CN105181141B - 一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪，相关光谱仪包括：依次设置的前置镜、准直镜、起偏器、Savart偏光镜、1/4波片、偏振光栅对、分析器、成像镜、面阵探测器以及数据图像处理***；其中，偏振光栅对使得经过Savart偏光镜后的两束平行光产生了与波数相关的横向剪切量，从而使干涉图产生了外差的特点，降低了干涉图的频率。本发明通过外差技术，使得干涉图的零频对应于光谱图中的σ_min波数，即，使得原始σ_min到σ_max的一段的光谱图移频到0波数附近。这样，如果在保证光谱分辨率不变的情况下，则采样点数会降到N＝2(σ_max‑σ_min)/δσ；而若采样点数保持不变，则光谱分辨率会提高：分辨率变为δσ(σ_max‑σ_min)/σ_max。由此可见，本发明的上述方案可通过较少的干涉图采样点数，实现较高的光谱分辨率。

Description

一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪。

背景技术

傅里叶变换光谱成像技术又称干涉光谱成像技术，其干涉图与被测目标的光谱信息具有傅里叶变换的关系。从干涉图获取方式上来分，干涉光谱成像技术可分为：时间调制型、空间调制型和时空联合调制型三种方式。

(1)时间调制型干涉光谱成像技术中，利用动镜的平动或转动产生不同的光程差。由于具有运动部件，相比于空间调制型干涉光谱成像技术，其稳定性较差，但是通过动镜的运动容易实现较大光程差。

(2)空间调制型干涉光谱成像技术中，***没有运动部件，具有很好的稳定性。空间调制型干涉光谱成像技术主要有两类代表性方案，一类是以变形的Sagnac干涉仪为分束元件，另一类是以双折射晶体为分束元件。

(3)时空联合调制型干涉光谱成像技术结合了时间调制和空间调制的特点，其在某一时刻可以获取某一目标点特定光程差下的干涉信息，通过飞行平台的推扫来获取该点不同光程差下的完整干涉图，随后再进行傅里叶变换获取光谱信息。时空联合调制型干涉光谱成像技术的特点是***中无狭缝，而且是点到点的成像关系，所有能量全部集中到一个点上，其信噪比高于空间调制干涉光谱仪。

在时空联合调制型干涉光谱成像技术中，有一种方案是基于双折射晶体进行分光的偏振干涉光谱成像技术，其原理图如图1所示，主要由前置镜L0、准直镜L1、起偏器P、Savart偏光镜、分析器(检偏器)A、成像镜L2、面阵探测器D以及数据图像处理***组成。被测目标经过***后在探测器上形成叠加了干涉信息的目标图像，经过推扫后得到目标的完整干涉图样，最后经傅里叶变换复原出目标的光谱信息。

然而，上述现有的偏振干涉光谱成像技术中，由于干涉图与被测目标的光谱图具有傅里叶变换的对应关系，干涉图的零频分量对应于被测目标的零波数，干涉图的最大频率对应于被测目标的最大波数σ_max，根据Nyquist采样定理，若仪器给定的光谱分辨率为δσ，则干涉图的采样频率应大于最高频率的二倍，即干涉图采样点数为N＝2σ_max/δσ。当所需要的光谱分辨率较高或者最大波数较大时，要求的采样点数会很多，这必然会对探测器的面阵大小提出更高的要求，同时，采样点数过多也会影响单帧图像的提取速度，影响光谱信息获取的实时性。

发明内容

本发明的目的是提供一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪，可通过较少的干涉图采样点数，实现较高的光谱分辨率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种外差式偏振干涉成像光谱仪，包括：

依次设置的前置镜、准直镜、起偏器、Savart偏光镜、1/4波片、偏振光栅对、分析器、成像镜、面阵探测器以及数据图像处理***；

其中，前置镜用于将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；所述探测器位于成像镜的后焦面上。

所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°。

所述偏振光栅对包括两块平行的具有相同刻线密度和方向的偏振光栅，所述1/4波片输出的两束平行的左旋偏振光与右旋偏振光经过平行的偏振光栅对后产生间距随波长变化的平行光。

一种外差式偏振干涉光谱成像方法，基于前述的外差式偏振干涉成像光谱仪实现光谱成像，成像过程包括：

利用前置镜将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；目标上某一点发出的光经过前置镜和准直镜后变为平行光入射到起偏器上，平行光经过起偏器后变为线偏振光进入Savart偏光镜，线偏振光经Savart偏光镜处理为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光；

