CN114858278A - 一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法。本装置包括三角形共光路干涉仪，三角形共光路干涉仪为非对称结构且设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，本装置工作于凝视观测模式。本发明既能保留传统时空联合调制干涉光谱成像技术在共光路和大孔径方面的优势，又能获取高光谱分辨率，本发明具有高稳定、高通量、高信噪比等优点。

Description

一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法。

背景技术

干涉光谱(成像)技术基于干涉型分光技术原理，是光学检测技术与光谱(成像)技术中的一种重要的技术类型。已出现的干涉光谱(成像)技术主要有三种：基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型(动态)、基于横向剪切干涉仪的空间调制型(静态)、基于横向剪切干涉仪的时空联合调制型(静态)。以这些技术为基础相继出现了多种干涉光谱(成像)仪，但是他们往往又各自存在缺陷。时间调制型干涉光谱(成像)仪通过迈克尔逊干涉仪中动镜的运动产生变化的光程差，对获取的不同光程差处的干涉条纹进行傅里叶变换得到光谱信息。这种技术光通量高、信噪比高，特别是光谱分辨率可以依靠动镜的直线运动产生很大的光程差而做到很高，可远远超过目前任何其他种光谱探测技术，但是因为动镜运动中的速度和姿态控制对干涉仪的校准精度要求很高，因而光机稳定度较差，难以应用于运动平台如车载、机载、船载、移动机器人、星载等模式。时间调制型干涉光谱(成像)仪皆工作于凝视观测模式，即需要仪器内部动镜的扫描积分获取不同时刻下的干涉图。空间调制型依赖于共光路的横向剪切干涉仪，稳定性高、实时性好、结构简单，但是光谱分辨率受探测器单元数和尺寸的限制而分辨率较低。时空联合调制型结构与空间调制型类似，稳定性高，探测灵敏度可高于空间调制干涉光谱仪和色散型光谱仪，但对平台的稳定性要求很高，而且光谱分辨率同空间调制式相似而较低。空间调制和时空联合调制型工作于线扫描或者窗扫描模式。

大孔径静态干涉光谱(成像)仪是时空联合调制干涉光谱(成像)仪的主要形式，采用了基于Sagnac三角横向剪切干涉仪的共光路分光技术，由于无狭缝而孔径大，同时由于干涉仪内无动镜而为“静态”；它依赖平台的扫描视场运动而获得同一目标在不同视场对应下的不同光程差。然而，光谱分辨率较低限制了这种光谱仪的应用。如何实现既保留传统时空联合调制干涉光谱(成像)技术在共光路和大孔径方面的优势，又获取高光谱分辨率是本领域需要解决的一个问题。

发明内容

本发明通过提供一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法，解决现有技术中大孔径干涉光谱成像装置及方法无法既保留时空联合调制干涉光谱(成像)技术的优势，又获取高光谱分辨率的问题。

本发明提供一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，包括：三角形共光路干涉仪，所述三角形共光路干涉仪为非对称结构，所述三角形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

优选的，所述三角形共光路干涉仪包括分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差；目标光以平行光进入所述三角形共光路干涉仪，所述分束器将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过所述第一平面反射镜、所述第一光程调节组件、所述第二平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜、所述第二光程调节组件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射。

优选的，所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜；作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

优选的，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件采用第一棱镜，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件采用第二棱镜，光束通过所述第一棱镜或所述第二棱镜的后的出射面均与入射面平行；所述第一棱镜在所述电机的驱动下旋转，所述电机的转动轴垂直于光束的传播方向；所述第二棱镜的姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，用于补偿零位色散效应且增加过零光程差位置。

优选的，所述第一棱镜由棱镜对组成，所述棱镜对中的两个棱镜旋转方向相反。

优选的，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜；所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。

优选的，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置还包括：会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至所述探测采集模块上；所述探测采集模块用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息；所述信号处理模块用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

优选的，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置还包括：前置组件；所述前置组件包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜；目标光经所述前置组件后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪。

另一方面，本发明提供一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法，采用上述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在三角形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

