本發(fā)明屬于光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種相干色散光譜成像的方法及裝置。

背景技術(shù)：

光譜成像技術(shù)，有時(shí)又稱成像光譜技術(shù)，融合了光譜技術(shù)和成像技術(shù)，交叉涵蓋了光譜學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和精密機(jī)械等多種學(xué)科，能夠同時(shí)獲得目標(biāo)的兩維空間信息和一維光譜信息。光譜成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境、大氣探測(cè)、天文等方面，發(fā)展正方興未艾。

色散型和干涉型是光譜成像技術(shù)中的兩種主要分光類型。一般情況下將這兩種分光方法分開(kāi)使用。在極少數(shù)情況下，比如利用干涉條紋的多普勒頻移變化追蹤目標(biāo)的速度時(shí)，在遙感領(lǐng)域測(cè)風(fēng)速、天文領(lǐng)域測(cè)恒星和行星的運(yùn)行速度等情況下，會(huì)將這兩種分光方法結(jié)合起來(lái)，以獲取對(duì)目標(biāo)的理想的測(cè)量精度。

本發(fā)明涉及一種將干涉型分光方法和色散型分光方法結(jié)合起來(lái)的相干色散光譜成像方法。在文獻(xiàn)[1][2]中，曾提出了一種利用傳統(tǒng)邁克爾遜干涉分光技術(shù)結(jié)合透射光柵分光技術(shù)的相干色散方法(Fixed Delay interferometer)，后來(lái)也有將其中的透射光柵改進(jìn)為反射光柵分光技術(shù)的方法。然而，其中的干涉分光技術(shù)一直是基于邁克爾遜干涉分光技術(shù)的，屬于非共光路干涉分光技術(shù)，干涉儀往往因熱力學(xué)變形和環(huán)境變化而使得干涉條紋不穩(wěn)定。由于在利用干涉條紋的多普勒頻移探測(cè)目標(biāo)的速度時(shí)，對(duì)光程差和干涉條紋的穩(wěn)定性要求很高，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的精度，因而采用基于邁克爾遜干涉分光技術(shù)的干涉儀會(huì)額外增加對(duì)環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)的苛刻要求。此外，傳統(tǒng)相干色散方法中邁克爾遜干涉分光只利用了目標(biāo)光中50％的能量，因?yàn)楦缮鎯x返回光源的一路光的能量未加利用。干涉儀的能量利用率理論上也只能達(dá)到50％，在天文觀測(cè)上能量損失是比較嚴(yán)重的(相當(dāng)于延長(zhǎng)了4倍的觀測(cè)時(shí)間)，造成系統(tǒng)透過(guò)率和靈敏度低。

傳統(tǒng)相干色散方法上，采用非共光路的邁克爾遜干涉分光技術(shù)，主要還是考慮到其干涉儀的兩個(gè)臂是分開(kāi)的，光束在兩個(gè)臂中行進(jìn)，根據(jù)臂長(zhǎng)的不同則兩臂中的光程可以不同，即可產(chǎn)生所需的光程差。而傳統(tǒng)共光路(對(duì)稱結(jié)構(gòu))的分光技術(shù)，無(wú)論在真空、空氣或其它介質(zhì)中，目標(biāo)光在其中行進(jìn)的路線是重合且相同的，無(wú)法產(chǎn)生光程差。傳統(tǒng)相干色散方法尚未見(jiàn)應(yīng)用共光路技術(shù)。

[1]Ge J,2002a,Fixed Delay Interferometry for Doppler Extrasolar Planet Detection.The Astrophysical Journal,571,165.

