本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种双折射偏振干涉型的高光谱成像装置及其成像方法。
背景技术：
干涉型高光谱成像技术是用于光谱细分成像的重要技术手段之一，近年来逐渐发展出多种干涉仪方案，主要有基于michelson干涉仪、sagnac干涉仪、mach‐zehnder干涉仪、fabry‐perot干涉仪，以及基于wollaston棱镜和savart棱镜的双折射干涉仪等。这些高光谱成像技术在遥感探测、环境监测、生物医学等领域得到了重要应用。
其中，双折射偏振干涉型高光谱成像仪由于其结构紧凑和光路简单的优点，研究人员对其展开了深入研究。中国专利01213109.1提出了一种《超小型稳态偏振干涉成像光谱仪》(如图3所示)，其为基于传统savart板的双折射偏振干涉型高光谱成像仪，结构特征如下：双折射干涉仪由两片厚度相同的双折射晶体组成；第一片双折射晶体的光轴与x轴正方向夹角为45°，与y轴负方向夹角为45°，与z轴正方向夹角为45°；第二片双折射晶体的光轴方向与x轴正方向夹角为45°，与y轴正方向夹角为45°，与z轴正方向夹角为45°；起偏器和检偏器的透光轴均与x轴平行。剪切光束特征如下：两条光线在通过晶体1和晶体2后，均沿着z轴方向传播，两条出射光束组成的平面与yoz平面平行，并且两条出射光束关于xoz平面对称。干涉机理为：由于两片双折射晶体的厚度相等，因此两片双折射晶体都引入等量的横向剪切，而且能够消除常数项光程差，将零级条纹调整到视场中心。然而，两片双折射晶体的平方项光程差组合后仍引入具有差异的纵向视场线性光程差。因此，传统savart方案产生的同一波长的纵向视场总光程差量值存在较大的差异。由于总光程差量值与光谱分辨率互为倒数比例关系，总光程差量值差异会导致不同成像位置的光谱分辨率和波数位置不相同，不利于三维光谱数据立方体的切片表示。
本发明提出一种新的双折射干涉仪，其结构特征为：由剪切板和补偿板两片厚度不相等的双折射晶体平板组成，双折射剪切板的光轴垂直于x轴，且与y轴夹角为45°，双折射补偿板的光轴平行于x轴，双折射剪切板的厚度比双折射补偿板的大；起偏器和检偏器的透光轴均与x轴夹角为45°。其剪切光束特征：一束光线沿原光路传播；另一束光线在经过双折射剪切板时向y轴负方向传播，在经过双折射补偿板时沿着z轴方向传播；两条出射光线组成的平面与yoz平面重合，并且有一条光线与z轴重合。在经过其干涉机理为：剪切板引入与视场角相关的光程差，实现入射光束的宽波段横向剪切干涉。补偿板对剪切板的常数项光程差和平方项光程差进行补偿，实现对零级条纹的位置调整和总光程差的差异校正。采用这种双片式的结构，能够有效解决传统savart方案中光程差的非线性问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双折射偏振干涉型的高光谱成像装置及其成像方法，解决传统savart干涉系统中各纵向视场总光程差不一致的技术问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种双折射偏振干涉型的高光谱成像装置，包括沿光轴依次放置的前置成像物镜、光阑、准直物镜、起偏器、双折射剪切板、双折射补偿板、检偏器、后置成像物镜和面阵探测器；前置成像物镜的成像面与准直物镜的前焦面重合，光阑处于前置成像物镜的成像面处；起偏器的透光轴与x轴的夹角为45°，检偏器的透光轴与x轴的夹角为45°；双折射剪切板的光轴垂直于x轴，且与y轴夹角为45°；双折射补偿板的光轴平行于x轴。
一种基于双折射偏振干涉型的高光谱成像装置的成像方法，方法步骤如下：
第一步、入射光束通过前置成像物镜成像在光阑上，随后经过准直物镜，形成准直光束，以准直光束形式入射到起偏器，起偏器把准直光束变为线偏振光；
第二步、上述线偏振光经过双折射剪切板后，被分解为振动方向互相正交的o光和e光，由于双折射剪切板的光轴与双折射补偿板的光轴正交，双折射剪切板中的o光在双折射补偿板中变为e光，将该光束即为oe光，同样另外一束偏振光即为eo光；这两束偏振光经过双折射补偿板后变成两束平行出射的正交偏振光束，其中一束光线沿原光路传播，另一束光线在经过双折射剪切板时向y轴负方向传播，在经过双折射补偿板时沿着z轴方向传播；两条出射光线组成的平面与yoz平面重合，并且有一条光线与z轴重合。
第三步、这两条出射光线经过检偏器后，变成偏振方向相同，且具有一定光程差的两条光束。
第四步、具有一定光程差的两条光束经过后置成像物镜后会聚于面阵探测器靶面上并发生干涉。
第五步、由于成像面上不同的位置对应着不同的光程差，因此面阵探测器所得到的图像是经过光程差调制的干涉图像，在窗扫模式下，每一个像点的光强在不同时刻被不同的光程差调制，提取干涉图像序列探测目标各点的干涉信息并进行光谱复原，即可获得每个目标点的光谱信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)能够抑制同一波长不同纵向视场的线性总光程差差异，较好地保证了成像面上不同位置复原光谱的光谱分辨率和波数位置的一致性；(2)能够抑制不同波长相同纵向视场的线性总光程差差异，在抑制色散效应引起的波数分辨率差异方面效果优异。
