CN102759402B - 一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，包括前置准直物镜、立方角反射镜、分束器、后置成像物镜、探测器以及控制与处理模块，可以减少目标光能的损失，因此具有高光通量和高探测灵敏度的特点；以分束器或立方角反射镜转动扫描方式代替传统的动镜直线运动扫描方式，避免了由精密直线扫描动镜所带来的一系列技术上的困难；采用基于迈克尔逊干涉原理的横向剪切干涉仪，具有共光路的特性，即使分束器在旋转过程中有微小晃动，也不会影响干涉效果；以立方角反射镜代替传统傅里叶变换成像光谱仪中的平面镜，避免了因平面镜倾斜带来的问题。这些都提高了仪器的稳定性、可靠性以及抗震动冲击的能力，而且使此发明的结构更紧凑。

Description

一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，具体涉及一种高通量高稳定度的旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪。

背景技术

与传统的色散型成像光谱仪相比较，傅立叶变换成像光谱仪具有高光通量、高光谱分辨率、高信噪比等特点。它扩展了光谱研究领域，受到世界各国的广泛关注，并得到了快速发展，在物证鉴定、农业生产、资源勘探、环境监测、防灾减灾、物质鉴别、公共安全等领域有广泛应用。

基于时间调制的傅立叶变换光谱仪具有更高的光谱分辨率和灵敏度，但它对测量平台的稳定性要求很高，为实现高精度光谱图像测量，需要高稳定结构和高精度机械扫描机构。时间调制傅立叶变换光谱仪大多基于迈克尔逊干涉仪，它的突出有点是灵敏度高，依靠动镜移动产生大光程差，进而实现高光谱分辨率的探测，但动镜在扫描中的倾斜和横移使这种系统对机械振动的扰动非常敏感。因此，需要附加伺服系统来控制动镜。这会使光谱仪系统复杂，易受温度影响，从而限制了光谱仪的应用范围。采用转镜代替直线运动或摆动的精密动镜机构，具有较高的系统稳定性、探测灵敏度和探测速度。

Bennett等人于1993年提出基于迈克尔逊干涉仪的时间调制傅里叶变换成像光谱仪（Imaging Fourier transform spectrometer.Proc.SPIE 1993,1937：191-200），该方案对平面动镜在扫描中的稳定性要求极高，环境和温度对其影响非常大。

Wadsworth等人于1997年提出了转镜干涉光谱技术方案(Ultra high speedchemical imaging spectrometer.Proc SPIE，1997，3082：148～154)。该方案中由转镜旋转产生的光程差会由于不同波长折射率的不同带来光程差的非线性，由此对转镜材料的选择提出了很高的要求。

Griffiths等人于1999年提出反射式高速转镜红外干涉光谱仪原理（Ultrarapid scanning Fourier transform infrared spectrometry．Vibrational Spectroscopy，1999，19(1):165～176）。它只能对单像素取样，如果要获得线目标或者面目标的干涉图谱，就必须进行逐点扫描，无法直接得到图谱合一的像。这种光谱仪系统的实时性差，分辨率低，进入系统的光通量小，适用的工作范围较窄。

中国专利102322956A和袁艳等人提出的（转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪ROSI的设计方法，光子学报，2007，36(2):279～281）都是基于sagnac分束结构的转镜干涉成像光谱技术。采用此原理的两种光谱仪无法将sagnac结构做成实体，分束镜和两个反射镜之间的角度具有严格限制，不易装调，结构不紧凑，稳定性较差。

综上所述，迄今为止时间调制型傅立叶变换光谱仪的直线动镜扫描和转镜扫描原理各有特点，但都分别存在稳定性差、对转镜材料要求高、无法直接获的图谱合一的像，且光通量低、不易装调、结构不紧凑等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，能够对目标进行高光通量和高稳定性的干涉光谱成像。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，包括前置准直物镜、立方角反射镜、分束器、后置成像物镜、探测器以及控制与处理模块，其中，

所述前置准直物镜放置在目标的前方，将目标的辐射光束转换成平行光束，分束器放置在前置准直物镜后方的光路中，分束器与平行光束成45°角；

所述立方角反射镜有两个，分别定义为第一立方角反射镜和第二立方角反射镜，其中，第一立方角反射镜放置在分束器的反射光路中，第一立方角反射镜的对角线穿过分束器的对称中心，且与分束器成45°角；第二立方角反射镜位于分束器的透射光路中，第二立方角反射镜和第一立方角反射镜相对于分束器呈对称分布；第一立方角反射镜和第二立方角反射镜组成立方角反射镜组；

