CN106872038A - 一种高通量高稳定相干色散光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高通量高稳定相干色散光谱成像装置，该装置包括依次设置的共光路干涉分光光路、色散分光光路以及光电探测器；所述共光路干涉分光光路采用非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，使得最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束不再与入射光束重合，而是在空间上平行分离；在二次分光前的光路上对应于空间上平行分离的光束还设置有光程调节结构，使得两路一级光束最终产生光程差，以干涉光束出射；其中一路干涉光束经会聚后到狭缝上，该狭缝成为色散分光光路的入射像面位置；另一路干涉光束即所述最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束也经会聚后进入色散分光光路。

Description

一种高通量高稳定相干色散光谱成像装置

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种相干色散光谱成像的方法及装置。

背景技术

光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。光谱成像技术广泛应用于军事、医学、工业、农业、资源环境、大气探测、天文等方面，发展正方兴未艾。

色散型和干涉型是光谱成像技术中的两种主要分光类型。一般情况下将这两种分光方法分开使用。在极少数情况下，比如利用干涉条纹的多普勒频移变化追踪目标的速度时，在遥感领域测风速、天文领域测恒星和行星的运行速度等情况下，会将这两种分光方法结合起来，以获取对目标的理想的测量精度。

本发明涉及一种将干涉型分光方法和色散型分光方法结合起来的相干色散光谱成像方法。在文献[1][2]中，曾提出了一种利用传统迈克尔逊干涉分光技术结合透射光栅分光技术的相干色散方法(Fixed Delay interferometer)，后来也有将其中的透射光栅改进为反射光栅分光技术的方法。然而，其中的干涉分光技术一直是基于迈克尔逊干涉分光技术的，属于非共光路干涉分光技术，干涉仪往往因热力学变形和环境变化而使得干涉条纹不稳定。由于在利用干涉条纹的多普勒频移探测目标的速度时，对光程差和干涉条纹的稳定性要求很高，否则会严重影响测量的精度，因而采用基于迈克尔逊干涉分光技术的干涉仪会额外增加对环境的温度和压强的苛刻要求。此外，传统相干色散方法中迈克尔逊干涉分光只利用了目标光中50％的能量，因为干涉仪返回光源的一路光的能量未加利用。干涉仪的能量利用率理论上也只能达到50％，在天文观测上能量损失是比较严重的(相当于延长了4倍的观测时间)，造成系统透过率和灵敏度低。

传统相干色散方法上，采用非共光路的迈克尔逊干涉分光技术，主要还是考虑到其干涉仪的两个臂是分开的，光束在两个臂中行进，根据臂长的不同则两臂中的光程可以不同，即可产生所需的光程差。而传统共光路(对称结构)的分光技术，无论在真空、空气或其它介质中，目标光在其中行进的路线是重合且相同的，无法产生光程差。传统相干色散方法尚未见应用共光路技术。

[1]Ge J,2002a,Fixed Delay Interferometry for Doppler ExtrasolarPlanet Detection.The Astrophysical Journal,571,165.

[2]Ge J,Erskine D and Rushford M,2002b,An Externally DispersedInterferometer for Sensitive Doppler Extrasolar Planet Searches.Publicationsof the Astronomical Society of the Pacific,114:1016–1028.

发明内容

本发明的目的在于提出一种稳定度高、能量利用率高的相干色散光谱成像装置。

本发明的基本构思如下：

改进共光路干涉分光方法替代传统非共光路分光方法，并将能量利用率提高1倍到接近100％，从而提高系统稳定性、透过率和灵敏度。具体是：将共光路设计改进为非对称结构，使得返回的光束(即返回光源入射方向的光束)不再与入射光束重合，而是在空间上平行分离。如果此时光束都经过相同的介质，当然无法产生光程差，但我们采用改变光束通过介质或者路径的方式，延长/缩短光程从而改变光程差，例如将光束经干涉分光后的两路光的一路中加入改变光程的光学器件，则该路光束会产生变化光程，从而与另一路产生了光程差。如此，便实现了大光程差的共光路分光结构。从而，形成以共光路分光技术+色散分光技术结合的相干色散光谱成像方法，以及由共光路Sagnac干涉仪和光栅色散器件组合形成的相干色散光谱成像仪。

基于以上发明构思，本发明给出以下解决方案：

该高通量高稳定相干色散光谱成像装置，主要包括依次设置的共光路干涉分光光路、色散分光光路以及光电探测器；

所述共光路干涉分光光路采用非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，即共光路Sagnac干涉仪中的反射面的空间位置设置使得最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束不再与入射光束重合，而是在空间上平行分离；

记分束面首次分光得到一级光束，二次分光得到二级光束；则在二次分光前的光路上对应于空间上平行分离的光束还设置有光程调节结构，使得两路一级光束(透射光束和反射光束)最终产生光程差，以干涉光束出射；

其中一路干涉光束经会聚后到狭缝上，该狭缝成为色散分光光路的入射像面位置；另一路干涉光束即所述最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束也经会聚后进入色散分光光路。

