專利名稱：一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)探測目標(biāo)領(lǐng)域，特別是一種能夠獲得目標(biāo)空間二維圖像信息，目標(biāo)各點(diǎn)高分辨率光譜信息的探測方法。
背景技術(shù)：
成像光譜技術(shù)采用輻射成像技術(shù)和光譜測量技術(shù)相結(jié)合方法，能夠獲得目標(biāo)的二維空間輻射光強(qiáng)信息和目標(biāo)各點(diǎn)的光譜信息。其中干涉成像光譜技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型探測技術(shù)，利用干涉信息與光譜信息之間存在的傅里葉變換關(guān)系來計(jì)算目標(biāo)的光譜信息，并且獲取目標(biāo)的二維空間信息。90年代中后期出現(xiàn)的像面干涉成像光譜技術(shù)，通過在無限遠(yuǎn)成像系統(tǒng)中加入橫向剪切分束器，引入干涉信息；與時(shí)間型干涉成像光譜技術(shù)相比，內(nèi)部不需要?jiǎng)隅R推掃，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的優(yōu)點(diǎn)；與空間型干涉成像光譜技術(shù)相比，不受入射狹縫的限制，具有高光通量、高目標(biāo)分辨率、高光譜分辨率等優(yōu)點(diǎn)。像面干涉成像光譜技術(shù)現(xiàn)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有干涉成像光譜技術(shù)光譜分辨率受獲取干涉光程差影響，光程差越大光譜分辨率越高。受探測器信噪比、靶面大小等因素的影響，現(xiàn)有干涉成像光譜技術(shù)獲取的干涉光程差有限，其光譜分辨率受限，限制了像面干涉光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。1986年，Okamoto等人首次提出在橫向剪切分束器中加入色散平板的方法提高光譜分辨率，后來由Meigs等人進(jìn)行了優(yōu)化。通過選取合適的材料以及不同厚度的色散平板，可以提高探測波段內(nèi)的光譜分辨率。該方法目前只用于空間調(diào)制型干涉成像光譜儀中，但是在空間調(diào)制型干涉成像光譜儀中，狹縫的使用使得空間分辨率和光通量之間存在制約關(guān)系。為了獲得高空間分辨率，通常需要減小狹縫的寬度，而結(jié)果導(dǎo)致光通量的極大損失。對(duì)于弱輻射目標(biāo)，特別是天文目標(biāo)的光譜探測，將增加探測器響應(yīng)靈敏度的負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜裝置及方法，能夠提高現(xiàn)有像面干涉光譜成像裝置的光譜分辨率，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜裝置，其特征在于包括沿光路方向依次放置的前置光學(xué)系統(tǒng)、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)；其中，前置光學(xué)系統(tǒng)包括沿光路方向依次設(shè)置的前置成像物鏡和準(zhǔn)直物鏡，前置成像物鏡的像面和準(zhǔn)直物鏡的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)包括沿Sagnac共光路系統(tǒng)的內(nèi)部順時(shí)針光軸依次設(shè)置的分束器、高反鏡、色散平板、高反鏡，其中分束器與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)的入射光軸成逆時(shí)針45°角，高反鏡與順時(shí)針入射光軸成逆時(shí)針67. 5°角，高反鏡與順時(shí)針入射光軸成67. 5°角，色散平板位于高反鏡和高反鏡之間；成像系統(tǒng)包括沿光路方向依次設(shè)置的成像物鏡、探測器，其中探測器的靶面位于成像物鏡的后焦面上；信號(hào)處理系統(tǒng)與探測器相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。
該發(fā)明裝置的光路走向如下探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡，形成準(zhǔn)直光束；前置光學(xué)系統(tǒng)形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡，發(fā)生反射，然后入射色散平板，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡，發(fā)生反射后，入射到分束器，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)；第一透射光首先入射到第一高反鏡，發(fā)生反射，然后入射色散平板，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡，發(fā)生反射后，入射到分束器，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)。從分束器出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡匯聚到成像物鏡的后焦面處的探測器的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)；
本發(fā)明的一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜方法，包含以下步驟
第一步，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡，形成準(zhǔn)直光束，以準(zhǔn)直光束形式進(jìn)入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)；
第二步，前置光學(xué)系統(tǒng)形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡，發(fā)生反射，然后入射色散平板，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡，發(fā)生反射后，入射到分束器，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二發(fā)射光進(jìn)入成像系統(tǒng)；第一透射光首先入射到第一高反鏡，發(fā)生反射，然后入射色散平板，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡，發(fā)生反射后，入射到分束器，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)。第三步，從分束器出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡匯聚到成像物鏡的后焦面處的探測器的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)；
第四步，信號(hào)處理系統(tǒng)從收到的電信號(hào)中提取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的干涉數(shù)據(jù)，對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像，從而得到目標(biāo)各點(diǎn)的光譜信息及各個(gè)譜段的二維圖像信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)1、具備像面干涉成像光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