[2]Ge J,Erskine D and Rushford M,2002b,An Externally Dispersed Interferometer for Sensitive Doppler Extrasolar Planet Searches.Publications of the Astronomical Society of the Pacific,114:1016–1028.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種穩(wěn)定度高、能量利用率高的相干色散光譜成像裝置。

本發(fā)明的基本構(gòu)思如下：

改進(jìn)共光路干涉分光方法替代傳統(tǒng)非共光路分光方法，并將能量利用率提高1倍到接近100％，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、透過(guò)率和靈敏度。具體是：將共光路設(shè)計(jì)改進(jìn)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得返回的光束(即返回光源入射方向的光束)不再與入射光束重合，而是在空間上平行分離。如果此時(shí)光束都經(jīng)過(guò)相同的介質(zhì)，當(dāng)然無(wú)法產(chǎn)生光程差，但我們采用改變光束通過(guò)介質(zhì)或者路徑的方式，延長(zhǎng)/縮短光程從而改變光程差，例如將光束經(jīng)干涉分光后的兩路光的一路中加入改變光程的光學(xué)器件，則該路光束會(huì)產(chǎn)生變化光程，從而與另一路產(chǎn)生了光程差。如此，便實(shí)現(xiàn)了大光程差的共光路分光結(jié)構(gòu)。從而，形成以共光路分光技術(shù)+色散分光技術(shù)結(jié)合的相干色散光譜成像方法，以及由共光路Sagnac干涉儀和光柵色散器件組合形成的相干色散光譜成像儀。

基于以上發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明給出以下解決方案：

該高通量高穩(wěn)定相干色散光譜成像裝置，主要包括依次設(shè)置的共光路干涉分光光路、色散分光光路以及光電探測(cè)器；

所述共光路干涉分光光路采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共光路Sagnac干涉儀，即共光路Sagnac干涉儀中的反射面的空間位置設(shè)置使得最終經(jīng)共光路Sagnac干涉儀中分束面返回的光束不再與入射光束重合，而是在空間上平行分離；

記分束面首次分光得到一級(jí)光束，二次分光得到二級(jí)光束；則在二次分光前的光路上對(duì)應(yīng)于空間上平行分離的光束還設(shè)置有光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，使得兩路一級(jí)光束(透射光束和反射光束)最終產(chǎn)生光程差，以干涉光束出射；

其中一路干涉光束經(jīng)會(huì)聚后到狹縫上，該狹縫成為色散分光光路的入射像面位置；另一路干涉光束即所述最終經(jīng)共光路Sagnac干涉儀中分束面返回的光束也經(jīng)會(huì)聚后進(jìn)入色散分光光路。

基于上述方案，本發(fā)明還進(jìn)一步作了如下優(yōu)化：

上述光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，具體是增設(shè)不同的光學(xué)介質(zhì)，或者增加路徑來(lái)改變光程。

上述光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置于首次分光后的透射光路上，或者設(shè)置于首次分光后的反射光路上。

上述光學(xué)介質(zhì)為棱鏡，上述增加路徑采用反射鏡組合實(shí)現(xiàn)。

上述色散分光光路采用棱鏡色散分光形式或者光柵色散分光形式，其中光柵色散分光形式具體選擇透射光柵或反射光柵。

在入射光源與所述共光路干涉分光光路之間，還設(shè)置有前置光學(xué)整形系統(tǒng)(以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的準(zhǔn)直、消雜散光等作用)，主要由透鏡和/或反射器件組成。

上述分束面為半透半反型。

上述共光路Sagnac干涉儀的分光結(jié)構(gòu)，是由反射鏡和半透半反分束器組成的空心形式，或者是由棱鏡在不同面上相應(yīng)地鍍反射膜和半透半反分束膜組成的實(shí)心形式。

上述另一路干涉光束是經(jīng)平面反射鏡轉(zhuǎn)向后，再經(jīng)會(huì)聚后進(jìn)入色散分光光路。當(dāng)然，也可以直接在返回光源入射方向的(在空間上分離的)光束所在光路上設(shè)置另一狹縫，使在空間上分離的這部分光束進(jìn)入另一色散分光光路中。

將兩路干涉光束用平面反射鏡反射到后續(xù)光路中加以利用，具體可以是將干涉儀產(chǎn)生的兩路干涉輸出光合并到同一光路進(jìn)行后續(xù)處理，也可以分開(kāi)到不同光路進(jìn)行后續(xù)處理。即：上述另一路干涉光束也經(jīng)會(huì)聚后進(jìn)入色散分光光路，具體可為：該另一路干涉光束經(jīng)所述平面反射鏡后，與所述其中一路干涉光束同方向共同會(huì)聚至同一狹縫，進(jìn)入同一色散分光光路中；或者該另一路干涉光束經(jīng)所述平面反射鏡后，沿不同的方向經(jīng)另一處會(huì)聚至另一狹縫，進(jìn)入另一色散分光光路中。

