专利名称：超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法
技术领域：
本发明涉及一种光学成像方法，特别涉及一种超大视场静态偏振傅立叶变换成像 光谱实现方法。
背景技术：
光是信息的载体，光学成像方法则是借助成像仪获取目标的形影图像得到目标的 空间信息，而光谱仪则获取目标的光谱信息，从而得到物质的结构及化学组成。1980s，美国 空气动力实验室(JPL)提出成像光谱仪概念，具有同时获得目标像和光谱图的双重功能， 被普遍认为是现代光学成像技术发展史上的一次革命性飞跃；之后20余年来，先后发展起 了色散型、傅立叶变换型(干涉型)、滤光片型、计算层析型等多种原理的成像光谱仪，并以 色散型和傅立叶变换型最普遍，其核心是成像光谱实现方法。傅立叶变换型成像光谱实现方法包括以下步骤第一步，光源发出的光经过前置 光学系统后，通过起偏器成为线偏振光；第二步，线偏振光经过偏振分束器和检偏器后分成 两束具有固定光程差的相干且互相平行的部分光；第三步，相干光通过成像镜后由于干涉 并具有一定的光程差，在接收器上形成干涉条纹调制的图像，包含了入射光的强度和光谱 信息；第四步将获取的图像进行滤波和傅立叶变换，获得目标的二维空间像和光谱。以上过 程中，由于受到第二步的分束器限制，入射角较大时干涉条纹会产生弯曲畸变，所以基于这 中成像光谱方法的成像光谱仪存在视场角很小(一般只有几度)的缺点。
发明内容
针对现有傅立叶变换型成像光谱实现方法存在的问题，本发明的目的在于提出一 种超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，可在超大视场范围内同时获取目标的 二维空间图像信息和一维干涉光谱信息。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，在现有成像光谱技术实现的第 二步骤中，用具有视场补偿功能的偏光分束器取代传统干涉成像光谱仪的偏光分束器，这 种视场补偿型偏光分束器组由至少两片正负单轴晶体组成，使得经过该偏光分束器后两束 光的光程差中入射角正弦的二次项或高次项对应的部分正负相消，表现为正负干涉条纹畸 变互相抵消，这样就消除了大入射角时的干涉图畸变，实现了成像光谱仪的视场补偿扩大， 使得视场角可扩大1个数量级。超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，实现该方法的成像光谱仪包括 同轴依次顺序设置的前置望远系统1、起偏器2、视场补偿型偏振分束器3、检偏器4、成像镜 组5、探测器6，探测器6连接有信号获取与处理系统7 ；所述的前置光学望远系统1包括同 轴依次顺序设置的前置光学系统物镜组11、光阑12和前置光学系统像方镜组13 ；所述的 视场补偿型偏振分束器3包括两组分别具有正、负干涉条纹畸变的第一萨瓦偏光镜31、第 二萨瓦偏光镜32，其中第一萨瓦偏光镜31由第一萨瓦板311、第二萨瓦板312组成，第二萨瓦偏光镜32由第三萨瓦板321、第四萨瓦板322组成；其特征在于由目标源发出的辐射光 经前置望远系统1收集、准直、消除杂散光之后，通过起偏器2成为线偏振光，线偏振光经过 视场补偿型偏振分束器3后，成为两束相干且互相平行的部分光；两束部分光通过检偏器4 后，振动方向变为相同，最后经成像镜组5将两束光汇聚到探测器6上成像并发生干涉，形 成包含了光谱信息的干涉条纹调制的图像；接收到的信号再经信号获取与处理系统7后即 可在大视场角内获得目标的图像和高光谱信息。所述的前置光学系统物镜组11为反射镜组、折反镜组或折射镜组。所述的起偏器2、检偏器4为偏振片、晶体或线栅。所述的成像镜组5由消像差透镜组构成，其焦平面位于后续探测器6的接收面上。所述的探测器6为CXD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管、红外焦平 面阵列或紫外光探测器阵列。所述的信号获取与处理系统7包括可将探测器5接收到的信息进行傅立叶变换处 理的微机，用于将目标空间信息光强度信息和光谱信息进行解调，并显示为图片。本发明的基本原理是引入多组分别具有正、负干涉条纹畸变的萨瓦偏光镜组成 偏振分束器，使得正条纹畸变与负条纹畸变相互抵消，这样干涉成像光谱仪器的视场摆脱 了通常偏振干涉成像光谱仪中偏光分束器的限制，只受前置光学系统限制，得以实现超大 视场。利用本发明可开发具有视场大、光通量大、探测灵敏度高、信噪比高、波长精度高、光 谱探测范围宽的优点的干涉成像光谱仪。
