一种宽波段近景紫外成像光谱装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种宽波段近景紫外成像光谱装置，涉及光电领域，用以解决紫外成像光谱装置无法在较宽的紫外光谱范围内灵敏地探测到目标的问题。所述装置包括：扫描部，用于以预设步长对被测样品进行扫描；前置成像部，用于通过反射方式将所述扫描部每次扫描产生的所述反射光进行变倍和调焦；干涉部，用于将来自所述前置成像部的、每次扫描产生的反射光分别成第一图像和第二图像；其中，每组所述第一图像的图像内容和所述第二图像的图像内容相同，相位相差预设相位；所述中继成像部，用于以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像；所述探测部，用于将叠加干涉后的各所述第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理。
【专利说明】一种宽波段近景紫外成像光谱装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电【技术领域】，特别是涉及一种宽波段近景紫外成像光谱装置。
【背景技术】
[0002]成像光谱技术作为目标探测、材料测试与分析等领域的新技术，由于具备高光通量、高光谱分辨率的特点，受到了世界各国的广泛关注。目前，在物证鉴定、痕迹检测、公共安全等领域，已有工作于可见光至红外波段的，采用色散、液晶可调滤波器、干涉成像等技术的成像光谱仪应用实例。其中干涉成像光谱技术能够获得整个阵列探测器平面的干涉光谱图像，具备高光通量、高分辨率的特点，具有较高的应用价值。
[0003]其中，在近景目标检测应用中，通常更加关注被测目标的图像细节，因此需要获得高分辨率的图像。目前使用的紫外、可见光、近红外成像光谱仪，主要以观察被测目标在特定波长范围的光谱图像为目的。由于紫外波段内目标辐射信号比可见和近红外波段弱2至3个量级，将干涉成像光谱技术应用在紫外领域时，必须设法抑制可见光、近红外等长波信号的影响。然而，如果采用紫外滤镜过滤方式抑制可见光和近红外光，则由于紫外滤镜的带宽较窄，无法满足对紫外宽波长范围的检测；如果采用透镜与紫外增透膜增加紫外光的透射，则由于光学材料对紫外波段有较强的吸收，会导致紫外成像探测器接收到的能量弱，可探测信号的动态范围小。总之，现有的紫外成像光谱装置无法在较宽的紫外光谱范围内灵敏地探测到目标信号。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种宽波段近景紫外成像光谱装置，用以解决现有技术中紫外成像光谱装置无法在较宽的紫外光谱范围内灵敏地探测到目标信号的问题。
[0005]一种宽波段近景紫外成像光谱装置，包括:光源，用于向被测样品照射紫外光；扫描部，用于以预设步长对所述被测样品进行扫描，以使各次扫描到的部分的反射光分别通过前置成像部在干涉部上成像；所述前置成像部，用于通过反射方式将所述扫描部每次扫描产生的所述反射光进行调焦，以使所述反射光在所述干涉部成像；所述干涉部，用于将来自所述前置成像部的、每次扫描产生的反射光分别成第一图像和第二图像，并将每组所述第一图像和所述第二图像传递到中继成像部；其中，每组所述第一图像的图像内容和所述第二图像的图像内容相同，相位相差预设相位；所述中继成像部，用于以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像并所述第三图像传递到探测部；所述探测部，用于将叠加干涉后的各所述第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理，以获取所述被测样品在各光谱波长下的图像信息。
[0006]可选的，所述前置成像部包括卡塞格林(Cassegrain)双反射镜，所述中继成像部包括奥夫纳(OfTner)三反射镜。
[0007]可选的，所述卡塞格林双反射镜或所述奥夫纳三反射镜上设置有宽带高反膜。