优选的，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过第一平面反射镜、第一光程调节组件、第二平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜、第二光程调节组件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置包括三角形共光路干涉仪，三角形共光路干涉仪为非对称结构且设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。本发明采用了基于Sagnac三角横向剪切干涉仪的共光路分光技术，由于无狭缝而具有大孔径的特点，由于基于共光路技术而具有高稳定度的特点，同时由于干涉仪内设置有动镜扫描机构，通过动镜扫描机构的运动可以产生随时间变化的光程差，进而能够实现高光谱分辨率。

本发明首次提出将共光路与时间调制干涉光谱(成像)技术相结合，具有重要意义。本发明既能克服稳定性差的问题，具有高稳定、抗干扰能力强的优势，同时又能保持高通量、高信噪比、低杂散光等优势。即本发明既能保留时空联合调制干涉光谱(成像)技术的优势，又能获取高光谱分辨率。

传统共光路型干涉仪由于干涉仪两臂的光程始终是固定或者相同的，造成了两臂之间光程差是固定的，从而无法实现时间调制工作模式。本发明通过在共光路干涉仪中设置至少一个“动态”的光程调节组件作为动镜，通过动镜在不同时刻的运动产生不同的光程差，进而可以获得时间积分干涉图，从而反演出目标的光谱信息，本发明可实现时间调制型干涉光谱(成像)仪工作模式，本发明的工作模式突破了以往共光路干涉仪对光谱信息获取的限制能力。

此外，传统时间调制干涉光谱(成像)仪由于要实现变化的光程差而获取不同时刻的干涉图，其核心干涉仪部件的两个臂是相对独立的，也即为非共光路的干涉仪。非共光路与共光路两种干涉仪为不同类型的干涉仪，本发明采用共光路干涉仪核心部件，突破了传统非共光路干涉仪的限制，实现了基于共光路干涉仪的时间调制干涉光谱(成像)技术。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置实现干涉分光的光学原理图；

图2为本发明实施例2提供的一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置实现干涉分光的光学原理图；

图3为本发明实施例3提供的一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置的示意图。

其中，1-入射光束、2-分束器、3-第一平面反射镜、4-第二平面反射镜、5-第一光程调节器件、6-第二光程调节器件、7-电机、8-前置组件、9-会聚组件、10-探测采集模块、11-信号处理模块；

81-会聚透镜、82-光阑、83-准直透镜。

具体实施方式

当前所有的时间调制干涉光谱(成像)技术存在一个主要问题，即稳定性差、环境适应能力和抗干扰能力低。这是由当前的时间调制干涉分光技术本身所决定的，即都采用了非共光路干涉分光类型(以迈克尔逊干涉分光为代表)，都未采用另一类干涉分光类型即共光路分光类型(以Sagnac干涉分光技术为代表)。非共光路干涉分光技术的主要优点在于光程可以做到相对较短，其干涉仪由其分束器分出的两个臂是分开的，光束在两个臂中分别行进，根据臂长的不同则两臂中的光程可以不同，即可产生所需的光程差。但形成的干涉仪往往因热力学变形和环境变化作用到独立两臂而产生不同，而使得干涉条纹不稳定。共光路干涉分光技术则干涉仪中两臂光束行进的路线相同，甚至完全重合，因而外界环境如震动、温度变化等引起的热力学变形同时作用于两光束而互相抵消，使得形成的干涉条纹非常稳定，干涉仪更加稳定可靠。

以往的共光路型干涉分光技术无法作用于时间调制型干涉光谱(成像)仪，其原因在于，对于同一视场目标凝视观测而言，由于干涉仪分束器分出的两束光行进的路线相同而无法产生变化的光程差，继而便无法获得不同光程差处的干涉图，进而无法进行傅里叶变换而得到光谱图。

为了既保留时空联合调制干涉光谱(成像)技术的优势，又获取高光谱分辨率，本发明提出了一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法，采用基于Sagnac三角横向剪切干涉仪的共光路分光技术，并在干涉仪内部设置有用于产生变化光程差的动镜扫描机构；本发明工作于凝视观测模式，区别于时空联合调制干涉光谱(成像)仪的视场扫描观测模式。本发明既能克服稳定性差的问题，具有了高稳定、抗干扰能力强的优势，同时保持了高通量、高信噪比、低杂散光等优势。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，主要包括：三角形共光路干涉仪，所述三角形共光路干涉仪为非对称结构，所述三角形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

具体的，参见图1，所述三角形共光路干涉仪包括分束器2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜4、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差。