图1为本发明实现过程示意图。图2为实现本发明的成像光谱仪的结构示意图。图3为实现本发明的一种双Savart板视场补偿型成像光谱仪的结构示意图。图4为实现本发明实施例图3中的视场补偿型偏振分束器3的结构示意图。图5为实现本发明实施例图3中的成像镜组5的结构示意图，其中图5(a)是由 一个柱面透镜51及其后的一透镜组52构成的成像镜组5 ；图5(b)是由一透镜组52构成 的成像镜组5。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的方法原理作详细说明。参照图1，本发明依次通过收集光、视场补偿型分光干涉、成干涉像、解调与处理4 个步骤实现超大视场成像光谱信息获取与显示。参照图2，实现本发明方法的成像光谱仪，包括同轴依次顺序设置的前置望远系统 1、起偏器2、视场补偿型偏振分束器3、检偏器4、成像镜组5、探测器6，探测器6连接有信号 获取与处理系统7。下面以一种双偏光镜组视场补偿型偏光分束器超大视场成像光谱仪为实施例，结 合附图3-5对本发明的方法原理作详细说明。参照图3，所述的前置光学望远系统1位于整个装置的最前端，包括同轴依次顺序 设置的前置光学系统物镜组11、光阑12和前置光学系统像方镜组13，用于采集并准直目标光，并消除杂散光。前置光学系统物镜组11为反射镜组、折反镜组或折射镜组。位于前置光学望远系统1的后面，沿光轴顺序设置的位于前端的起偏器2、中间的 视场补偿型偏振分束器组3、后端的检偏器4，共同构成静态干涉分光模块，用于将前述传 输光分为两束相干光，实现光谱分光功能，达到高光谱分辨能力。同时双萨瓦板结构增加了 光程，有利于提高光谱分辨能力。参照图4，所述的视场补偿型偏振分束器3包括两组分别具有正、负干涉条纹畸变 的第一萨瓦偏光镜31、第二萨瓦偏光镜32，其中第一萨瓦偏光镜31由第一萨瓦板311、第二 萨瓦板312组成，第二萨瓦偏光镜32由第三萨瓦板321、第四萨瓦板322组成，用于使得正 条纹畸变与负条纹畸变相互抵消，从而增大视场角。参照图5，所述的成像镜组5选用以下任一方案制成空间调制情况下，为一个柱面透镜51及其后的一透镜组52，柱面透镜51的焦面位 于后续的透镜组52上，透镜组52的焦平面位于后续探测器6的接收面上；时空混合调制情况下，为一透镜组52，透镜组52的焦平面位于后续探测器6的接 收面上。成像镜组5用于将干涉仪出射的光聚焦到探测器6上。所述的探测器6为光电转换器，为CCD阵列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍 增管阵列、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列。探测器6用于接收成像镜组5的出射光，获取目标光的图像、光谱信息；探测器6 输出的电信号送入后续信号获取与处理系统7。所述的信号获取与处理系统7包括可将探测器6接收到的信息进行傅立叶变换处 理的微机，用于解调出目标的二维空间强度、一维光谱，并显示为伪彩色图片。本发明的工作原理如下超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，由目 标源发出的辐射光经前置望远系统1收集、准直、消除杂散光之后，通过起偏器2成为线偏 振光，线偏振光经过视场补偿型偏振分束器3后，成为两束相干且互相平行的部分光；两束 部分光通过检偏器4后，振动方向变为相同，最后经成像镜组5将两束光汇聚到探测器6上 成像并发生干涉，形成包含了光谱信息的干涉条纹调制的图像；接收到的信号再经信号获 取与处理系统7后即可在大视场角内获得目标的图像、高光谱信息。其中超大视场实现的基本原理是引入两块分别具有正、负干涉条纹畸变的萨瓦 偏光镜组成偏振分束器，使得正条纹畸变与负条纹畸变相互抵消，从而达到增大视场角的 目的。附图中1-前置望远系统；2-起偏器；3-视场补偿型偏振分束器；4-检偏器； 5-成像镜组；6-探测器；7-信号获取与处理系统；31-第一萨瓦偏光镜；32-第二萨瓦偏光 镜；311-第一萨瓦板；312-第二萨瓦板；321-第三萨瓦板；322-第四萨瓦板；51-柱面透 镜；52-透镜组。