基于上述方案，本发明还进一步作了如下优化：

上述光程调节结构，具体是增设不同的光学介质，或者增加路径来改变光程。

上述光程调节结构设置于首次分光后的透射光路上，或者设置于首次分光后的反射光路上。

上述光学介质为棱镜，上述增加路径采用反射镜组合实现。

上述色散分光光路采用棱镜色散分光形式或者光栅色散分光形式，其中光栅色散分光形式具体选择透射光栅或反射光栅。

在入射光源与所述共光路干涉分光光路之间，还设置有前置光学整形系统(以实现对入射光的准直、消杂散光等作用)，主要由透镜和/或反射器件组成。

上述分束面为半透半反型。

上述共光路Sagnac干涉仪的分光结构，是由反射镜和半透半反分束器组成的空心形式，或者是由棱镜在不同面上相应地镀反射膜和半透半反分束膜组成的实心形式。

上述另一路干涉光束是经平面反射镜转向后，再经会聚后进入色散分光光路。当然，也可以直接在返回光源入射方向的(在空间上分离的)光束所在光路上设置另一狭缝，使在空间上分离的这部分光束进入另一色散分光光路中。

将两路干涉光束用平面反射镜反射到后续光路中加以利用，具体可以是将干涉仪产生的两路干涉输出光合并到同一光路进行后续处理，也可以分开到不同光路进行后续处理。即：上述另一路干涉光束也经会聚后进入色散分光光路，具体可为：该另一路干涉光束经所述平面反射镜后，与所述其中一路干涉光束同方向共同会聚至同一狭缝，进入同一色散分光光路中；或者该另一路干涉光束经所述平面反射镜后，沿不同的方向经另一处会聚至另一狭缝，进入另一色散分光光路中。

本发明主要的优点是：

1、稳定度高

干涉分光技术为共光路技术，以此研制的干涉仪和相干色散光谱成像仪稳定度高。利用共光路分光技术后，外界热力学变化同时作用于干涉仪的两个臂，因此产生的光程差可以相互抵消，形成的干涉条纹也更加稳定，相应的干涉仪和相干色散光谱成像仪稳定度高。

2、能量利用率高，系统灵敏度高

本发明中将干涉仪输出的两路干涉光全部利用，避免了传统相干色散光谱成像仪中只利用一路干涉输出的情况，使得利用率增加到接近100％，整个系统的透过率也大大增加，因而提高了系统的灵敏度。

3、大光程差

通过将光束经干涉分光后的两路光的一路中加入改变光程的元件，如棱镜或反射镜组合，则可产生大光程差。如此，便实现了大光程差的共光路分光结构。

4、输入光源可以是点光源或者面光源，可以是平行光也可以是会聚光。本发明的相干色散光谱成像仪光学系统设计灵活，输入光源形式可以有多种。

附图说明

图1为本发明的第一种实施例；

图2为本发明的第二种实施例；

图3为加入到干涉仪中用于产生光程差的光程调节结构的示意图，其中前两种为增设光学介质的模式(棱镜或棱镜组合)，后三种为增加路径的模式(平面镜组合)。

附图标号说明：

1—入射光源，2—Sagnac干涉仪，3—棱镜(光程调节结构)，4—半透半反分束器，5—平面反射镜，6—会聚透镜，7—狭缝，8—透镜，9—光栅，10—光电探测器。

具体实施方式

参见图1和图2，该高通量高稳定相干色散光谱成像装置采用非对称结构的Sagnac分光干涉仪，该非对称结构的Sagnac分光干涉仪，可以采用实体也可以采用分体式的结构，由半透半反分束器和两个反射面，或者由半透半反分束器和三个反射面组成。通过调节Sagnac干涉仪中的反射面的空间位置，保证最终经分束器返回的光束(返回光源入射方向)与入射光束不再重合，而是在空间上平行分离，从而便于对光束通过改变介质或路径来改变光程。

目标光以平行或者会聚光进入到非对称结构的共光路Sagnac干涉仪；目标光被干涉仪中的半透半反分束器分成一路透射光束和一路反射光束；在透射光束或者反射光束上加入光程调节结构，让光束通过，之后再次达到分束器；返回到分束器的透射光束和反射光束再次被分束器透射和反射，形成四路光，其中两路光产生干涉光且同方向返回光源入射方向，另两路产生干涉光且传播到另一方向(图中垂直光源入射方向)；干涉光形成干涉条纹，将干涉条纹会聚后到成像狭缝上，狭缝成为后续光路中色散器件的入射像面位置。后续光路可采用光栅色散分光形式，色散器件为透射光栅或者反射光栅，将干涉条纹按照波长色散到光电探测器上接收。接收后的按波长分布的干涉条纹被降噪滤波、放大等处理后，在硬件芯片或者计算机上软件处理，提取得到干涉条纹的信息。通过处理干涉条纹的强度、相位变化，反演出目标光的运行速度等信息。