目标光(即入射光束1)以平行光进入所述三角形共光路干涉仪，所述分束器2将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过所述第一平面反射镜3、所述第一光程调节组件、所述第二平面反射镜4后再次返回至所述分束器2，并经所述分束器2分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜4、所述第二光程调节组件、所述第一平面反射镜3后再次返回至所述分束器2，并经所述分束器2分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射。

其中，所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜；作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

下面以光程调节器件为棱镜，动镜的运动方式为转动为例进行说明。

参见图1，所述第一光程调节器件5为定镜，所述第二光程调节器件6为动镜，所述第二光程调节器件6在电机7的驱动下运动。作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件(即所述第二光程调节器件6)采用第一棱镜，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件(即所述第一光程调节器件5)采用第二棱镜，两个棱镜用于改变光程，棱镜的光束入射面与出射面严格平行(5″以内)，使得光束通过所述第一棱镜或所述第二棱镜的后的出射面均与入射面平行。所述第一棱镜在所述电机7的驱动下旋转，所述电机7的转动轴垂直于光束的传播方向，垂直纸面转动为较佳实施方式，以便保持出射光束与入射光的方向一致。所述第二棱镜的姿态是固定的，且所述第二棱镜的姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，以便补偿零位色散效应且增加过零光程差位置(比垂直入射时增加一倍)。当所述电机7的转动轴存在一定的晃动时，所述第一棱镜将相对于理想姿态发生一定的偏差，从所述第一棱镜出射的光束将产生一定的空间位置偏移，但由于所述第一棱镜的入射面与出射面是平行的，从而使得出射光束的传播方向不产生偏斜，也即实现了光束对动镜旋转时轴系晃动引起的姿态误差的自补偿，实现了干涉仪晃动误差的免疫和两束干涉光的永久准直。若所述第一棱镜具体由排列一起的一对棱镜组成，且棱镜对中的两个棱镜的姿态可保持相对变化(即电机的旋转方向相反，分别为+θ角和-θ角)，则光束通过此棱镜对后的传播方向将始终保持一致，空间上总是重合的，则可实现很高的干涉调制度。变化的光程由所述第一棱镜的转动产生，与所述第二棱镜固定的光程组合形成了零光程差附近周期变化的光程差，从-L到0再从0到+L的光程差变化，经过零光程差的位置，其中L为最大光程差；从而可以获得不同时刻下对应的不同光程差处的干涉图；再对干涉图经过傅里叶变换等光谱复原算法获得目标的光谱图；此即时间调制型干涉光谱(成像)仪工作模式。

需要说明的是，所述第一平面反射镜3、所述第二平面反射镜4的作用是形成三角形干涉仪，用于反射光束并调节光束在空间里的分布。所述第一平面反射镜3、所述第二平面反射镜4可以采用单个平面反射镜，也可以由多个平面镜组合的方式的替代。由于所述第一光程调节器件5和所述第二光程调节器件6的作用是产生随时间变化的光程差，即光程调节器件的作用是产生随时间变化的从零光程差到最大光程差的干涉图，并经过傅里叶变换等光谱复原算法获得目标的光谱图，实现时间调制型干涉光谱(成像)仪工作模式，因此还可将所述第一棱镜和所述第二棱镜的组合替换为单个棱镜，或者，所述第一棱镜、所述第二棱镜均具体采用棱镜组合实现。此外，所述第一棱镜、所述第二棱镜还可以采用其他结构的棱镜、反射镜组合等其他光程调节结构替换。棱镜的运动方式除了转动外，也可以采用摆动、直线运动等。对应的，所述电机7的轴可以是周期旋转的，也可以是周期性摆动的或其他周期性运动方式。

本发明基于三角形Sagnac干涉仪实现，该三角形干涉仪可由半透半反分束器、二个平面反射镜和一对棱镜组成，其变化的光程差由转动的棱镜组合对产生。目标光以平行光进入到三角形干涉仪，随后被干涉仪中的半透半反分束器分成第一透射光束和第一反射光束；第一透射光束和第一反射光束分别通过固定和变化的光程调节组件，之后再次返回到分束器；返回到分束器的透射光束和反射光束再次被分束器透射和反射，形成四支光，其中每两支光被会聚后产生干涉，其中一路干涉光返回光源入射方向，另一路干涉光传播到另一方向(图1中垂直光源入射方向)。