[0008]进一步的，所述扫描部，还用于以预设步长对所述被测样品进行扫描，以使各次扫描到的部分激发的荧光分别通过前置成像部在干涉部上成像；所述前置成像部，具体用于通过反射方式将所述扫描部每次扫描产生的所述反射光和所述荧光一起进行调焦，以使所述反射光和所述荧光一起在所述干涉部成像；所述干涉部，具体用于将来自所述前置成像部、每次扫描产生的反射光和荧光一起，分别成所述第一图像和所述第二图像，并将每组所述第一图像和所述第二图像传递到所述中继成像部。
[0009]具体的，叠加干涉后的各所述第三图像中包括所述被测目标的二维图像信息和一维干涉条纹信息。
[0010]可选的，所述被测样品至所述探测部的光程为O至10米。
[0011]可选的，所述干涉部包括无狭缝分振幅干涉结构。
[0012]可选的，所述无狭缝分振幅干涉结构包括分束棱镜干涉结构或三角共路干涉结构。
[0013]本发明实施例提供的宽波段近景紫外成像光谱装置，其前置成像部能够以反射方式将扫描部每次扫描产生的反射光进行调焦，从而在干涉部分别成第一图像和第二图像，中继成像部再以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像，并通过探测部将叠加干涉后的各第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理。由于前置成像部和中继成像部都是以反射的方式成像，紫外光并不从成像装置透射，这样就避免了成像装置本身对于各波段紫外光的吸收，大大扩展了可成像的紫外光的波段范围，此外，反射结构还避免了使用透镜时会产生的色散现象，因而大大提高了紫外成像质量以及干涉条纹质量，使得光谱图像更清晰，光谱数据更准确；而干涉部在不利用狭缝的条件下实现干涉能够使较多的紫外光能量进入探测部，突破性地在紫外宽波段得到干涉光谱图像，从而实现在紫外宽波段光谱范围内灵敏地探测到目标信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的实施例提供的宽波段近景紫外成像光谱装置的一种结构示意图；
[0015]图2是本发明的实施例提供的宽波段近景紫外成像光谱装置的另一种结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]本发明提供了一种宽波段近景紫外成像光谱装置，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0017]如图1所示，本发明的实施例提供一种宽波段近景紫外成像光谱装置，包括:光源1，用于向被测样品S照射紫外光；扫描部2，用于以预设步长对被测样品S进行扫描，以使各次扫描到的部分的反射光分别通过前置成像部3在干涉部4上成像；前置成像部3，用于通过反射方式将扫描部2每次扫描产生的所述反射光进行调焦，以使所述反射光在干涉部4成像；干涉部4，用于将来自前置成像部3的、每次扫描产生的反射光分别通过干涉部4成第一图像和第二图像，并将每组所述第一图像和所述第二图像传递到中继成像部5 ;其中，每组所述第一图像的图像内容和所述第二图像的图像内容相同，相位相差预设相位；中继成像部5，用于以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像并所述第三图像传递到探测部6 ;探测部6，用于将叠加干涉后的各所述第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理，以获取被测样品S在各光谱波长下的图像信息。
[0018]本发明实施例提供的宽波段近景紫外成像光谱装置，其前置成像部3能够以反射方式将扫描部2每次扫描产生的反射光进行调焦，从而在干涉部4分别成第一图像和第二图像，中继成像部5再以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像，并通过探测部6将叠加干涉后的各第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理。由于前置成像部3和中继成像部5都是以反射的方式成像，紫外光并不从成像装置透射，这样就避免了成像装置本身对于各波段紫外光的吸收，大大扩展了可成像的紫外光的波段范围，此外，反射结构还避免了使用透镜时会产生的色散现象，因而大大提高了紫外成像质量以及干涉条纹质量，使得光谱图像更清晰，光谱数据更准确；而干涉部在不利用狭缝的条件下实现干涉能够使较多的紫外光能量进入探测部，突破性地在紫外宽波段得到干涉光谱图像，从而实现在紫外宽波段光谱范围内灵敏地探测到目标信号。