之后，这两束线偏振光经过后1/4波片后变为两束旋转方向相反的圆偏振光，并经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距，再经过检偏器后变为两束平行相干光；这两束平行相干光束经过成像镜后在探测器上相干叠加，所述探测器位于成像镜的后焦面上，不同的目标点成像在探测器的不同位置处，最终得到叠加了干涉信息的目标图像，经过数据图像处理***进行数据图像处理，从而复原出目标的光谱信息。

所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°；

线偏振光进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为o光和e光；o光沿原方向传播，e光发生偏折，之后分开的两束光入射到第二块晶体；原o光变为e光产生偏折，再经过Savart偏光镜的后表面偏折后沿平行于入射方向射出；原e光变为o光偏折后沿平行于入射方向射出；从而使得线偏振光经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光。

所述经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距包括：

偏振光栅对记为偏振光栅PG1与偏振光栅PG2；两束圆偏振光分别右旋偏振光和左旋偏振光；

当右旋偏振光和左旋偏振光经过偏振光栅PG1时分别产生+1级衍射和-1级衍射，不同波长的入射光其衍射角不同；

偏振光栅PG2与偏振光栅PG1的刻线密度相同，且刻线方向和刻线平面均与偏振光栅PG1平行，由于这对平行偏振光栅的作用，光线经过偏振光栅PG2衍射后，其出射方向与入射偏振光栅PG1时的方向相同，从而得到间距随波长变化的平行光束。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明方案通过外差技术，使得干涉图的零频对应于光谱图中的最小波数σ_min，即，使得原始σ_min到σ_max的一段的光谱图移频到0波数附近。这样，如果在保证光谱分辨率不变的情况下，则采样点数会降到N＝2(σ_max-σ_min)/δσ。而若采样点数保持不变，则光谱分辨率会提高：分辨率变为δσ(σ_max-σ_min)/σ_max。由此可见，本发明的上述方案可通过较少的干涉图采样点数，实现较高的光谱分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的基于双折射晶体进行分光的偏振干涉光谱成像技术的原理图；

图2为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪推扫示意图；

图4为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪等效光路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪中偏振光栅对引入的横向剪切量示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

图2为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪的结构示意图。如图2所示，其主要包括：

依次设置的前置镜L0、准直镜L1、起偏器P、Savart偏光镜、1/4波片QWP、偏振光栅对(偏振光栅PG1与偏振光栅PG2)、分析器(检偏器)A、成像镜L2、面阵探测器D以及数据图像处理***；

其中，前置镜用于将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；所述探测器位于成像镜的后焦面上。

进一步的，所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

进一步的，所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°。

进一步的，所述偏振光栅对中，偏振光栅PG2与偏振光栅PG1的刻线密度相同，且他们的刻线方向和刻线平面均互相平行。

本发明实施例所提供的上述外差式偏振干涉成像光谱仪的成像过程如下：

目标上某一点发出的光经过L0和L1后变为平行光入射到起偏器P上，光线经过起偏器P后变为线偏振光进入Savart偏光镜；线偏振光进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为寻常光(o光)和非寻常光(e光)，o光沿原方向传播，e光发生偏折，之后分开的两束光入射到第二块晶体，原o光变为e光产生偏折，再经过Savart偏光镜的后表面偏折后沿平行于入射方向射出(oe光)，同理，原e光变为o光偏折后沿平行于入射方向射出(eo光)。因此，光线经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直的平行于入射方向且具有一定间距(横向剪切量)的两束线偏振光。之后，这两束线偏振光经过后1/4波片(QWP)后变为两束旋转方向相反的圆偏振光(右旋偏振光和左旋偏振光)。然后入射到平行偏振光栅对(偏振光栅PG1与偏振光栅PG2)中，右旋偏振光和左旋偏振光经过偏振光栅PG1后分别产生+1级衍射和-1级衍射，不同波长的入射光其衍射角不同，如图2所示，虚线所表示的光线的衍射角大于实线所表示的光线的衍射角。由于这对平行偏振光栅对的作用，光线经过偏振光栅PG2衍射后，其出射方向与入射偏振光栅PG1时的方向相同，即具有一定间距(横向剪切量)的两束光经过偏振光栅对后间距(横向剪切量)产生了变化，且间距(横向剪切量)与波数相关。随后，两束光经过检偏器A后变为平行相干光；两束平行相干光束经过成像镜L2后在探测器D上相干叠加，不同的目标点成像在探测器D的不同位置处，最终得到叠加了干涉信息的目标图像，经过后续数据图像处理后，即可复原出目标的光谱信息。