三角形干涉仪可以是各器件单独组成的空心形式，半透半反分束器可以是立方体形式的分束器也可以是平板形式的分束器；三角形干涉仪也可以是由棱镜镀反射膜和半透半反分束膜组成的实心形式。三角形干涉仪须为非对称结构，即干涉仪的二个反射面不关于分束面轴严格对称，而是其中一个面产生一定的平移，平移量取决于光程差、光束的直径和所需的结构物理空间尺寸等设计要求。入射到此三角形干涉仪的光束，经干涉仪分束器分开后经过了干涉仪内相同的器件，从而构成了共光路干涉仪。

实施例2：

实施例2提供一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，与实施例1的区别在于，实施例2中的所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜；所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。

例如，所述第一电机和所述第二电机为两个不同的电机，所述第一光程调节器件和所述第二光程调节器件的转动方向、转动速度均可不同。

例如，参见图2，所述第一电机和所述第二电机为同一电机，记为电极7，所述第一光程调节器件5和所述第二光程调节器件6均采用棱镜，两个棱镜连接在一起运动，通过设置两个棱镜的材料、尺寸(如长度)或转动姿态等的不同产生随时间变化的光程差。

实施例3：

实施例3提供了一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，参见图3，除了如实施例1或实施例2中提供的三角形共光路干涉仪以外，还包括：前置组件8、会聚组件9、探测采集模块10和信号处理模块11。所述探测采集模块10的靶面位于所述会聚组件9的后焦面上，所述信号处理模块11与所述探测采集模块10连接。

目标光经所述前置组件8后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪。具体的，所述前置组件8包括沿光路依次设置的会聚透镜81、光阑82和准直透镜83，目标光由所述会聚透镜81会聚，所述光阑82滤光限制所述会聚透镜81像面的形状，并防止杂散光，所述准直透镜83用于准直，使经过所述前置光学***8的光变成平行光。所述前置光学***8可采用折射、折反射和全反射等各种形式，其目的是使目标辐射转变为平行光线。此外，根据设计需要，所述前置光学***8还可去掉所述准直透镜83变为会聚光路，或者将所述前置光学***8直接省去，可以减小仪器的体积、重量。

所述会聚组件9用于将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至所述探测采集模块上10。具体的，所述第一光程调节器件5为定镜，所述第二光程调节器件6为动镜时，所述第二反射光束和所述第三透射光束经会聚后产生干涉并被所述探测采集模块10的探测器接收。所述会聚组件9可以是单独的透镜也可以是透镜组合，透镜组合便于消除像差。所述会聚组件9可以是折射式或反射式。

所述探测采集模块10用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息。所述探测采集模块10在得到电信号后还可对信号进行放大、滤波等处理。所述探测采集模块10为实现目标光的光谱、图像等相关参数的反演提供原始测量数据。根据探测光源的不同，所述探测采集模块10可以是CCD，也可以是其它光电转换器件。

所述信号处理模块11用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。具体的，所述信号处理模块11对所述探测采集模块10获取的干涉信号进行数据处理和分析，包括干涉图原始数据的预处理、误差修正、光谱响应度定标修正、辐射度定标修正，以及傅里叶变换等，完成光谱的复原过程，获取目标(即入射光束1)的光谱和/或高分辨率光谱图像。

本发明的光谱应用范围从紫外到远红外、THz都适用，主要受限于分束器和棱镜、反射镜膜层、会聚组件和探测采集模块的光谱适用范围，也即在不同的波段对应不同的分束器基底材料及其膜层、棱镜材料及其膜层与反射镜膜层、探测光谱响应等。

此外，基于本发明的原理还可以派生出其他形式的光谱仪/光谱(成像)仪。如在光路中加入偏振器件，则可形成时间调制型偏振光谱仪及偏振光谱(成像)仪。

实施例4：

实施例4提供一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法，采用如上述实施例所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在三角形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

下面提供一种与实施例3的装置对应的具体方法。

一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过第一平面反射镜、第一光程调节组件、第二平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜、第二光程调节组件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