所述分束器与立方角反射镜组以分束器的对称中心作为中心点相对转动，用于改变从分束器透射和折射的两路光束的光程差；

所述后置成像物镜为傅里叶变换透镜，放置在与第一立方体反射镜相对一侧的分束器的光路中，用于将从分束器透射和折射的两路光束进行干涉成像；

所述探测器放置在后置成像物镜的焦平面上，用于接收在此焦平面上形成的像面干涉图；

所述控制与处理模块与探测器相连，一方面控制探测器的采样频率，使探测器的采样频率q关系满足：其中ω为分束器与立方角反射镜组的相对转动速度，s为探测器像元的大小，f′为后置成像物镜的焦距，α为分束器与立方角反射镜组之间相对转过的角度；控制与处理模块另一方面对探测器接收的像面干涉图进行存储和数据处理，从而得到目标的光谱数据立方体；

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪还包括转动平移装置，用来驱动整个干涉成像光谱仪旋转，由此改变成像装置的扫描窗口。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪还包括放置在前置准直物镜前的摆镜，摆镜将目标辐射光束反射到前置准直物镜上，并通过摆镜的旋转改变光学系统入瞳视场，由此改变成像装置的扫描窗口。

所述前置准直物镜由两个离轴抛物面反射镜组成，分别定义为第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜，其中第二离轴抛物面反射镜的物方焦点与第一离轴抛物面反射镜的像面位置重合；第一离轴抛物面反射面将目标辐射的光束反射到第二离轴抛物面反射镜，经其准直后反射到分束器上。

所述后置成像物镜采用离轴抛物面发射镜，对分束器的后反射面的折射光和投射光进行聚焦成像，并将所成的像反射到探测器上。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪还包括旋转平台，旋转平台的控制端口与控制与处理模块相连，控制与处理模块控制旋转平台的转动；所述分束器安装在旋转平台上，在旋转平台的带动下，分束器绕其对称中心相对于立方角反射镜组转动。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪还包括旋转平台，旋转平台的控制端口与控制与处理模块相连，控制与处理模块控制旋转平台的转动；所述立方角反射镜组安装在旋转平台上，在旋转平台的带动下，立方角反射镜组绕分束器的对称中心相对于分束器转动。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪具有如下有益效果：

1）本发明相对于现有技术采用的狭缝干涉成像手段，允许任意形状和大小的通光孔径，可以减少目标光能的损失，因此具有高光通量和高探测灵敏度的特点；

2）本发明以分束器转动扫描方式代替传统的动镜直线运动扫描方式，避免了由精密直线扫描动镜所带来的一系列技术上的困难；采用基于迈克尔逊干涉原理的横向剪切干涉仪，具有共光路的特性，即使分束器在旋转过程中有微小晃动，也不会影响干涉效果；以立方角反射镜代替传统傅里叶变换成像光谱仪中的平面镜，避免了因平面镜倾斜带来的问题。这些都提高了仪器的稳定性、可靠性以及抗震动冲击的能力，而且使此发明的结构更紧凑。

3）本发明装置可通过分束器旋转获得很大的横向剪切量，在一定程度上提高光谱分辨率，并在保证较大光程差的条件下大大减小仪器体积。

4）本发明相当于在普通成像光学系统中增加通过旋转分束器改变光程差的横向剪切干涉仪，并利用了立方角反射镜的后向反射特性，原理和结构简单，便于加工，易于装调。

附图说明

图1为本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪的另一个实施例的结构示意图。

图3为本发明的转动平移装置的原理图；

图4为本发明的摆镜的原理图；

图5为本发明的一个实施例公开的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪的结构示意图。

其中，1-前置准直物镜，2-分束器，3-旋转平台，4-第一立方角反射镜，5-第二立方角反射镜，6-后置成像物镜，7-探测器，8-控制与处理模块，9-固定装置。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，如图1所示，包括前置准直物镜1、立方角反射镜、分束器2、后置成像物镜6、探测器7和控制与处理模块8，其中，前置准直物镜1放置在目标的前方，将目标的辐射光束转换成平行光束，分束器2放置在前置准直物镜1后方的光路中，分束器2的前、后两个反射面与平行光束成45°角；本实施例中，可采用旋转平台3将分束器2固定在其上，分束器2在旋转平台3驱动下绕其对称中心在与平行光束平行的面内旋转。

立方角反射镜有两个，分别定义为第一立方角反射镜4和第二立方角反射镜5，其中，第一立方角反射镜4放置在分束器2的反射光路中，第一立方角反射镜4的对角线穿过分束器2的对称中心，且与分束器2成45°角；第二立方角反射镜5位于分束器2的透射光路中，第二立方角反射镜5和第一立方角反射镜4相对于分束器2呈轴对称分布。

