CN1945242A - 高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪，其准直透镜将来自目标的光转换成平行光束，经分束器后分为反射光束IF和透射光束IT。反射光束IF经转镜和角反射器多次反射后回到分束器，由傅立叶透镜会聚到探测器，形成第一束光的光程。透射光束IT经角反射器和分束器多次反射后回到分束器，由傅立叶透镜会聚到探测器，形成第二束光的光程。两束光到达探测器时产生光程差，在探测器上产生干涉光谱图。干涉光谱图经计算机处理***傅立叶变换，得到复原的目标图像。本发明解决了背景技术只能对单象素取样，或***结构复杂、稳定性差等技术问题，其装校工作量小，信号噪声降低，实时性好，尤适于大面积扫描。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速获得目标干涉光谱的动镜式干涉成像方法及实现该方法的光谱仪，具体涉及一种高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪。
背景技术
较早的成像光谱仪有法国太空空间与战略***分部于1991年研制出的迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪【D Simenoni.New concept forhigh-compact imaging Fourier transform spectrometer(IFTS)[C].SPIE，1991，1479：127-138.】，美国罗伦斯利物摩尔实验室于1995年研制出的迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪【Michael R Carter，Charles L Bennett，DavidJ Fields，et al.Live more imaging Fourier transform spectrometer[C].SPIE，1995，2480：380-386.】。其采用线性往复扫描方式，每次扫描结束时必须转向，待稳定后再采集数据。所以，采集数据时必须通过一束参考激光提供相应的相干采样图谱。扫描速度通过伺服***控制，并在转向时提供逆程扫描，随着扫描频率、速度的增加，往返时间成为总扫描时间的重要部分。为了得到精确的采样干涉图，伺服***所需的带宽急剧增加。而随着扫描速度的增加，分辨率会受上述因素的制约。由于往返时间成为总扫描时间的重要部分，占空比会因伺服***功率、扫描器件尺寸大小、扫描器件重量及***稳定时间的制约而降低。例如，在360次/秒扫描、单次扫描时间为2.8毫秒的扫描频率下极难实现往复扫描。1-2毫秒的返程与稳定时间会将占空比降低至33-50％。在重复频率很高的情况下，将制约对分辨率有影响的扫描长度。因此，迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪稳定性差，工艺复杂，只适用于空间和光谱时间变化较慢的目标。
转镜干涉光谱成像是变形的时间调制型迈可尔逊干涉技术【J.Peter Dybward，et.al.“New Interferometer Design Concept”，STC Technical Report 2637，Science and Technology Corp，Hampton，VA，under contract#DAAA15-89-D-007，US Army CRDEC，APG，MD，8/92.】，该技术在扫描过程中有空扫。即转镜旋转时仅在一定角度内可获得干涉光谱图，而在其他角度为空扫。工作效率低，且只能对单象素取样，即只能对点目标扫描，只能应用于一个角度光线的扫描。
一种超高速扫描傅立叶变化红外光谱测定法【Peter R.Griffiths，Blayne L.Hirsche，Christopher J.Manning.Ultra-rapid-scanning Fourier transforminfared spectrometry.Vibrational Spectroscopy 19(1999)165-176.】，虽解决了转镜空扫的问题，但仍只能对单象素取样。如果要获得线目标或者面目标的干涉图谱，就必须在***前部附加一个前置扫描***，实现对目标每个点的逐个扫描，最后集合而获得整个目标的干涉图谱。存在的缺陷是***结构复杂，体积较大，重量重。由于实时性差，不仅影响光谱图的质量，且扫描时间长，扫描速度低，分辨率低，适用的工作范围也较窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法及实现该方法的光谱仪，其解决了背景技术中只能对单象素取样、工作效率低，或***结构复杂、扫描速度低、稳定性差的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法，其特殊之处在于：该方法的实现步骤包括