本发明实施例提供的一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置及方法至少包括如下技术效果：

(1)可实现时间调制型干涉光谱(成像)仪工作模式。传统共光路型干涉仪由于干涉仪两臂的光程始终是固定或者相同的，造成了两臂之间光程差是固定的，从而无法实现时间调制工作模式。但本发明可通过共光路干涉仪中动镜在不同时刻的运动产生不同的光程差，进而可以获得时间积分干涉图，从而反演出目标的光谱信息，本发明的工作模式突破了以往共光路干涉仪对光谱信息获取的限制能力。

(2)可采用共光路干涉仪核心部件。传统时间调制干涉光谱(成像)仪由于要实现变化的光程差而获取不同时刻的干涉图，其核心干涉仪部件的两个臂是相对独立的，也即为非共光路的干涉仪，非共光路与共光路两种干涉仪为不同类型的干涉仪，本发明突破了传统非共光路干涉仪的限制，实现了基于共光路干涉仪的时间调制干涉光谱(成像)技术。

(3)高稳定度。本干涉分光技术基于共光路技术，共光路型干涉光谱(成像)仪稳定度高。传统时间调制干涉光谱(成像)仪采用的非共光路技术的干涉仪，容易受到外界热力学变化的干扰，造成光程差的变化，进而造成干涉条纹的移动和相位的不稳定，由此会带来较大的仪器误差，使得高精度测量不准确。利用共光路分光技术后，外界热力学变化同时作用于干涉仪的两个臂，因此产生的光程差可以相互抵消，形成的干涉条纹也更加稳定，相应的干涉仪和光谱(成像)仪稳定度高。

(4)光通量高。由于大孔径共光路型时间调制干涉光谱(成像)仪***中没有狭缝来限制目标成像区域和光谱分辨率，使得***孔径大，光通量高。

(5)应用场合宽。由于采用了共光路分光方式，使得时间调制干涉光谱仪的稳定度大幅提高，抗干扰能力增强，因而使得传统基本无法应用的车载运动平台、机载、船载、移动机器人、星载等运动平台也可以使用，因此，应用场合更多、应用领域也将更广。

(6)结构简单，易于小型化。本发明提出的共光路型时间调制干涉分光方案，其核心干涉仪可以仅由平板分束器、平面镜和棱镜组成，去掉了传统时间调制干涉光谱(成像)仪中的分束器补偿片，因而整个结构非常紧凑，在不损失光通量的情况下仍然便于小型化，适合手持式，易于各种平台的便携搭载。

(7)可实现光程差从-L到+L的变化采样(L为最大光程差)。传统共光路型干涉仪两臂之间的光程差是固定的，而本发明在干涉仪的两臂中皆设置了光程调节器件，且动臂中的光程调节器件姿态可以旋转变化，因而可以实现从-L到0再从0到+L的光程差变化，经过零光程差的位置，从而干涉仪可得到相应的变化的干涉图，这一过程是实现目标的光谱复原、实现时间调制干涉光谱(成像)仪的前提条件。

(8)可实现对动镜旋转轴晃动误差的自补偿，实现干涉仪的永久准直。通过严格控制光程调节器件的设计与加工工艺，使光束通过光程调节器件的入射面与出射面严格平行，则可使得即便光程调节器件因旋转轴晃动发生一定姿态倾斜，出射光束仍然保持与入射光束平行，光束的传播方向未产生偏斜；也即该方案可实现对动镜旋转时轴系晃动引起的姿态误差的自补偿，从而实现了干涉仪晃动误差的免疫和两束干涉光的永久准直。

(9)可实现很高的干涉调制度。在干涉仪的动臂中设置一对姿态始终一致相对的光程调节器件，且保证每个光程调节器件的光束入射面与出射面严格平行，则根据光路可逆原理，入射到前一个光程调节器件的光束，即便因光程调节器件姿态变化发生空间位置偏移，也会因后一个光程调节器件而得到补偿，从而使得光束不仅保持与未发生姿态变化时理想的传播方向一致，而且返回到分束器时的空间位置也与未发生姿态变化时理想的一致，使得干涉光束在空间上完全重合，从而避免了光束在空间上不重合产生的像面干涉问题(因会聚镜组误差存在而导致的干涉调制度下降)，因此可实现很高的干涉调制度。