附图说明
图1为本发明的双折射偏振干涉型的高光谱成像装置的结构示意图。
图2为本发明的双折射干涉仪部分的结构示意图。
图3为背景技术中的双折射干涉仪部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，一种双折射偏振干涉型的高光谱成像装置，包括沿光轴依次放置的前置成像物镜1、光阑2、准直物镜3、起偏器4、双折射剪切板5、双折射补偿板6、检偏器7、后置成像物镜8和面阵探测器9。
前置成像物镜1的成像面与准直物镜3的前焦面重合，光阑2处于前置成像物镜1的成像面处。起偏器4和检偏器7的透光轴均与x轴夹角为45°。双折射剪切板5的光轴垂直于x轴，且与y轴夹角为45°，双折射补偿板6的光轴平行于x轴。
所述双折射剪切板5的厚度大于双折射补偿板6的厚度。
所述双折射剪切板5和双折射补偿板6均采用双折射晶体制成。
所述双折射剪切板5和双折射补偿板6采用的双折射晶体为单轴晶体。
所述双折射剪切板5和双折射补偿板6均为正晶体或均为负晶体。
一种基于双折射偏振干涉型的高光谱成像装置的成像方法，方法步骤如下：
第一步、入射光束通过前置成像物镜1成像在光阑2上，随后经过准直物镜3，形成准直光束，以准直光束形式入射到起偏器4，起偏器4把准直光束变为线偏振光；
第二步、上述线偏振光经过双折射剪切板5后，被分解为振动方向互相正交的o光和e光。由于双折射剪切板5的光轴与双折射补偿板6的光轴正交，双折射剪切板5中的o光在双折射补偿板6中变为e光，将该光束即为oe光，同样另外一束偏振光即为eo光。这两束偏振光经过双折射补偿板6后变成两束平行出射的正交偏振光束。一束光线沿原光路传播；另一束光线在经过双折射剪切板时向y轴负方向传播，在经过双折射补偿板时沿着z轴方向传播；两条出射光线组成的平面与yoz平面重合，并且有一条光线与z轴重合；
第三步、这两条光束经过检偏器7后，变成偏振方向相同，且具有一定光程差的两条光束；
第四步、具有一定光程差的两条光束经过后置成像物镜8后会聚于面阵探测器9靶面上并发生干涉；
第五步、由于成像面上不同的位置对应着不同的光程差，因此面阵探测器9所得到的图像是经过光程差调制的干涉图像。在窗扫模式下，每一个像点的光强在不同时刻被不同的光程差调制。提取干涉图像序列探测目标各点的干涉信息并进行光谱复原，即可获得每个目标点的光谱信息。
实施例1
设定系统的光谱范围为400～1000nm，中心波长700nm处波数分辨率为91.2cm-1。前置成像物镜1、准直物镜3、后置成像物镜8的焦距均为75mm，面阵探测器9采样像素数为1024×1024，像素大小为6.5μm。本发明中双折射晶体均采用冰洲石材料，其中双折射剪切板5的厚度为11.55mm，双折射补偿板6的厚度为6.24mm。传统savart方案采用的双折射晶体厚度均为8.17mm。
表1给出了两种方案在400nm、700nm和1000nm处，像面上不同行位置(第1、512和1024行)的总光程差量值。从表1可以看出，传统savart方案的上方视场的总光程差明显大于下方视场的总光程差，在400nm处的总光程差的最大差异为5.232μm，700nm处的总光程差的最大差异为4.868μm，1000nm处的总光程差的最大差异为4.743μm。本发明方案总光程差的最大差异为0.116μm，由此可见本发明方案光程差的差异有明显改善。
表1两种方案在像面上不同行位置的总光程差(μm)
表2给出了两种方案在像面上不同行位置的光谱分辨率。传统savart方案的上方视场的光谱分辨率明显高于下方视场的光谱分辨率，在400nm处的光谱分辨率相差0.060nm，700nm处的光谱分辨率相差0.199nm，1000nm处的光谱分辨率相差0.417nm。本发明方案的光谱分辨率最大相差0.009nm，由此可见本发明方案光谱分辨率的一致性更好。
表2两种方案在像面上不同行位置的光谱分辨率(nm)
表3给出了两种方案在像面上不同行位置的复原光谱的波长位置。传统savart方案在400nm处的波长位置最大相差16.16nm，700nm处的波长位置最大相差28.59nm，1000nm处的波长位置最大相差41.14nm。本发明方案的波长位置最大相差0.85nm，由此可见本发明方案波长位置一致性更好。
表3两种方案在像面上不同行位置的复原光谱的波长位置(nm)
由于双折射材料的折射率具有很强的波长依赖性，导致不同波长的总光程差存在差异。短波的总光程差明显大于长波的总光程差，导致不同波长处的波数分辨率产生较大差异。传统savart方案的波数分辨率最大相差13.248cm-1，本发明方案的波数分辨率最大相差9.377cm-1。因此，在抑制色散效应引起的波数分辨率差异方面，本发明方案要优于传统savart方案。