后置成像物镜6为傅里叶变换透镜，放置在与第一立方体反射镜相对一侧的分束器2的光路中，用于将从分束器2透射和折射的两路光束进行干涉成像。

探测器7放置在后置成像物镜6的焦平面上，用于接收在此焦平面上形成的像面干涉图；

所述控制与处理模块8与探测器7相连，控制探测器7的采样频率，然后对探测器7接收像面干涉图进行存储和数据处理，从而得到目标的光谱数据立方体。

上述方案中，本发明通过旋转分束器2进行光程差扫描，完成干涉光谱成像，根据相对运动原理，可固定分束器2角度不变，如图2所示，将装置中的两个立方角反射镜采用固定装置9固定在一起，组成立方角反射镜组，并将立方角反射镜组固定在旋转平台3上，在旋转平台3驱动下绕分束器2的对称中心在平行光束的平行面内旋转，以此达到光程差扫描的目的。

本发明对目标物平面的扫描可采用两种方式实现：如图3所示，一是通过转动平移装置搭载整个光谱仪，驱动光谱仪转动，改变前置准直物镜1的扫描窗口，完成对目标的扫描动作；如图4所示，二是通过在光学系统前端加入摆镜，通过摆镜的旋转改变光学系统入瞳视场，完成对目标的扫描动作。

本发明一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪的工作原理为：

来自目标的辐射光束被前置准直物镜1转换成有视场角的平行光束，投射到分束器2上，分束器2将准直后的平行光束分为强度相同或相似的反射光束和透射光束。被分束器2分出的反射光束到达第一立方角反射镜4，第一立方角反射镜4把其入射光沿与入射光平行的方向反射回分束器2，反射回分束器2的光再次被分为反射光束和透射光束，其透射光束透过分束器2到达后置成像物镜6，被位于后置成像物镜6的焦面上的探测器7接收。

被分束器2分出的透射光束到达第二立方角反射镜5，第二立方角反射镜5把其入射光沿与入射光平行的方向反射回分束器2，反射回分束器2的光再次被分为反射光束和透射光束，其反射光束透过分束器2到达后置成像物镜6，被位于后置成像物镜6的焦面上的探测器7接收。

分束器2第一次分出的反射光束，经第一立方角反射镜4，再回到分束器2，通过后置成像物镜6会聚到探测器7形成第一束光的光程；分束器2第一次分出的透射光束，经立第二方角反射镜，再回到分束器2，通过后置成像物镜6会聚到探测器7形成第二束光的光程；这两束光是由分束器2对其入射光横向剪切得到的，是两束相干光，在探测器7上产生叠加干涉条纹的图谱合一的像。

在分束器2旋转过程中，则第一束光和第二束光的光程差随着变化，则两束光的位相差随之改变，则两束光的干涉图谱也变化，只要探测器7以与旋转平台3转速匹配的频率采样，即能在探测器7上得到一系列的图谱合一的像，形成干涉图像立方体。控制与处理模块8对干涉图像立方体重组，并进行傅里叶变换，得到目标的光谱数据立方体。

下面说明探测器7的采样频率与旋转平台3转速的匹配关系：当分束器2开始旋转后，从光程差为零点进行扫描，在分束器2旋转过程中，光程差连续变化，则，干涉条纹相应的在像面干涉图上移动，当旋转平台3转速ω恒定时,像点的移动速度是变化的，旋转平台3速度与探测器7采样频率的匹配十分重要。

通过计算可知，任意一个像点距零光程差像点的距离为y=f’sin(α)=f’sin(ωt)，式中t为旋转平台3转过α角所需的时间；像点的位移速度v_i即为距离y对时间t求导数，则v_i=2ωf’cos(2ωt)，f’为后置成像物镜6的焦距，为了使探测器7能探测到所有的干涉条纹，要求探测器7采样一次，像点在探测器7上最多移动一个探测器单元，因此由相移与探测器7采样帧频的匹配条件V_it≤qst得到探测器7采样频率q与旋转平台3的转动速度ω之间的关系满足其中，q是探测器7的采样频率，s为探测器7像元的大小，α为分束器2转过的角度，可通过仪器测量出来。根据相对运动原理，无论旋转平台3承载分束器2转动还是两个立方角反射镜转动，探测器7的采样频率与旋转平台3转速的匹配关系都满足