[0019]本发明的宽波段近景紫外成像光谱装置，工作在辐射能量弱、光谱能量容易被吸收的紫外波段，能够对目标波段内的图像进行成像，因此光源I要能够提供目标紫外波段的光照，并且为了不遗漏在目标范围内任何波长上的成像信息，优选的，光源I可以为任何能够提供连续出射光谱的光源，本发明的实施例对此不做限定。
[0020]在近景成像中，光源I发出的紫外光照射到被测样品S后，需要经过一系列的光学器件最后入射到探测部6上。被测样品S至探测部6的光程可以为O至10米。这些光学器件中，有的用于改变光的传播方向，有的用于成像。在用于改变光的传播方向的器件中，扫描部2起着至关重要的作用，它可以通过扫描逐步使被测样品S的不同部分的反射紫外光入射到前置成像部3，从而使被测样品S在探测部6上形成与扫描部分相对应的一系列图像。可选的，前置成像部3可以包括各种能实现成像功能的反射镜，本发明的实施例对此不做限制，但为了使前置成像部3能够以相对简单的结构实现反射成像功能，在本发明的一个实施例中，前置成像部3优选包括卡塞格林双反射镜。同样的，中继成像部5也可以包括任何具有图像传递功能的反射镜，优选为奥夫纳三反射镜。
[0021]采用反射结构已经可以减小整个成像装置对紫外光的吸收，使成像装置能够在较宽的紫外光谱范围内成像。进一步的，为了更好的抑制可见光和近红外光的干扰，还可以在卡塞格林双反射镜的其中一个反射面上设置宽带高反膜，以便使紫外光被高效率的反射而可见光和近红外光则被吸收。当然，宽带高反膜也可以设置在奥夫纳三反射镜的某个反射面或其他介质上，只要是光路上的介质即可。
[0022]本发明的实施例提供的成像装置是通过探测被测样品的图像信息和干涉条纹信息来实现对连续光谱下的图像分别成像的，因此除了需要前置成像部3对被测样品S中的扫描部分进行成像外，还需要干涉部4来辅助形成干涉条纹。
[0023]根据物理学原理可知，干涉是由频率相同、幅度相同相位不同的光叠加形成的。因此，干涉部4只要能够将入射的反射光分成频率相同、幅度相同、相位不同的两束，再让这两束光相互叠加即可，干涉部4可以为实现上述功能的任意结构。例如，干涉部4可以包括各种无狭缝分振幅干涉结构，如分束棱镜干涉结构或三角共路干涉结构等，本发明的实施例对此不做限制。在本发明的一个实施例中，可以利用半透半反膜等结构将入射到干涉部4的反射光分成两部分，两部分反射光在干涉部4中分别形成带预设相位差的第一图像和第二图像，从而实现干涉。中继成像部5能够将这两个图像传递到探测部6的探测器上并叠加形成带干涉条纹的第三图像。经过扫描部2对被测样品S的扫描，被测样品S在探测部6上相应形成一系列的第三图像，其中每个第三图像中都包括被测样品S的二维图像信息以及相应的一维干涉条纹信息，将这一系列的第三图像相互关联着进行数据处理，即可得到被测样品S在各光谱波长下的图像信息。
[0024]需要说明的是，扫描部2每次只能将被测目标S的某一部分成像到探测部6的探测器的特定位置上。对于被测样品S的每一部分的图像都需要在探测部6的探测器上沿扫描时图像移动的方向依次成像，相邻的两次成像中被测样品S的对应成像部分均在探测部6的探测器上移动一个像素的距离，最后得到的光谱图像信息才精确。因此，扫描部2的步长需要精密控制。
[0025]进一步的，在紫外波长范围内，有些被测目标S受紫外光源照射会在激发出特定波长的荧光，由于这些荧光的波长具有特异性，并且和照射的紫外光具有对应关系，因此，如果能从光谱图像中区分出荧光光谱图像，将有助于被测目标的鉴别。但荧光效应是被测目标吸收光能后激发出射的光，荧光波长通常不同于反射光波长，因此波段较窄的紫外光谱成像装置可能无法同时探测到反射光和荧光。但本发明的实施例提供的宽波段近景紫外成像光谱装置，由于具有较宽的响应波段而能够很好的同时获得清晰的反射光图像和荧光图像。