1)准直透镜1将来自目标的光束转换成平行光束；
2)分束器2将平行光束分为反射光束IF和透射光束IT；其中
(i)被分束器2分出的反射光束IF
①.经转镜3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜3；
②.转镜3将光反射回分束器2；
③.反射回分束器2的光再次被分为反射光束IFF和透射光束IFT；
④.透射光束IFT透过分束器2到达傅立叶透镜7，被位于傅立叶透镜7焦面上的探测器8接收，形成第一束光的光程；
(ii)被分束器2分出的透射光束IT
①.被角反射器6按与入射方向平行的方向反射回分束器2；
②.反射回分束器2的光再次被分为反射光束ITF和透射光束ITT；
③.反射光束ITF，通过傅立叶透镜7，被位于傅立叶透镜7焦面上的探测器8接收，形成第二束光的光程；
3)第一束光的光程与第二束光的光程产生光程差，成为两束相干光，在探测器8上产生干涉光谱图；
4)干涉光谱图经计算机处理***11进行傅立叶变换，得到复原的目标图像。
一种实现上述高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法的光谱仪，包括傅立叶透镜7，位于傅立叶透镜7的焦面上的探测器8，与探测器8相连接的计算机处理***11，设置于前置光学***10主光轴上的准直透镜1，设置于准直透镜1轴线OO′上的分束器2，其特殊之处在于：它还包括转镜3和角反射器5-6；所述转镜3的初始位置和角反射器5-6的位置应满足：当转镜3在某一位置定位时，
1)主光轴上的光被分束器2第一次分出的反射光束IF为第一束光；其经转镜3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通过傅立叶透镜7到达探测器8的光程形成第一束光的光程；
2)主光轴上的光被分束器2第一次分出的透射光束IT为第二束光；其到达角反射器6，经角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通过傅立叶透镜7到达探测器8的光程形成第二束光的光程；
3)第一束光再回到分束器2的交点与第二束光再回到分束器2的交点相重合；
4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合；
5)第一束光的光程与第二束光的光程相等；所述傅立叶透镜7的光轴位于第一束光的透射光束IFT与第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器2位于既能接收到通过准直透镜1的初始入射光、又能接收到经转镜3和角反射器5反射回的反射光、且在准直透镜1轴线OO′上的部位。
上述探测器8以采用红外探测器为宜。
上述转镜3以由圆柱体的斜端面构成为宜。
本发明具有以下优点：
1.可实现高频扫描，且稳定性好。采用转镜式动镜，***运行连续，当扫描速度很高时，由于惯性的作用，旋转伺服***仍能保持较好的稳定性。
2.抗干扰能力强。由于获得干涉图的时间极短，***对振动敏感的程度低，机械振动频率一般对光谱图的质量无影响。
3.角反射器与转镜匹配形成的光路具有自补偿特性，从而使本发明具有较好的抗干扰性。
4.扫描效率高。转镜以一个圆柱体的具有一定倾斜度的端面作为反射面，在电机的带动下转动，无空扫现象，扫描效率高。
5.可实现线目标或面目标的直接扫描。采用角反射镜，不仅能扫描主光轴光线，还可扫描具有一定角度的光线，即可对线目标或面目标直接进行扫描，缩短了扫描时间，进一步提高了扫描效率和光谱图的质量。
6.实时性好，分辨率高，工作范围宽。尤适用于对较大目标的大面积扫描。
7.功耗低，所需驱动功率小。
8.角反射器仅采用两个，结构更简单，体积更小，重量更轻。
9.实际加工生产时，角反射器的减少不仅简化了工艺难度，而且避免了角反射器位置匹配不精确引起出射光和入射光不平行的影响。即减少了干涉图的噪声，提高了信噪比。
10.当转镜旋转产生光程差，光成差的计算量会因角反射器的减少而减少2/3。光程差是非线性的，光程差计算量的减少既有利于减小光程差的误差，又可提高运算速度。而光谱图是不同光程差时干涉图的傅立叶变换，光程差的误差减小能够进一步提高复原光谱图的准确度。