I)探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調(diào)制，方法簡單實(shí)用。2)具有高通量、高信噪比的優(yōu)點(diǎn)。2、能夠提高像面干涉成像光譜技術(shù)的光譜分辨率，能夠兼顧高光通量和高光譜分辨率探測。


圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。參照?qǐng)D1，一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜裝置，其特征在于包括沿光路方向依次放置的前置光學(xué)系統(tǒng)1、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)2、成像系統(tǒng)3和信號(hào)處理系統(tǒng)4 ;其中，前置光學(xué)系統(tǒng)I包括沿光路方向依次設(shè)置的前置成像物鏡11和準(zhǔn)直物鏡12，前置成像物鏡11的像面和準(zhǔn)直物鏡12的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)2包括沿Sagnac共光路系統(tǒng)的內(nèi)部順時(shí)針光軸依次設(shè)置的分束器21、高反鏡22、色散平板24、高反鏡23，其中分束器21與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)2的入射光軸成逆時(shí)針45°角，高反鏡22與順時(shí)針入射光軸成逆時(shí)針67. 5°角，高反鏡23與順時(shí)針入射光軸成67. 5°角，色散平板24位于高反鏡22和高反鏡23之間；成像系統(tǒng)3包括沿光路方向依次設(shè)置的成像物鏡31、探測器32，其中探測器32的靶面位于成像物鏡31的后焦面上；信號(hào)處理系統(tǒng)4與探測器32相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。該發(fā)明裝置的光路走向如下探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡11成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡12，形成準(zhǔn)直光束；前置光學(xué)系統(tǒng)I形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器21后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡22，發(fā)生反射，然后入射色散平板24，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡23，發(fā)生反射后，入射到分束器21，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)3 ;第一透射光首先入射到第一高反鏡23，發(fā)生反射，然后入射色散平板24，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡22，發(fā)生反射后，入射到分束器21，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)3。從分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡31匯聚到成像物鏡31的后焦面處的探測器32的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)4。一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜方法，步驟為
第一步，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡11成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡12，形成準(zhǔn)直光束，以準(zhǔn)直光束形式進(jìn)入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)2 ；
第二步，前置光學(xué)系統(tǒng)I形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器21后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一高反鏡22，發(fā)生反射，然后入射色散平板24，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡23，發(fā)生反射后，入射到分束器21，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二發(fā)射光進(jìn)入成像系統(tǒng)3 ;第一透射光首先入射到第一高反鏡23，發(fā)生反射，然后入射色散平板24，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板24的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡22，發(fā)生反射后，入射到分束器21，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)3。第三步，從分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡31匯聚到成像物鏡31的后焦面處的探測器32的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)4 ;
第四步，信號(hào)處理系統(tǒng)4從收到的電信號(hào)中提取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的干涉數(shù)據(jù)，對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像，從而得到目標(biāo)各點(diǎn)的光譜信息及各個(gè)譜段的二維圖像信息。本發(fā)明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調(diào)制，方法簡單實(shí)用；具有高目標(biāo)分辨率、高通量的優(yōu)點(diǎn)；能夠提高干涉成像光譜技術(shù)的光譜分辨率。
權(quán)利要求
