一種差分快照式成像光譜儀與成像方法
【專利摘要】一種差分快照式成像光譜儀與成像方法屬于快照式成像光譜【技術領域】；該光譜儀在傳統(tǒng)成像光譜儀的基礎上，增加了偏振分光器，將傳統(tǒng)單光路結構改變?yōu)槠胶獗酆头瞧胶獗鄣碾p光路結構；該成像方法，利用平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號，再經過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標的圖像和光譜信息；本發(fā)明不僅可以快速地捕捉運動目標的圖像和光譜信息，而且可以大幅提高系統(tǒng)的信噪比，有利于在精細測量領域中應用。
【專利說明】一種差分快照式成像光譜儀與成像方法
【技術領域】
[0001]一種差分快照式成像光譜儀與成像方法屬于快照式成像光譜【技術領域】。
【背景技術】
[0002]光譜儀是能獲得輸入光譜密度函數(shù)的儀器，在農業(yè)、天文、生物、化學、色度計量等領域有著廣泛的應用。光譜儀原理主要分為兩種:一種是以棱鏡和光柵為色散元件的色散型光譜儀，可直接獲取目標的光譜；另一種是以邁克爾遜干涉儀或其他光程差產生元件為核心的干涉型光譜儀，可直接獲取目標的干涉強度分布，需要經過傅里葉變換才能獲取目標光譜。
[0003]色散型光譜儀采用棱鏡或光柵作為色散元件獲取目標光譜，具有技術成熟、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但結構相對復雜，實現(xiàn)高空間分辨率或高光譜分辨率均需小的入射狹縫，限制了光通量和信噪比。干涉型光譜儀利用雙光束干涉的干涉圖作傅里葉變換來獲取光譜數(shù)據(jù)，具有光通量大、光譜分辨率高、自由光譜范圍寬等優(yōu)點。早期的干涉型光譜儀結構大多基于邁克爾遜干涉儀，在相同光譜分辨率下，光通量約為光柵型光譜儀的190倍。但其工作時，需精密、穩(wěn)定的動鏡掃描，因此無法對目標光譜信息進行實時探測，對應用環(huán)境和條件要求也比較苛刻。
[0004]隨著光譜技術的發(fā)展，在生物檢測、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等領域，對光譜儀提出了快速實時地獲取圖像和光譜信息的要求。為此，國內外學者進行了大量的研究。在上世紀九十年代由日本學者Akiko Hirai等人發(fā)表的論文“Application of Multiple-1mageFourier Transform Spectral Imaging to Measurement of Fast Phenomena， OPTICALREVIEW Vol.1，N0.2(1994)205-207”中首次提出一種基于透鏡陣列的快照式成像光譜系統(tǒng)，可以捕捉處于30r/m轉速物體的圖像和光譜信息，但該系統(tǒng)體積比較龐大，抗干擾能力差。此后，美國亞利桑那大學的Michael ff.Kudenov等人在發(fā)表的論文“Compact real-timebirefringent imaging spectrometer,OPTICS EXPRESS17973/Vo1.20,N0.16/30July2012,>中提出了一種基于微透鏡陣列和諾馬斯基棱鏡的小型化的快照式成像光譜儀，可以快速捕捉運動物體的圖像和光譜信息。
[0005]Michael W.Kudenov等人所公開的光譜儀包括成像鏡、入射光闌、準直鏡、微透鏡陣列、起偏器、諾馬斯基棱鏡一、半波片、諾馬斯基棱鏡二、檢偏器、光電探測器及信號處理部件，來自目標的光線經過成像鏡匯聚在入射光闌上，再經過準直鏡準直后到達微透鏡陣列，光線經過微透鏡陣列后射入起偏器，起偏變成線偏振光，偏振方向與X軸、I軸均成45°，該線偏振光在經過諾馬斯基棱鏡一時發(fā)生雙折射，分成兩束偏振方向分別沿X軸和y軸的線偏振光，這兩束線偏振光經過半波片后，線偏振方向互換，之后經過諾馬斯基棱鏡二折射，最后經過檢偏器，兩束光將具有相同偏振方向，最后到達光電探測器及信號處理部件上并發(fā)生干涉。
[0006]若微透鏡陣列的子透鏡個數(shù)為MXN，則得到MXN個子圖像，每個子圖像具有相同的輪廓和不同的像素點灰度，由于每個子圖像經過諾馬斯基棱鏡的位置不同，所以每個子圖像相同位置的像素點的光程差不同，取每個子圖像上相同位置點的灰度值作為一個數(shù)列并作傅里葉變換，即可得到該像素點的光譜信息，同理可以得到子圖像上所有像素點的光譜信息，由此該系統(tǒng)完成了在光電探測器一次積分時間內，獲取含有目標圖像和光譜信息的“數(shù)據(jù)立方體”。
[0007]但是該系統(tǒng)中，目標光源經過起偏器和檢偏器，故其理想的光學效率僅為25%，造成系統(tǒng)的信噪比很低，無法滿足精細測量的要求。

【發(fā)明內容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明設計了一種差分快照式成像光譜儀與成像方法，同現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明不僅可以快速地捕捉運動目標的圖像和光譜信息，而且可以大幅提高系統(tǒng)的信噪比，有利于在精細測量領域中應用。