下面具体以图1所示结构(较佳实施例)为例详述本发明：

Sagnac干涉仪2设置于入射光源1的光路上，入射光源后可接入由透镜或者反射器件组成的前置镜器件，以实现对入射光的准直、消杂散光等作用。Sagnac干涉仪2包括由三个反射面和一个半透半反分束面，可以是由反射镜和半透半反分束器4组成的空心形式，也可以是由棱镜镀反射膜和半透半反分束膜4组成的实心形式。在设计上，须为非对称结构，即干涉仪的三个反射面不关于分束面轴对称，而是其中一个面或二个面甚至三个面各自产生一定的平移，平移量取决于光束的直径和所需的物理空间尺寸。无论平移量多少，干涉仪的两路出射干涉光束一路返回光源方向，且不再与原入射光束重合；另一路垂直于入射光源方向。

需要说明的是，除了图1和图2所示的三反射面型的Sagnac干涉仪(由三个反射面和一个分束面组成)以外，五角棱镜型的Sagnac干涉仪(由两个反射面和一个分束面组成)显然也是适用上述方案的。加入到干涉仪其中一路光的棱镜3用于改变光程，它可以加入到入射光源第一次通过半透半反分束器4后的透射光束里，也可以加入到第一次通过半透半反分束器4后的反射光束里，但必须是在它们再次通过半透半反分束器4前。

如附图3所示，用于改变光程的棱镜3也可以改为反射镜组合等形式。

图中所示的干涉仪为空心结构，半透半反分束器4可以是立方体形式的分束器也可以是平板形式的分束器，若干涉仪为实心结构，则可以是由组成干涉仪的棱镜镀半透半反分束膜实现。

平面反射镜5的作用是将返回到光源的一路干涉光反射到后续光路中，使得干涉仪模块的能量利用率达到最高接近100％，最大限度提高系统的透光率。图1中，此路干涉光与另一路干涉光平行且同向，共同进入到同一会聚透镜6中。对于图2所示结构，则平面反射镜5使此路干涉光以不同方向出射，则需另外单独设置一路会聚透镜、狭缝等进入相应的色散分光光路。

会聚透镜6的作用是将干涉光形成的干涉条纹会聚成像到狭缝7处。狭缝7的作用是作为后续色散器件的入射狭缝，也是后续色散分光系统的一次像面处，也起到消除杂散光的作用。透镜8的作用是将狭缝处的光线整理成平行光，入射到后续色散器件光栅中。透镜8也可以用反射镜组合替代(相应的，将后续光学器件置于反射镜组的反射光路上)。该实施例采用光栅色散分光形式，光栅9的作用是将干涉光束形成的干涉条纹按照波长色散，并成像到光电探测器10上。光栅9可以是透射光栅，也可以是反射光栅。

光电探测器10的作用是将按照波长分布的干涉条纹信号进行采样收集，并转换为电信号，并将信号进行放大、滤波等处理，为实现目标光的速度、温度等相关参数的硬件反演或者计算机软件反演提供测量数据。光电探测器可以是CCD，也可以是其它光电转换器件。

Claims (10)

1.一种高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：包括依次设置的共光路干涉分光光路、色散分光光路以及光电探测器；

所述共光路干涉分光光路采用非对称结构的共光路Sagnac干涉仪，即共光路Sagnac干涉仪中的反射面的空间位置设置使得最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束不再与入射光束重合，而是在空间上平行分离；

记分束面首次分光得到一级光束，二次分光得到二级光束；则在二次分光前的光路上对应于空间上平行分离的光束还设置有光程调节结构，使得两路一级光束最终产生光程差，以干涉光束出射；

其中一路干涉光束经会聚后到狭缝上，该狭缝成为色散分光光路的入射像面位置；另一路干涉光束即所述最终经共光路Sagnac干涉仪中分束面返回的光束也经会聚后进入色散分光光路。

2.根据权利要求1所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述光程调节结构，是增设不同的光学介质，或者增加路径来改变光程。

3.根据权利要求2所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述光程调节结构，设置于首次分光后的透射光路上，或者设置于首次分光后的反射光路上。

4.根据权利要求2所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述光学介质为棱镜，所述增加路径采用反射镜组合实现。

5.根据权利要求1所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述色散分光光路采用棱镜色散分光形式或者光栅色散分光形式，其中光栅色散分光形式具体选择透射光栅或反射光栅。

6.根据权利要求1所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：在入射光源与所述共光路干涉分光光路之间，还设置有前置光学整形系统，主要由透镜和/或反射器件组成。

7.根据权利要求1所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述分束面为半透半反型。

8.根据权利要求7所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述共光路Sagnac干涉仪的分光结构，是由反射镜和半透半反分束器组成的空心形式，或者是由棱镜在不同面上相应地镀反射膜和半透半反分束膜组成的实心形式。

9.根据权利要求1所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述另一路干涉光束是经平面反射镜(5)转向后，再经会聚后进入色散分光光路。

10.根据权利要求9所述的高通量高稳定相干色散光谱成像装置，其特征在于：所述另一路干涉光束具体是经所述平面反射镜(5)后，与所述其中一路干涉光束同方向共同会聚至同一狭缝，进入同一色散分光光路中；或者经所述平面反射镜(5)后，沿不同的方向经另一处会聚至另一狭缝，进入另一色散分光光路中。