一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光 谱仪。
【背景技术】
[0002] 傅里叶变换光谱成像技术又称干涉光谱成像技术，其干涉图与被测目标的光谱信 息具有傅里叶变换的关系。从干涉图获取方式上来分，干涉光谱成像技术可分为：时间调制 型、空间调制型和时空联合调制型三种方式。
[0003] (1)时间调制型干涉光谱成像技术中，利用动镜的平动或转动产生不同的光程差。 由于具有运动部件，相比于空间调制型干涉光谱成像技术，其稳定性较差，但是通过动镜的 运动容易实现较大光程差。
[0004] (2)空间调制型干涉光谱成像技术中，系统没有运动部件，具有很好的稳定性。空 间调制型干涉光谱成像技术主要有两类代表性方案，一类是以变形的Sagnac干涉仪为分 束元件，另一类是以双折射晶体为分束元件。
[0005] (3)时空联合调制型干涉光谱成像技术结合了时间调制和空间调制的特点，其在 某一时刻可以获取某一目标点特定光程差下的干涉信息，通过飞行平台的推扫来获取该点 不同光程差下的完整干涉图，随后再进行傅里叶变换获取光谱信息。时空联合调制型干涉 光谱成像技术的特点是系统中无狭缝，而且是点到点的成像关系，所有能量全部集中到一 个点上，其信噪比高于空间调制干涉光谱仪。
[0006] 在时空联合调制型干涉光谱成像技术中，有一种方案是基于双折射晶体进行分光 的偏振干涉光谱成像技术，其原理图如图1所示，主要由前置镜L0、准直镜LU起偏器P、 Savart偏光镜、分析器（检偏器）A、成像镜L2、面阵探测器D以及数据图像处理系统组成。 被测目标经过系统后在探测器上形成叠加了干涉信息的目标图像，经过推扫后得到目标的 完整干涉图样，最后经傅里叶变换复原出目标的光谱信息。
[0007] 然而，上述现有的偏振干涉光谱成像技术中，由于干涉图与被测目标的光谱图具 有傅里叶变换的对应关系，干涉图的零频分量对应于被测目标的零波数，干涉图的最大频 率对应于被测目标的最大波数σ _，根据Nyquist采样定理，若仪器给定的光谱分辨率为 S 〇，则干涉图的采样频率应大于最高频率的二倍，即干涉图采样点数为N = 2 σ _/ δ 〇。 当所需要的光谱分辨率较高或者最大波数较大时，要求的采样点数会很多，这必然会对探 测器的面阵大小提出更高的要求，同时，采样点数过多也会影响单帧图像的提取速度，影响 光谱信息获取的实时性。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种外差式偏振干涉光谱成像方法及光谱仪，可通过较少的 干涉图采样点数，实现较高的光谱分辨率。
[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010] -种外差式偏振干涉成像光谱仪，包括：
[0011] 依次设置的前置镜、准直镜、起偏器、Savart偏光镜、1/4波片、偏振光栅对、分析 器、成像镜、面阵探测器以及数据图像处理系统；
[0012] 其中，前置镜用于将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前 焦平面上；所述探测器位于成像镜的后焦面上。
[0013] 所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。
[0014] 所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面 内且与X、Z轴正向成45° ;第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45°。
[0015] 所述偏振光栅对包括两块平行的具有相同刻线密度和方向的偏振光栅，所述1/4 波片输出的两束平行的左旋偏振光与右旋偏振光经过平行的偏振光栅对后产生间距随波 长变化的平行光。
[0016] -种外差式偏振干涉光谱成像方法，基于前述的外差式偏振干涉成像光谱仪实现 光谱成像，成像过程包括：
[0017] 利用前置镜将探测目标成像在视场光阑处，所述视场光阑位于准直镜的前焦平面 上；目标上某一点发出的光经过前置镜和准直镜后变为平行光入射到起偏器上，平行光经 过起偏器后变为线偏振光进入Savart偏光镜，线偏振光经Savart偏光镜处理为振动方向 互相垂直且平行于入射方向并具有一定间距的两束线偏振光；
[0018] 之后，这两束线偏振光经过后1/4波片后变为两束旋转方向相反的圆偏振光，并 经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距，再经过检偏器后变为两束平行相干光； 这两束平行相干光束经过成像镜后在探测器上相干叠加，所述探测器位于成像镜的后焦 面上，不同的目标点成像在探测器的不同位置处，最终得到叠加了干涉信息的目标图像，经 过数据图像处理系统进行数据图像处理，从而复原出目标的光谱信息。
[0019] 所述起偏器的偏振化方向在XY平面内且与X、Y轴正向成45°。
[0020] 所述Savart偏光镜包括两块厚度为t的单轴晶体，第一块晶体的光轴在XZ平面 内且与X、Z轴正向成45° ;第二块晶体的光轴在YZ平面内且与Y、Z轴正向成45° ;
[0021] 线偏振光进入Savart偏光镜的第一块晶体后分为〇光和e光；〇光沿原方向传 播，e光发生偏折，之后分开的两束光入射到第二块晶体；原〇光变为e光产生偏折，再经过 Savart偏光镜的后表面偏折后沿平行于入射方向射出；原e光变为〇光偏折后沿平行于入 射方向射出；从而使得线偏振光经过Savart偏光镜后变为振动方向互相垂直且平行于入 射方向并具有一定间距的两束线偏振光。
[0022] 所述经由偏振光栅对改变这两束圆偏振光之间的间距包括：
[0023] 偏振光栅对记为偏振光栅PGl与偏振光栅PG2 ;两束圆偏振光分别右旋偏振光和 左旋偏振光；
[0024] 当右旋偏振光和左旋偏振光经过偏振光栅PGl时分别产生+1级衍射和-1级衍 射，不同波长的入射光其衍射角不同；
[0025] 偏振光栅PG2与偏振光栅PGl的刻线密度相同，且刻线方向和刻线平面均与偏振 光栅PGl平行，由于这对平行偏振光栅的作用，光线经过偏振光栅PG2衍射后，其出射方向 与入射偏振光栅PGl时的方向相同，从而得到间距随波长变化的平行光束。
[0026] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明方案通过外差技术，使得干涉 图的零频对应于光谱图中的最小波数σ_，Β卩，使得原始〇_到σ _的一段的光谱图 移频到〇波数附近。这样，如果在保证光谱分辨率不变的情况下，则采样点数会降到 N= 2(σ_-σ_)/δ σ。而若采样点数保持不变，则光谱分辨率会提高：分辨率变为 S 〇 (σ_-σ_)/σ_。由此可见，本发明的上述方案可通过较少的干涉图采样点数，实现 较高的光谱分辨率。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其 他附图。
[0028] 图1为本发明【背景技术】提供的基于双折射晶体进行分光的偏振干涉光谱成像技 术的原理图；
[0029] 图2为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪的结构示意图；
[0030] 图3为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪推扫示意图；
[0031] 图4为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪等效光路示意图；
[0032] 图5为本发明实施例提供的一种外差式偏振干涉成像光谱仪中偏振光栅对引入 的横向剪切