[0009]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0010]一種差分快照式成像光譜儀，沿光線傳播方向依次設置成像鏡、入射光闌、準直鏡、微透鏡陣列，還包括偏振分光器、平衡臂半波片一、平衡臂諾馬斯基棱鏡一、平衡臂半波片二、平衡臂諾馬斯基棱鏡二、平衡臂檢偏器、平衡臂光電探測器及信號處理部件、非平衡臂半波片一、非平衡臂諾馬斯基棱鏡一、非平衡臂半波片二、非平衡臂諾馬斯基棱鏡二、非平衡臂半波片三、非平衡臂檢偏器和非平衡臂光電探測器及信號處理部件；
[0011]來自目標物的光線經過成像鏡匯聚在入射光闌上，再經過準直鏡到達微透鏡陣列，光線經過微透鏡陣列后射入偏振分光器，光線經過偏振分光器后分成沿原傳播方向繼續(xù)傳播的平衡臂光線，和與平衡臂光線垂直的非平衡臂光線，所述的平衡臂光線和非平衡臂光線均為線偏振光；
[0012]定義平衡臂光線的傳播方向為z軸方向，非平衡臂光線的傳播方向為X軸方向，以X軸和z軸方向為基準,按照右手螺旋定則定義y軸方向；沿光線的傳播方向看,平衡臂光線的偏振方向沿X軸方向，非平衡臂光線的偏振方向沿I軸方向；
[0013]平衡臂光線經過偏振分光器后射入快軸位于xoy平面內并與X軸成22.5°的平衡臂半波片一，平衡臂光線經過平衡臂半波片一后，偏振方向變?yōu)榕cX軸I軸均成45°角，再經過平衡臂諾馬斯基棱鏡一后，分成偏振方向分別沿X軸方向和I軸方向的兩束線偏振光，再經過平衡臂半波片二后，偏振方向互換，分別沿y軸和X軸方向，再經過平衡臂諾馬斯基棱鏡二折射，到達透光軸方向為與X軸y軸均成45°角的平衡臂檢偏器，此時兩束光線的偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同，最后到達平衡臂光電探測器及信號處理部件并發(fā)生干涉；
[0014]非平衡臂光線經過偏振分光器后射入快軸位于yoz平面內并與I軸成22.5°的非平衡臂半波片一，非平衡臂光線經過非平衡臂半波片一后，偏振方向變?yōu)榕cI軸z軸均成45°角，再經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡一后，分成偏振方向分別沿y軸方向和z軸方向的兩束線偏振光，再經過非平衡臂半波片二后，偏振方向互換，分別沿z軸和y軸方向，再經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡二折射，并經非平衡臂半波片三，到達透光軸方向為與I軸z軸均成45°角的非平衡臂檢偏器,此時兩束光線的偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同,最后到達非平衡臂光電探測器及信號處理部件并發(fā)生干涉。
[0015]一種基于上述差分快照式成像光譜儀的成像方法，用平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號，再經過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標的圖像和光譜信息。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術的不同在于，在成像光譜儀的結構上，設置有偏振分光器，將傳統(tǒng)單光路結構改變?yōu)槠胶獗酆头瞧胶獗鄣碾p光路結構；在成像方法上，利用平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號減去非平衡臂光電探測器及信號處理部件得到的干涉信號；以上不同所具有的有益效果在于:利用平衡臂干涉圖和非平衡臂干涉圖之差作為總的干涉圖，在理論上不僅可以減少系統(tǒng)的共模誤差，而且可以減少系統(tǒng)50%的光學損失，使系統(tǒng)的理論光學效率從25%上升到50%，大幅提高系統(tǒng)的信噪比，使本發(fā)明有利于在精細測量領域中應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明差分快照式成像光譜儀的結構示意圖。
[0018]圖2是系統(tǒng)平衡臂光程差產生部分示意圖。
[0019]圖3是光程差的分布示意圖。
[0020]圖4是微透鏡陣列、平衡臂部分軸測圖。
[0021]圖5是平衡臂光電探測器上子圖像的光程差分布示意圖。
[0022]圖6是平衡臂得到的干涉圖立方體示意圖。
[0023]圖7是單個菲涅耳波帶片結構示意圖。
[0024]圖8是4X4菲涅耳波帶片陣列示意圖。
[0025]圖中:1成像鏡、2入射光闌、3準直鏡、4微透鏡陣列、5偏振分光器、61平衡臂半波片一、62平衡臂諾馬斯基棱鏡一、63平衡臂半波片二、64平衡臂諾馬斯基棱鏡二、65平衡臂檢偏器、66平衡臂光電探測器及信號處理部件、71非平衡臂半波片一、72非平衡臂諾馬斯基棱鏡一、73非平衡臂半波片二、74非平衡臂諾馬斯基棱鏡二、75非平衡臂半波片三、76非平衡臂檢偏器、77非平衡臂光電探測器及信號處理部件。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0027]具體實施例一