(10)适合高速测量。由于产生光程差的棱镜采用了360°连续旋转工作的方式，测量过程中避免了传统直线或者摆动过程中的加速和减速过程，提高了时间利用率，因此测量频次得到提高。同时，产生光程差的棱镜材料在一个360°周期中可以产生8次以上的过零点，也即棱镜旋转一周可产生8幅以上干涉图和光谱图，从而使得超高速光谱测量成为可能。这一功能的实现将不仅提高了干涉光谱(成像)仪的抗环境干扰能力，也使得干涉光谱(成像)仪可进一步扩展应用到高速光谱测量领域，如飞行目标、火焰甚或化学反应等方面。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，包括：三角形共光路干涉仪，所述三角形共光路干涉仪为非对称结构，所述三角形共光路干涉仪中设置有用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

2.根据权利要求1所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述三角形共光路干涉仪包括分束器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一光程调节组件和第二光程调节组件；所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件组合构成所述动镜扫描机构，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件分别置于干涉仪的两臂中，两臂分别产生第一光程和第二光程，所述第一光程和所述第二光程组合形成零光程差附近周期变化的光程差；

目标光以平行光进入所述三角形共光路干涉仪，所述分束器将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过所述第一平面反射镜、所述第一光程调节组件、所述第二平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜、所述第二光程调节组件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射。

3.根据权利要求2所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一光程调节组件、所述第二光程调节组件中的一个光程调节组件为动镜，另一个光程调节组件为定镜；作为动镜的光程调节组件包括光程调节器件和电机，该光程调节器件在所述电机的驱动下运动；作为定镜的光程调节组件仅包括光程调节器件。

4.根据权利要求3所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，作为动镜的光程调节组件中的光程调节器件采用第一棱镜，作为定镜的光程调节组件中的光程调节器件采用第二棱镜，光束通过所述第一棱镜或所述第二棱镜的后的出射面均与入射面平行；所述第一棱镜在所述电机的驱动下旋转，所述电机的转动轴垂直于光束的传播方向；所述第二棱镜的姿态相对于光束垂直入射面具有一定角度的倾斜，用于补偿零位色散效应且增加过零光程差位置。

5.根据权利要求4所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一棱镜由棱镜对组成，所述棱镜对中的两个棱镜旋转方向相反。

6.根据权利要求2所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，所述第一光程调节组件和所述第二光程调节组件均为动镜；所述第一光程调节组件包括第一光程调节器件和第一电机，所述第二光程调节组件包括第二光程调节器件和第二电机；所述第一光程调节器件在所述第一电机的驱动下运动，所述第二光程调节器件在所述第二电机的驱动下运动。

7.根据权利要求2所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，还包括：会聚组件、探测采集模块和信号处理模块；所述探测采集模块的靶面位于所述会聚组件的后焦面上，所述信号处理模块与所述探测采集模块连接；所述会聚组件用于将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至所述探测采集模块上；所述探测采集模块用于将不同时刻的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，得到探测信息；所述信号处理模块用于根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

8.根据权利要求2所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置，其特征在于，还包括：前置组件；所述前置组件包括沿光路依次设置的会聚透镜、光阑和准直透镜；目标光经所述前置组件后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪。

9.一种共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置实现，通过在三角形共光路干涉仪中设置用于产生随时间变化的光程差的动镜扫描机构，使所述共光路大孔径时间调制干涉光谱成像装置工作于凝视观测模式。

10.根据权利要求9所述的共光路大孔径时间调制干涉光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、目标光经前置组件后变为平行光并入射至所述三角形共光路干涉仪；

步骤2、通过分束器将所述平行光分成第一透射光束和第一反射光束；所述第一反射光束依次通过第一平面反射镜、第一光程调节组件、第二平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第二透射光束和第二反射光束；所述第一透射光束依次通过所述第二平面反射镜、第二光程调节组件、所述第一平面反射镜后再次返回至所述分束器，并经所述分束器分成第三透射光束和第三反射光束；所述第二反射光束和所述第三透射光束沿第一方向出射，所述第二透射光束和所述第三反射光束沿第二方向出射；

步骤3、通过会聚组件将所述三角形共光路干涉仪出射的光束形成干涉并成像至探测采集模块上；

步骤4、通过所述探测采集模块采样收集不同时刻的干涉条纹信号，并转换为电信号，得到探测信息；

步骤5、通过信号处理模块根据所述探测信息进行光谱复原，得到光谱信息。

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