11.角反射器的减少，使光线IF减少了8次镜面反射，降低了镜面反射带来的光的能量损失，也提高了信号强度。
12.由于入射到角反射器三个棱和顶点的光线经角反射器反射，会变成杂散光，角反射器的减少使杂散光减少，降低了信号噪声。
13.由于转镜在某一时刻、光线IF和光线IT回到分束器时的光程差不为0，会带来光谱的畸变，而角反射器对位置比较敏感，较小的移动会引起很大的光程改变。角反射器的减少，不仅大大减少了装校的工作量，而且可确保转镜在某一时刻、光线IF和光线IT回到分束器时的光程差为0。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图。
附图标号说明：1-准直透镜，2-分束器，3-转镜，4-电机，5-角反射器，6-角反射器，7-傅立叶透镜，8-探测器，9-被观测物，10-前置光学***，11-计算机处理***。
具体实施方式
参见附图1，本发明的光学***主要由准直透镜1、分束器2、转镜3、角反射器5、6，前置光学***10和傅立叶透镜7构成；干涉***主要由准直透镜1、分束器2、转镜3、角反射器5、6和傅立叶透镜7构成。探测***主要由探测器8构成，信息处理***主要由计算机处理***11构成，参见图2。
本发明的工作原理：在转镜3静止时，主光轴上的光束被分束器2分成两束光，该两束光的光程相等。当转镜3在电机4的驱动下转动时，被分束器2第一次分出的反射光束IF，经转镜3与角反射器5、6多次反射后，回到分束器2，再到达傅立叶透镜7的第一束光的光程会发生变化。而被分束器2第一次分出的透射光束IT，经角反射器6反射回分束器2，被分束器2反射到达傅立叶透镜7的第二束光的光程不变化。两束光的光路不再重合，最后到达探测器8的光程不再相等，从而产生光程差，成为两束相干光，在探测器8上产生干涉图。随着转镜3的转动，两束光的光程差不断变化，由此获得干涉光谱图。干涉光谱图经计算机处理***11进行傅立叶变换后，可得到复原的目标图像。转镜3在电机4带动下高速转动，即可实现高速扫描。
本发明准直透镜1的轴线OO′位于前置光学***10的主光轴上。分束器2的位置应确保既能接收到通过准直透镜1的初始入射光，又能接收到通过转镜3和角反射器5反射回的光。转镜3的初始位置和角反射器5、6的位置应满足：当转镜3在某一位置定位时，
1)主光轴上的光在分束器2上第一次被分出的反射光束IF为第一束光；其经转镜3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通过傅立叶透镜7到达探测器8的光程形成第一束光的光程。
2)主光轴上的光在分束器2上第一次被分出的透射光束IT为第二束光；其到达角反射器6，又经角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分为反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通过傅立叶透镜7到达探测器8的光程形成第二束光的光程。
3)第一束光再回到分束器2的交点与第二束光再回到分束器2的交点相重合。
4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合。
5)第一束光的光程与第二束光的光程相等。傅立叶透镜7的光轴位于第一束光的透射光束IFT与第二束光的反射光束ITF相重合的光路上。探测器8位于傅立叶透镜7的焦面上。探测器8以采用红外CCD探测器为宜。图2所示的被观测物9是火箭，其是本发明用于观测火箭尾焰的示意图。
本发明光的传输过程：
1.来自目标即被观测物9的光束经前置光学***10到达准直透镜1，准直透镜1将目标光束转换成平行光束；平行光束投射到镀有半透半反膜的分束器2上。
2.分束器2将光束分为反射光束IF和透射光束IT。其中，
1)被分束器2分出的反射光束IF
(1)经转镜3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜3；
(2)转镜3将光反射回分束器2；
(3)反射回分束器2的光再次被分为反射光束IFF和透射光束IFT。
2)被分束器2分出的透射光束IT
(1)被角反射器6按与入射方向平行的方向反射回分束器2；
(2)反射回分束器2的光再次被分为反射光束ITF和透射光束ITT。
3.被分束器2分出的反射光束IF再次被分束器2分出的透射光束IFT，透过分束器2到达傅立叶透镜7，被位于傅立叶透镜7焦面上的探测器8接收。