如图5所示，为本发明的一个实施例，前置准直物镜1包括前置望远镜1(a)和反射式准直镜，其中前置望远镜1(a)采用单个离轴抛物面反射镜，焦距为150mm，有效口径离轴距离30mm，在近轴区域具有很好的成像质量；反射式准直镜1(b)同样采用一个与前置望远镜1(a)相同的离轴抛物面反射镜，其物方焦点与前置望远镜1(a)的像面位置重合；入射光被准直后成为平行光束并以一定角度投射到分束器2的中心区域。分束器2使用带有补偿板的ZnSe平板，厚6mm，体口径220mm；第一立方角反射镜4和第二立方角反射镜5的顶点以分束器2与主轴呈45度角的位置成轴对称，它们与分束器2的距离均为200mm，它们的口径均为200mm，表面镀金；成像采用一个离轴设计的抛物线反射镜；焦距为40mm，有效口径50×50mm，离轴距离30mm。对于焦平面探测器7，1－5μm波段，采用制冷型PtSi-CCD阵列（512×512象素）；在热红外8～12μm波段，采用制冷型HgCdTe焦平面器件或非制冷型红外焦平面器件（512×512象素）。图像采集卡为量化精度8bit的普通视频图像采集卡，通过PCI总线与计算机连接。信号处理系统采用可视化编程技术，完成图像采集、噪声处理、FFT变换、数据存储等功能。PtSi-CCD阵列的单个像元尺寸为30μm，每个周期的条纹在探测器7上占两个像元，则焦平面探测器7上的最大光程差为：

$L=\left(\frac{512}{2}\right)\×8\mathrm{\μm}=2048\mathrm{\μm}$

其波数分辨率为：

$\mathrm{\Δv}=\frac{1}{2L}=2.44{\mathrm{cm}}^{-1}$

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，包括前置准直物镜（1）、立方角反射镜、分束器（2）、后置成像物镜（6）、探测器（7）以及控制与处理模块（8），其中，

所述前置准直物镜（1）放置在目标的前方，将目标的辐射光束转换成平行光束，分束器（2）放置在前置准直物镜（1）后方的光路中，分束器（2）与平行光束成45°角；

所述立方角反射镜有两个，分别定义为第一立方角反射镜（4）和第二立方角反射镜（5），其中，第一立方角反射镜（4）放置在分束器（2）的反射光路中，第一立方角反射镜（4）的对角线穿过分束器（2）的对称中心，且与分束器（2）成45°角；第二立方角反射镜（5）位于分束器（2）的透射光路中，第二立方角反射镜（5）和第一立方角反射镜（4）相对于分束器（2）呈对称分布；第一立方角反射镜（4）和第二立方角反射镜（5）组成立方角反射镜组；

所述分束器（2）与立方角反射镜组以分束器（2）的对称中心作为中心点相对转动，用于改变从分束器（2）透射和折射的两路光束的光程差；

所述后置成像物镜（6）为傅里叶变换透镜，放置在与第一立方体反射镜相对一侧的分束器（2）的光路中，用于将从分束器（2）透射和折射的两路光束进行干涉成像；

所述探测器（7）放置在后置成像物镜（6）的焦平面上，用于接收在此焦平面上形成的像面干涉图；

所述控制与处理模块（8）与探测器（7）相连，一方面控制探测器（7）的采样频率，使探测器（7）的采样频率q关系满足： 其中ω为分束器（2）与立方角反射镜组的相对转动速度，s为探测器（7）像元的大小，f′ 为后置成像物镜（6）的焦距，α为分束器（2）与立方角反射镜组之间相对转过的角度；控制与处理模块（8）另一方面对探测器（7）接收的像面干涉图进行存储和数据处理，从而得到目标的光谱数据立方体。

2.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，还包括转动平移装置，用来驱动整个干涉成像光谱仪旋转，由此改变成像装置的扫描窗口。

3.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，还包括放置在前置准直物镜（1）前的摆镜，摆镜将目标辐射光束反射到前置准直物镜（1）上，并通过摆镜的旋转改变光学系统入瞳视场，由此改变成像装置的扫描窗口。

4.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，所述前置准直物镜（1）由两个离轴抛物面反射镜组成，分别定义为第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜，其中第二离轴抛物面反射镜的物方焦点与第一离轴抛物面反射镜的像面位置重合；第一离轴抛物面反射面将目标辐射的光束反射到第二离轴抛物面反射镜，经其准直后反射到分束器（2）上。

5.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，所述后置成像物镜（6）采用离轴抛物面发射镜，对分束器（2）的后反射面的折射光和投射光进行聚焦成像，并将所成的像反射到探测器（7）上。

6.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，还包括旋转平台（3），旋转平台（3）的控制端口与控制与处理模块相连，控制与处理模块控制旋转平台（3）的转动；所述分束器（2）安装在旋转平台（3）上，在旋转平台（3）的带动下，分束器（2）绕其对称中心相对于立方角反射镜组转动。 

7.如权利要求1所述的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，其特征在于，还包括旋转平台（3），旋转平台（3）的控制端口与控制与处理模块相连，控制与处理模块控制旋转平台（3）的转动；所述立方角反射镜组安装在旋转平台（3）上，在旋转平台（3）的带动下，立方角反射镜组绕分束器（2）的对称中心相对于分束器（2）转动。