本發(fā)明主要的優(yōu)點(diǎn)是：

1、穩(wěn)定度高

干涉分光技術(shù)為共光路技術(shù)，以此研制的干涉儀和相干色散光譜成像儀穩(wěn)定度高。利用共光路分光技術(shù)后，外界熱力學(xué)變化同時(shí)作用于干涉儀的兩個(gè)臂，因此產(chǎn)生的光程差可以相互抵消，形成的干涉條紋也更加穩(wěn)定，相應(yīng)的干涉儀和相干色散光譜成像儀穩(wěn)定度高。

2、能量利用率高，系統(tǒng)靈敏度高

本發(fā)明中將干涉儀輸出的兩路干涉光全部利用，避免了傳統(tǒng)相干色散光譜成像儀中只利用一路干涉輸出的情況，使得利用率增加到接近100％，整個(gè)系統(tǒng)的透過(guò)率也大大增加，因而提高了系統(tǒng)的靈敏度。

3、大光程差

通過(guò)將光束經(jīng)干涉分光后的兩路光的一路中加入改變光程的元件，如棱鏡或反射鏡組合，則可產(chǎn)生大光程差。如此，便實(shí)現(xiàn)了大光程差的共光路分光結(jié)構(gòu)。

4、輸入光源可以是點(diǎn)光源或者面光源，可以是平行光也可以是會(huì)聚光。本發(fā)明的相干色散光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，輸入光源形式可以有多種。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的第一種實(shí)施例；

圖2為本發(fā)明的第二種實(shí)施例；

圖3為加入到干涉儀中用于產(chǎn)生光程差的光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖，其中前兩種為增設(shè)光學(xué)介質(zhì)的模式(棱鏡或棱鏡組合)，后三種為增加路徑的模式(平面鏡組合)。

附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明：

1—入射光源，2—Sagnac干涉儀，3—棱鏡(光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu))，4—半透半反分束器，5—平面反射鏡，6—會(huì)聚透鏡，7—狹縫，8—透鏡，9—光柵，10—光電探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1和圖2，該高通量高穩(wěn)定相干色散光譜成像裝置采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的Sagnac分光干涉儀，該非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的Sagnac分光干涉儀，可以采用實(shí)體也可以采用分體式的結(jié)構(gòu)，由半透半反分束器和兩個(gè)反射面，或者由半透半反分束器和三個(gè)反射面組成。通過(guò)調(diào)節(jié)Sagnac干涉儀中的反射面的空間位置，保證最終經(jīng)分束器返回的光束(返回光源入射方向)與入射光束不再重合，而是在空間上平行分離，從而便于對(duì)光束通過(guò)改變介質(zhì)或路徑來(lái)改變光程。

目標(biāo)光以平行或者會(huì)聚光進(jìn)入到非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共光路Sagnac干涉儀；目標(biāo)光被干涉儀中的半透半反分束器分成一路透射光束和一路反射光束；在透射光束或者反射光束上加入光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，讓光束通過(guò)，之后再次達(dá)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，形成四路光，其中兩路光產(chǎn)生干涉光且同方向返回光源入射方向，另兩路產(chǎn)生干涉光且傳播到另一方向(圖中垂直光源入射方向)；干涉光形成干涉條紋，將干涉條紋會(huì)聚后到成像狹縫上，狹縫成為后續(xù)光路中色散器件的入射像面位置。后續(xù)光路可采用光柵色散分光形式，色散器件為透射光柵或者反射光柵，將干涉條紋按照波長(zhǎng)色散到光電探測(cè)器上接收。接收后的按波長(zhǎng)分布的干涉條紋被降噪濾波、放大等處理后，在硬件芯片或者計(jì)算機(jī)上軟件處理，提取得到干涉條紋的信息。通過(guò)處理干涉條紋的強(qiáng)度、相位變化，反演出目標(biāo)光的運(yùn)行速度等信息。