本发明实施例所提供的外差式偏振干涉成像光谱仪是一种时空联合调制的成像光谱仪，某一被测目标点的完整干涉图需要经过仪器推扫获得，推扫过程如图3所示。该图中以5个探测器像元作为示意(x1～x5)，被测目标点经过5次推扫获得其完整干涉图，分别对应t1时刻的x1，t2时刻的x2，t3时刻的x3，t4时刻的x4，以及t5时刻的x5。

本发明实施例中，***得到的干涉图与两束光的横向剪切量有关，***的等效光路图如图4所示，Savart偏光镜与偏振光栅对将探测目标分为两个虚像，两虚像之间的剪切量与波数相关，不同的目标点成像在探测器的不同位置处。其横向剪切量由两部分组成，一部分是Savart偏光镜引入的横向剪切量，为：

式中，a＝1/n_e，b＝1/n_o，n_o与n_e分别为寻常折射率与非常折射率，θ为入射光线的视场角。通常情况下，视场角是比较小的，此时，sinθ项与其高阶项相对于常数项可以忽略，Savart偏光镜产生的横向剪切量可以近似为：

另一部分为偏振光栅对引入的横向剪切量，该部分剪切量如图5所示，其引入的附加剪切量表达式为：

d_g＝s(tanβ₁+tanβ₂)；

式中，s为光栅对的间距，β₁与β₂分别为右旋偏振光与左旋偏振光经过偏振光栅后的衍射角。衍射角大小由光栅方程决定：

式中，m₁，m₂分别为两条光线的衍射级次，g为光栅刻线密度，α为入射角。将光栅方程带入前述d_g表达式中可以得到：

当入射角较小，且光谱范围不大时，上式可近似为：

式中，p与q由光栅参数决定。***总的横向剪切量为：

可以看到，***的横向剪切量与波数相关。

外差式偏振干涉成像光谱仪中，被测目标经过***后分为两个具有一定横向剪切量虚像，经过成像镜后成像在探测器上，探测器上不同位置处的干涉强度与对应的入射光谱强度关系为：

式中，I(x)为干涉强度，B(σ)为入射光谱强度，f₂为成像镜L2的焦距。将前述d表达式带入上式中，并做变量代换可得到：

式中，σ₀为基准波数，从上式可以看出，干涉图的零频分量不再从0波数开始，而是从基准波数σ₀开始，即具有了外差的特点，该特点使得***可以通过较少的采样点数在基准波数附近获得很高的光谱分辨率。通过对某一目标点的完整干涉图进行傅里叶变换即可复原出其对应的光谱信息。由傅里叶变换性质可知，若x的取样范围为：-L～+L，则对应的光谱分辨率为：

探测器采样点数为N时，由Nyquist采样定理可知，对应的光谱范围为：

本发明的突出特点是在偏振干涉成像光谱仪中加入了一对平行偏振光栅，从而使不同波长的入射光产生了不同的横向剪切量，进而使得***得到的干涉图具有了外差的特点，降低了干涉图的频率。干涉图的零频分量对应于基准波数(通常将基准波数设为***最小波数)，最高频率仍然对应最大波数，即干涉图的所对应的光谱范围为：

Δσ＝σ_max-σ_min；

这样，在采样点数不变的情况下，仪器分辨率可以达到：

而传统的干涉光谱仪中，由Nyquist采样定理可知，干涉图的采样频率需大于干涉图最高频率的两倍，由于干涉图的零频对应于入射光的零波数，干涉图的最高频率对应于入射光的最大波数，干涉图的采样点数为N时，在满足采样定理的情况下，仪器的光谱分辨率为：

显然，与传统的偏振干涉光谱仪相比，本发明实施例提供的外差式偏振干涉成像光谱仪通过降低干涉图的频率，在采样点数不变的情况下，仪器的光谱分辨能力明显提高。

需要说明的是，本发明实施例所述的起偏器、检偏器与Savart偏光镜的放置角度，偏振光栅对之间的距离、偏振光栅对与***光轴之间的夹角、Savart偏光镜的光学材料等参数是可以根据实际情况或者经验进行设定，本发明并不对上述参数进行限定。

另一方面，本发明实施例还提供一种外差式偏振干涉光谱成像方法，其成像过程如下：

利用前置镜将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；目标上某一点发出的光经过前置镜和准直镜后变为平行光入射到起偏器上，平行光经过起偏器后变为线偏振光进入Savart偏光镜，线偏振光经Savart偏光镜处理为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光；