[0026]具体而言，扫描部2还用于以预设步长对被测样品S进行扫描，以使各次扫描到的部分激发的荧光分别通过前置成像部3在干涉部4上成像；相应的，前置成像部3则具体用于通过反射方式将每次扫描产生的反射光和荧光一起进行调焦，以使所述反射光和所述荧光一起在干涉部4成像；干涉部4可具体用于将来自前置成像部3的、每次扫描产生的反射光和荧光一起，分别成第一图像和第二图像，并将每组第一图像和第二图像传递到中继成像部5。这样，在传递到探测部6的第三图像中就同时含有反射光信息和荧光信息，从而有效实现对于特定物质的检测。
[0027]下面通过具体实施例，对本发明提供的宽波段近景紫外成像光谱装置进行详细的说明。
[0028]如图2所示，本发明提供了一种紫外宽波段近景混光干涉成像光谱装置，包括紫外照明结构81、摆镜扫描系统82、前置近景成像物镜83、干涉光学结构84、中继成像物镜85和紫外阵列成像与数据处理系统86。
[0029]本发明紫外宽波段近景混光干涉成像光谱装置的工作过程为:近景目标812图像在宽波段紫外照明光源811的照射下形成一幅由反射光和激发荧光混合的光学图像，该图像经过摆镜扫描系统82后进入前置近景成像物镜83，然后聚焦成像到干涉光学结构84中；干涉光学结构84和中继成像物镜85共同将上述图像转换成一幅同时包含近景目标二维图像信息和一维干涉条纹信息的光学图像并聚焦到紫外焦平面探测器阵列表面861，然后由数据采集与处理系统863转换为一幅数字化干涉图像；通过摆镜扫描系统82对上述近景目标进行一维扫描，即可采集到干涉图像序列并形成一套干涉图像立方体；该立方体数据经过数据采集与处理系统863进行滤波、傅里叶变换、光谱校正等步骤后，最终形成一套光谱图像立方体，能够从中提取近景目标的二维图像信息、反射光光谱信息与荧光光谱信息。
[0030]其中，紫外照明结构81的紫外照明光源811采用氘灯照明，在200nm至400nm的紫外工作谱段具有连续的出射光谱，从而使近景目标812被均匀照明。
[0031]摆镜扫描系统82为平面摆镜821，转台控制器822采用精密旋转台，其旋转中心位于光轴上，转台旋转与紫外焦平面探测器862的图像采集具备硬件同步装置，以保证采集到的二维干涉图像有效。
[0032]前置近景成像物镜83采用卡塞格林双反射镜结构，两反射镜均为球面，两反射镜的相对位置可以进行调整，使本发明装置实现对焦功能。
[0033]干涉光学结构84采用实体迈克尔逊(Michelson)干涉结构。
[0034]中继成像物镜85采用奥夫纳三反射传像结构，两反射镜为同心球面，奥夫纳传像结构具有无像差、无色差的成像特性。
[0035]干涉成像光谱装置的摆镜扫描系统82、前置近景成像物镜83、中继成像物镜85中的反射镜采用的紫外反射材料在紫外工作谱段反射率均大于92%。并且在摆镜扫描系统82或前置近景成像物镜83或中继成像物镜85中的某一反射面上，镀有紫外宽带高反射膜，该反射膜层在紫外工作谱段反射率平均值大于97%，在可见光、近红外波长范围内平均反射率小于2%，能够有效抑制可见光、近红外等长波信号，同时不损失紫外波段光谱信息。该紫外宽带高反射膜也可以镀在干涉光学结构84的分束镜表面上。
[0036]紫外阵列成像与数据处理系统86选用高分辨率紫外焦平面探测器862，紫外焦平面阵列为1024X1024像元，数据采集与处理系统863包含数据处理流程，以及数据结构建立与存储、反射光与荧光识别等数据处理手段。