下面具體以圖1所示結(jié)構(gòu)(較佳實(shí)施例)為例詳述本發(fā)明：

Sagnac干涉儀2設(shè)置于入射光源1的光路上，入射光源后可接入由透鏡或者反射器件組成的前置鏡器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的準(zhǔn)直、消雜散光等作用。Sagnac干涉儀2包括由三個(gè)反射面和一個(gè)半透半反分束面，可以是由反射鏡和半透半反分束器4組成的空心形式，也可以是由棱鏡鍍反射膜和半透半反分束膜4組成的實(shí)心形式。在設(shè)計(jì)上，須為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即干涉儀的三個(gè)反射面不關(guān)于分束面軸對(duì)稱，而是其中一個(gè)面或二個(gè)面甚至三個(gè)面各自產(chǎn)生一定的平移，平移量取決于光束的直徑和所需的物理空間尺寸。無(wú)論平移量多少，干涉儀的兩路出射干涉光束一路返回光源方向，且不再與原入射光束重合；另一路垂直于入射光源方向。

需要說(shuō)明的是，除了圖1和圖2所示的三反射面型的Sagnac干涉儀(由三個(gè)反射面和一個(gè)分束面組成)以外，五角棱鏡型的Sagnac干涉儀(由兩個(gè)反射面和一個(gè)分束面組成)顯然也是適用上述方案的。加入到干涉儀其中一路光的棱鏡3用于改變光程，它可以加入到入射光源第一次通過(guò)半透半反分束器4后的透射光束里，也可以加入到第一次通過(guò)半透半反分束器4后的反射光束里，但必須是在它們?cè)俅瓮ㄟ^(guò)半透半反分束器4前。

如附圖3所示，用于改變光程的棱鏡3也可以改為反射鏡組合等形式。

圖中所示的干涉儀為空心結(jié)構(gòu)，半透半反分束器4可以是立方體形式的分束器也可以是平板形式的分束器，若干涉儀為實(shí)心結(jié)構(gòu)，則可以是由組成干涉儀的棱鏡鍍半透半反分束膜實(shí)現(xiàn)。

平面反射鏡5的作用是將返回到光源的一路干涉光反射到后續(xù)光路中，使得干涉儀模塊的能量利用率達(dá)到最高接近100％，最大限度提高系統(tǒng)的透光率。圖1中，此路干涉光與另一路干涉光平行且同向，共同進(jìn)入到同一會(huì)聚透鏡6中。對(duì)于圖2所示結(jié)構(gòu)，則平面反射鏡5使此路干涉光以不同方向出射，則需另外單獨(dú)設(shè)置一路會(huì)聚透鏡、狹縫等進(jìn)入相應(yīng)的色散分光光路。

會(huì)聚透鏡6的作用是將干涉光形成的干涉條紋會(huì)聚成像到狹縫7處。狹縫7的作用是作為后續(xù)色散器件的入射狹縫，也是后續(xù)色散分光系統(tǒng)的一次像面處，也起到消除雜散光的作用。透鏡8的作用是將狹縫處的光線整理成平行光，入射到后續(xù)色散器件光柵中。透鏡8也可以用反射鏡組合替代(相應(yīng)的，將后續(xù)光學(xué)器件置于反射鏡組的反射光路上)。該實(shí)施例采用光柵色散分光形式，光柵9的作用是將干涉光束形成的干涉條紋按照波長(zhǎng)色散，并成像到光電探測(cè)器10上。光柵9可以是透射光柵，也可以是反射光柵。

光電探測(cè)器10的作用是將按照波長(zhǎng)分布的干涉條紋信號(hào)進(jìn)行采樣收集，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光的速度、溫度等相關(guān)參數(shù)的硬件反演或者計(jì)算機(jī)軟件反演提供測(cè)量數(shù)據(jù)。光電探測(cè)器可以是CCD，也可以是其它光電轉(zhuǎn)換器件。