4.被分束器2分出的透射光束IT再次被分束器2分出的反射光束ITF，通过傅立叶透镜7，被位于傅立叶透镜7焦面上的探测器8接收。
5.分束器2第一次分出的反射光束IF，经转镜3和角反射器5反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜7会聚到探测器8形成第一束光的光程；分束器2第一次分出的透射光束IT，到达角反射器6，又经角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，通过傅立叶透镜7会聚到探测器8形成第二束光的光程；该两束光产生光程差，成为两束相干光，在探测器8上产生干涉光谱图。
6.干涉光谱图经计算机处理***11进行傅立叶变换，得到复原的目标图像。
Claims (4)
1.一种高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤
1)准直透镜(1)将来自目标的光束转换成平行光束；
2)分束器(2)将平行光束分为反射光束IF和透射光束IT；其中
(i)被分束器(2)分出的反射光束IF
①.经转镜(3)反射到角反射器(5)，角反射器(5)把入射的光沿与入射方向平行的方向反射回转镜(3)；
②.转镜(3)将光反射回分束器(2)；
③.反射回分束器(2)的光再次被分为反射光束IFF和透射光束IFT；
④.透射光束IFT透过分束器(2)到达傅立叶透镜(7)，被位于傅立叶透镜(7)焦面上的探测器(8)接收，形成第一束光的光程；
(ii)被分束器(2)分出的透射光束IT
①.被角反射器(6)按与入射方向平行的方向反射回分束器(2)；
②.反射回分束器(2)的光再次被分为反射光束ITF和透射光束ITT；
③.反射光束ITF，通过傅立叶透镜(7)，被位于傅立叶透镜(7)焦面上的探测器(8)接收，形成第二束光的光程；
3)第一束光的光程与第二束光的光程产生光程差，成为两束相干光，在探测器(8)上产生干涉光谱图；
4)干涉光谱图经计算机处理***(11)进行傅立叶变换，得到复原的目标图像。
2.一种实现权利要求1所述高稳定度干涉成像光谱仪的成像方法的光谱仪，包括傅立叶透镜(7)，位于傅立叶透镜(7)的焦面上的探测器(8)，与探测器(8)相连接的计算机处理***(11)，设置于前置光学***(10)主光轴上的准直透镜(1)，设置于准直透镜(1)轴线OO′上的分束器(2)，其特征在于：它还包括转镜(3)和角反射器(5-6)；所述转镜(3)的初始位置和角反射器(5-6)的位置应满足：当转镜(3)在某一位置定位时，
1)主光轴上的光被分束器(2)第一次分出的反射光束IF为第一束光；其经转镜(3)和角反射器(5)反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分为反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通过傅立叶透镜(7)到达探测器(8)的光程形成第一束光的光程；
2)主光轴上的光被分束器(2)第一次分出的透射光束IT为第二束光；其到达角反射器(6)，经角反射器(6)和分束器(2)多次反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分为反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通过傅立叶透镜(7)到达探测器(8)的光程形成第二束光的光程；
3)第一束光再回到分束器(2)的交点与第二束光再回到分束器(2)的交点相重合；
4)第一束光被分束器(2)再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器(2)再次分出的反射光束ITF光路重合；
5)第一束光的光程与第二束光的光程相等；
所述傅立叶透镜(7)的光轴位于第一束光的透射光束IFT与第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器(2)位于既能接收到通过准直透镜(1)的初始入射光、又能接收到经转镜(3)和角反射器(5)反射回的反射光、且在准直透镜(1)轴线OO′上的部位。
3.根据权利要求2所述的高稳定度干涉成像光谱仪，其特征在于：所述的探测器(8)为红外探测器。
4.根据权利要求2或3所述的高稳定度干涉成像光谱仪，其特征在于：所述转镜(3)由圆柱体的斜端面构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090506 Termination date: 20111009 |