权利要求
超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，在现有成像光谱技术实现的第二步骤中，用具有视场补偿功能的偏光分束器取代传统干涉成像光谱仪的偏光分束器，这种视场补偿型偏光分束器组由至少两片正负单轴晶体组成，使得经过该偏光分束器后两束光的光程差中入射角正弦的二次项或高次项对应的部分正负相消，表现为正负干涉条纹畸变互相抵消，这样就消除了大入射角时的干涉图畸变，实现了成像光谱仪的视场补偿扩大，使得视场角可扩大1个数量级。
2.超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱实现方法，实现该方法的成像光谱仪包括同 轴依次顺序设置的前置望远系统(1)、起偏器(2)、视场补偿型偏振分束器(3)、检偏器(4)、 成像镜组(5)、探测器(6)，探测器(6)连接有信号获取与处理系统(7)；所述的前置光学望 远系统(1)包括同轴依次顺序设置的前置光学系统物镜组(11)、光阑(12)和前置光学系 统像方镜组(13)；所述的视场补偿型偏振分束器(3)包括两组分别具有正、负干涉条纹畸 变的第一萨瓦偏光镜(31)、第二萨瓦偏光镜(32)，其中第一萨瓦偏光镜(31)由第一萨瓦 板(311)、第二萨瓦板(312)组成，第二萨瓦偏光镜(32)由第三萨瓦板(321)、第四萨瓦板 (322)组成；其特征在于由目标源发出的辐射光经前置望远系统(1)收集、准直、消除杂散 光之后，通过起偏器(2)成为线偏振光，线偏振光经过视场补偿型偏振分束器(3)后，成为 两束相干且互相平行的部分光；两束部分光通过检偏器(4)后，振动方向变为相同，最后经 成像镜组(5)将两束光汇聚到探测器(6)上成像并发生干涉，形成包含了光谱信息的干涉 条纹调制的图像；接收到的信号再经信号获取与处理系统(7)后即可在大视场角内获得目 标的图像和高光谱信息。
3.根据权利要求2所说的成像光谱实现方法，其特征在于所述的前置光学系统物镜 组(U)为反射镜组、折反镜组或折射镜组。
4.根据权利要求2所说的成像光谱实现方法，其特征在于所述的起偏器(2)、检偏器 (4)为偏振片、晶体或线栅。
5.根据权利要求2所说的成像光谱实现方法，其特征在于所述的成像镜组(5)由消 像差透镜组构成，其焦平面位于后续探测器(6)的接收面上。
6.根据权利要求2所说的成像光谱实现方法，其特征在于所述的探测器(6)为CCD阵 列、CMOS阵列、光电二极管阵列、光电倍增管、红外焦平面阵列或紫外光探测器阵列。
7.根据权利要求2所说的成像光谱实现方法，其特征在于所述的信号获取与处理系 统(7)包括可将探测器(5)接收到的信息进行傅立叶变换处理的微机，用于将目标空间信 息光强度信息和光谱信息进行解调，并显示为图片。
全文摘要
超大视场静态偏振傅立叶变换成像方法，由目标源发出的辐射光经前置望远系统收集、准直、消除杂散光之后，通过起偏器成为线偏振光，线偏振光经过视场补偿型偏振分束器后，成为两束相干且互相平行的部分光；两束部分光通过检偏器后，振动方向变为相同，最后经成像镜组将两束光汇聚到探测器上成像并发生干涉，形成包含了光谱信息的干涉条纹调制的图像；接收到的信号再经信号获取与处理系统后即可在大视场角内获得目标的图像和高光谱信息。
文档编号G01J3/02GK101963528SQ20101029144
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者朱京平, 李 杰 申请人:西安交通大学