反镜(22)、第二高反镜(23)、第二衍射光栅(25)；成像***(3)包括沿光路方向依次设置的成像物镜(31)、探测器(32)，其中探测器(32)的靶面位于成像物镜(31)的后焦面上；信号处理***(4)与探测器(32)相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
2.根据权利要求1所述的色散剪切像面干涉超光谱成像装置，其特征在于Sagnac色散剪切分束***(2)内光路走向如下：前置光学***(1)形成的准直光束经过分束器(21)后形成第一反射光和第一透射光两支：第一反射光首先入射到第一衍射光栅(24)，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第一高反镜(22)和第二高反镜(23)，入射到第二衍射光栅(25)，发散光束经过第二衍射光栅(25)后，形成平行光束，入射到分束器(21)，形成第二反射光和第二透射光两支，其中第二反射光进入成像***(3)；第一透射光首先入射到第二衍射光栅(25)，发生衍射，出射光束形成发散光，发散角度随波数变化，随后经过第二高反镜(23)和第一高反镜(22)，入射到第一衍射光栅(24)，发散光束经过第一衍射光栅(24)后，形成平行光束，入射到分束器(21)，形成第三反射光和第三透射光两支，其中第三透射光束进入成像***(3)。
3.一种基于权利要求1所述色散剪切像面干涉超光谱成像装置的成像方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，来自目标各点的入射光进入前置光学***(1)，确定目标视场，消除杂散光并形成准直光束；
第二步，形成的准直光束进入Sagnac色散剪切分束***(2)的分束器(21)，被横向剪切一分为二，形成剪切距离随波数变化的两束光；
第三步，被Sagnac色散剪切分束***(2)剪切开的两束光进入成像***(3)的成像物镜(31)，在成像物镜(31)后焦面处的探测器(32)靶面上得到携带有干涉信息的目标图像；推扫目标，改变剪切开的两束光通过成像物镜(31)到达探测器(32)的光程差范围，在探测器(32)的靶面上产生与变化光程差范围对应的携带有干涉信息的目标图像，并将携带有干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理***(4)；
第四步，信号处理***(4)从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，对干涉数据进行傅里叶变换，得到复原的目标图像，从而得到目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
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