[0037]本实施例中，摆镜扫描系统82在近景目标与前置近景成像物镜83之间，干涉光学结构84的两反射镜位置在前置近景成像物镜83的成像面上。中继成像物镜85将干涉光学结构84两反射镜的成像面上的像成像到紫外焦平面阵测器862的紫外焦平面阵列861上并进行采集。紫外照明光源811照明近景目标812后，近景目标812的反射光和激发荧光图像经摆镜821折转后共同进入前置近景成像物镜83，经前置近景成像物镜83的第一反射镜831反射的光束由前置近景成像物镜83的第二反射镜832反射后出射至干涉光学结构84并聚焦成像在其两反射镜上。经两反射镜反射的相干光束再次经过干涉光学结构84后出射至中继成像物镜85，经中继成像物镜85第一反射镜851反射的光束在中继成像物镜第二反射镜852反射后再次经由中继成像物镜85第一反射镜851反射后出射，同时包含近景目标二维图像信息和一维干涉条纹信息的出射光束聚焦成像至紫外阵列成像与数据处理系统86的紫外焦平面阵列861上并由紫外焦平面探测器862对二维干涉图像进行采集，然后由数据采集与处理系统863转换为一幅数字化干涉图像。通过摆镜扫描系统82对上述近景目标进行一维扫描，即可采集到干涉图像序列并形成一套干涉图像立方体。该立方体数据经过数据采集与处理系统863进行滤波、傅里叶变换、光谱校正等步骤后，最终形成一套光谱图像立方体，能够从中提取近景目标812的二维图像信息、反射光光谱信息与突光光谱信息。
[0038]尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
【权利要求】
1.一种宽波段近景紫外成像光谱装置，其特征在于，包括: 光源，用于向被测样品照射紫外光； 扫描部，用于以预设步长对所述被测样品进行扫描，以使各次扫描到的部分的反射光分别通过前置成像部在干涉部上成像； 所述前置成像部，用于通过反射方式将所述扫描部每次扫描产生的所述反射光进行调焦，以使所述反射光在所述干涉部成像； 所述干涉部，用于将来自所述前置成像部的、每次扫描产生的反射光分别成第一图像和第二图像，并将每组所述第一图像和所述第二图像传递到中继成像部；其中，每组所述第一图像的图像内容和所述第二图像的图像内容相同，相位相差预设相位； 所述中继成像部，用于以反射方式将每组所述第一图像和所述第二图像叠加干涉成第三图像并所述第三图像传递到探测部； 所述探测部，用于将叠加干涉后的各所述第三图像的光信号转换为电信号并进行数据处理，以获取所述被测样品在各光谱波长下的图像信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前置成像部包括卡塞格林双反射镜，所述中继成像部包括奥夫纳三反射镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述卡塞格林双反射镜或所述奥夫纳三反射镜上设置有宽带高反膜。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描部，还用于以预设步长对所述被测样品进行扫描，以使各次扫描到的部分激发的荧光分别通过前置成像部在干涉部上成像；所述前置成像部，具体用于通过反射方式将所述扫描部每次扫描产生的所述反射光和所述荧光一起进行调焦，以使所述反射光和所述荧光一起在所述干涉部成像；所述干涉部，具体用于将来自所述前置成像部的、每次扫描产生的反射光和荧光一起，分别成所述第一图像和所述第二图像，并将每组所述第一图像和所述第二图像传递到所述中继成像部。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，叠加干涉后的各所述第三图像中包括所述被测目标的二维图像信息和一维干涉条纹信息。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述被测样品至所述探测部的光程为O至10米。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述干涉部包括无狭缝分振幅干涉结构。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述无狭缝分振幅干涉结构包括分束棱镜干涉结构或三角共路干涉结构。
【文档编号】G01J3/45GK103940514SQ201410177962
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】廖宁放, 吕航, 刘洋, 廉玉生, 吴文敏, 范秋梅, 董志刚, 曹玮亮 申请人:北京理工大学