之后，这两束线偏振光经过后1/4波片后变为两束旋转方向相反的圆偏振光，并经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距，再经过检偏器后变为两束平行相干光；这两束平行相干光束经过成像镜后在探测器上相干叠加，所述探测器位于成像镜的后焦面上，不同的目标点成像在探测器的不同位置处，最终得到叠加了干涉信息的目标图像，经过数据图像处理***进行数据图像处理，从而复原出目标的光谱信息。

进一步的，所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

进一步的，所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°；

线偏振光进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为o光和e光；o光沿原方向传播，e光发生偏折，之后分开的两束光入射到第二块晶体；原o光变为e光产生偏折，再经过Savart偏光镜的后表面偏折后沿平行于入射方向射出；原e光变为o光偏折后沿平行于入射方向射出；从而使得线偏振光经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光。

进一步的，所述经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距包括：

偏振光栅对记为偏振光栅PG1与偏振光栅PG2；两束圆偏振光分别右旋偏振光和左旋偏振光；

当右旋偏振光和左旋偏振光经过偏振光栅PG1时分别产生+1级衍射和-1级衍射，不同波长的入射光其衍射角不同；

偏振光栅PG2与偏振光栅PG1的刻线密度相同，且刻线方向和刻线平面均与偏振光栅PG1平行，由于这对平行偏振光栅的作用，光线经过偏振光栅PG2衍射后，其出射方向与入射偏振光栅PG1时的方向相同，从而得到间距随波长变化的平行光束。

需要说明的是，上述成像方法是基于前文所述的外差式偏振干涉成像光谱仪实现，外差式偏振干涉成像光谱仪的各个参数及其功能在前文中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种外差式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，包括：

依次设置的前置镜、准直镜、起偏器、Savart偏光镜、1/4波片、偏振光栅对、检偏器、成像镜、面阵探测器以及数据图像处理***；

其中，前置镜用于将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；所述探测器位于成像镜的后焦面上；偏振光栅对中的两个偏振光栅的刻线密度相同，且他们的刻线方向和刻线平面均互相平行。

2.根据权利要求1所述的一种外差式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

3.根据权利要求1所述的一种外差式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°。

4.根据权利要求1所述的一种外差式偏振干涉成像光谱仪，其特征在于，所述1/4波片输出的两束平行的左旋偏振光与右旋偏振光经过平行的偏振光栅对后产生间距随波长变化的平行光。

5.一种外差式偏振干涉光谱成像方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的外差式偏振干涉成像光谱仪实现光谱成像，成像过程包括：

利用前置镜将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面上；目标上某一点发出的光经过前置镜和准直镜后变为平行光入射到起偏器上，平行光经过起偏器后变为线偏振光进入Savart偏光镜，线偏振光经Savart偏光镜处理为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光；

之后，这两束线偏振光经过后1/4波片后变为两束旋转方向相反的圆偏振光，并经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距，再经过检偏器后变为两束平行相干光；这两束平行相干光束经过成像镜后在探测器上相干叠加，所述探测器位于成像镜的后焦面上，不同的目标点成像在探测器的不同位置处，最终得到叠加了干涉信息的目标图像，经过数据图像处理***进行数据图像处理，从而复原出目标的光谱信息。

6.根据权利要求5所述的一种外差式偏振干涉光谱成像方法，其特征在于，所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。

7.根据权利要求5所述的一种外差式偏振干涉光谱成像方法，其特征在于，所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面内且与X、Z轴正向成45°；第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°；

线偏振光进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为o光和e光；o光沿原方向传播，e光发生偏折，之后分开的两束光入射到第二块晶体；原o光变为e光产生偏折，再经过Savart偏光镜的后表面偏折后沿平行于入射方向射出；原e光变为o光偏折后沿平行于入射方向射出；从而使得线偏振光经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光。

8.根据权利要求5所述的一种外差式偏振干涉光谱成像方法，其特征在于，所述经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距包括：

偏振光栅对记为偏振光栅PG1与偏振光栅PG2；两束圆偏振光分别为右旋偏振光和左旋偏振光；

当右旋偏振光和左旋偏振光经过偏振光栅PG1时分别产生+1级衍射和-1级衍射，不同波长的入射光其衍射角不同；

偏振光栅PG2与偏振光栅PG1的刻线密度相同，且刻线方向和刻线平面均与偏振光栅PG1平行，由于这对平行偏振光栅的作用，光线经过偏振光栅PG2衍射后，其出射方向与入射偏振光栅PG1时的方向相同，从而得到间距随波长变化的平行光束。