1.一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜裝置，其特征在于:包括沿光路方向依次放置的前置光學(xué)系統(tǒng)(I)、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)(2)、成像系統(tǒng)(3)和信號(hào)處理系統(tǒng)(4);其中，前置光學(xué)系統(tǒng)(I)包括沿光路方向依次設(shè)置的前置成像物鏡(11)和準(zhǔn)直物鏡(12)，前置成像物鏡(11)的像面和準(zhǔn)直物鏡(12)的前焦面重合；色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)(2)包括沿Sagnac共光路系統(tǒng)的內(nèi)部順時(shí)針光軸依次設(shè)置的分束器(21)、高反鏡(22)、色散平板(24)、高反鏡(23)，其中分束器(21)與色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)(2)的入射光軸成逆時(shí)針45°角，高反鏡(22)與順時(shí)針入射光軸成逆時(shí)針67.5°角，高反鏡(23 )與順時(shí)針入射光軸成67.5°角，色散平板(24)位于高反鏡(22 )和高反鏡(23 )之間；成像系統(tǒng)(3)包括沿光路方向依次設(shè)置的成像物鏡(31)、探測器(32)，其中探測器(32)的靶面位于成像物鏡(31)的后焦面上；信號(hào)處理系統(tǒng)(4)與探測器(32)相連；所有光學(xué)元件相對(duì)于基底同軸等高，即相對(duì)于光學(xué)平臺(tái)或儀器底座同軸等高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜方法裝置，其特征在于，裝置的光路走向如下:探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡(11)成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡12，形成準(zhǔn)直光束；前置光學(xué)系統(tǒng)(I)形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器(21)后形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一高反鏡(22)，發(fā)生反射，然后入射色散平板(24)，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡(23)，發(fā)生反射后，入射到分束器(21)，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二反射光進(jìn)入成像系統(tǒng)(3);第一透射光首先入射到第一高反鏡(23)，發(fā)生反射，然后入射色散平板(24)，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡(22)，發(fā)生反射后，入射到分束器(21)，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)(3);從分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡(31)匯聚到成像物鏡(31)的后焦 面處的探測器(32)的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)(4)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的提高光譜分辨率的干涉成像光譜方法，其特征在于包含以下步驟: 第一步，探測目標(biāo)發(fā)射或者反射的光通過前置成像物鏡(11)成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡(12)，形成準(zhǔn)直光束，以準(zhǔn)直光束形式進(jìn)入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)(2)； 第二步，前置光學(xué)系統(tǒng)(I)形成的準(zhǔn)直光束經(jīng)過分束器(21)后形成第一反射光和第一透射光兩支:第一反射光首先入射到第一高反鏡(22)，發(fā)生反射，然后入射色散平板(24)，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡(23)，發(fā)生反射后，入射到分束器(21)，形成第二發(fā)射光和第二透射光，其中第二發(fā)射光進(jìn)入成像系統(tǒng)(3);第一透射光首先入射到第一高反鏡(23)，發(fā)生反射，然后入射色散平板(24)，發(fā)生色散，形成發(fā)散光束穿過色散平板，發(fā)散角度隨波數(shù)變化，在色散平板(24)的出射面形成平行光束出射，隨后入射高反鏡(22)，發(fā)生反射后，入射到分束器(21)，形成第三發(fā)射光和第三透射光，其中第三透射光進(jìn)入成像系統(tǒng)(3)； 第三步，從分束器(21)出射的第二反射光和第三透射光的剪切量隨波數(shù)變換進(jìn)而引入隨波數(shù)變換的光程差信息，隨后光束經(jīng)過成像物鏡(31)匯聚到成像物鏡(31)的后焦面處的探測器(32)的靶面上，通過電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉(zhuǎn)整套系統(tǒng)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行推掃可以獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標(biāo)干涉圖像，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)(4)； 第四步，信號(hào)處理系統(tǒng)(4)從收到的電信號(hào)中提取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的干涉數(shù)據(jù)，對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行 傅里葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像，從而得到目標(biāo)各點(diǎn)的光譜信息及各個(gè)譜段的二維圖像信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高光譜分辨率的干涉成像光譜的裝置及方法，該裝置包括沿光路依次放置的前置光學(xué)系統(tǒng)、色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)；目標(biāo)各點(diǎn)的入射光進(jìn)入前置光學(xué)系統(tǒng)，消除雜散光并形成準(zhǔn)直光束；隨后進(jìn)入色散平板Sagnac橫向剪切分束系統(tǒng)，光被橫向剪切分束系統(tǒng)橫向剪切，由于平板色散作用，剪切距離隨著光波長而變化，進(jìn)而引入隨波數(shù)變化的光程差信息；剪切開的兩束光隨后進(jìn)入成像系統(tǒng)；通過旋轉(zhuǎn)橫向剪切分束器或者旋轉(zhuǎn)整個(gè)系統(tǒng)獲取目標(biāo)各點(diǎn)不同光程差下的干涉信息；對(duì)獲取的目標(biāo)物點(diǎn)干涉信息進(jìn)行離散傅里葉變換，得到高分辨率的光譜信息和各譜段的二維圖像信息；本發(fā)明具有高光譜分辨率、高光通量、高目標(biāo)分辨率等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/45GK103076092SQ20121057952
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者李建欣, 孟鑫, 孫宇聲, 徐婷婷, 郭仁慧, 沈華, 馬駿, 朱日宏, 陳磊, 何勇 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)