[0028]本實施例的差分快照式成像光譜儀的結構示意圖如圖1所示。該光譜儀包括成像鏡I ;入射光闌2 ;準直鏡3 ;微透鏡陣列4 ;偏振分光器5 ;平衡臂半波片一 61 ;平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62 ;平衡臂半波片二 63 ;平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64 ;平衡臂檢偏器65 ;平衡臂光電探測器及信號處理部件66 ;非平衡臂半波片一 71 ;平衡臂諾馬斯基棱鏡一 72 ;非平衡臂半波片二 73 ;非平衡臂諾馬斯基棱鏡二 74 ;非平衡臂半波片三75 ;非平衡臂檢偏器76和非平衡臂光電探測器及信號處理部件77 ；
[0029]來自目標物的光線經過成像鏡I匯聚在入射光闌2上，再經過準直鏡3到達微透鏡陣列4，光線經過微透鏡陣列4后射入偏振分光器5，光線經過偏振分光器5后分成兩束，一束沿z軸方向，稱之為平衡臂光線，一束沿X軸方向，稱之為非平衡臂光線，兩束光線均為線偏振光。
[0030]平衡臂光線經過偏振分光器5后射入平衡臂半波片一 61，該半波片的快軸位于xoy面內，并與X軸成22.5°角，平衡臂光線經過平衡臂半波片一 61后，其偏振方向變?yōu)榕cX軸y軸均成45°角，平衡臂光線在平衡臂半波片一 61和平衡臂光電探測器及信號處理部件66之間的光路以及平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62和平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64的光軸方向如圖2所示。平衡臂光線進入平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62的第一片光楔后分成P偏振光和s偏振光，根據(jù)圖2所不平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62的第一片光楔的光軸方向可以判斷P偏振光為非尋常光e光,s偏振光為尋常光ο光。光線經過平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62的膠合面后，根據(jù)平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62的第二片光楔的光軸方向,可以判斷P偏振光為ο光，s偏振光為e光。光線繼續(xù)向前傳播，經過平衡臂半波片二 63，該半波片的快軸位于xoy面內，并與X軸y軸均成45°角，故兩束偏振光經過平衡臂半波片二 63后偏振方向互換，P偏振光變成S偏振光,S偏振光變成P偏振光。兩束偏振光繼續(xù)向前傳播進入平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64的第一片光楔，根據(jù)圖2所示的平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64第一片光楔的光軸方向，可以判斷P偏振光為非尋常光e光，s偏振光為尋常光ο光。光線經過平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64的膠合面后,根據(jù)平衡臂諾馬斯基棱鏡二 64的第二片光楔的光軸方向,可以判斷P偏振光為ο光,s偏振光為e光。此后兩束偏振光射入平衡臂檢偏器65,平衡臂檢偏器65的透光軸方向為與X軸y軸均成45°角,兩束光經過平衡臂檢偏器65后偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同，最后兩束光到達平衡臂光電探測器及信號處理部件66并發(fā)生干涉。
[0031]由于本實施例中使用的諾馬斯基棱鏡均為石英材料，其尋常光折射率η。和非尋常光折射率大小不同，故若平衡臂光線穿過諾馬斯基棱鏡的位置不同，則ο光和e光走過的距離不同，最后兩束干涉光之間的光程差不同，光線穿過位置與光程差大小之間的關系如圖3所示，圖中的X’軸沿著棱鏡光楔厚度變化最快的方向。本實施例的平衡臂部分的軸測圖如圖4所示，其中平衡臂半波片一 61、平衡臂諾馬斯基棱鏡一 62、平衡臂半波片二 63、平衡臂諾馬斯基棱鏡二64、平衡臂檢偏器65五個部件整體以z軸為中心軸旋轉一個很小的角度S。平衡臂光電探測器上子圖像的光程差分布如圖5所示，將子圖像按圖5中的標號從小到大排列起來，得到如圖6所示的干涉圖立方，其中Xi和yi是每幅子圖像的局部坐標系。微透鏡陣列的個數(shù)記為MXN，其中M和N分別為沿X軸和y軸方向的透鏡個數(shù)?？刂?br> 旋轉角度7 = arctan(+)，則可得到每子圖像上相同位置點光程差成等差數(shù)列。
[0032]而非平衡臂光線經過偏振分光器5后射入非平衡臂半波片一 71，該半波片的快軸位于yoz平面內，與y軸成22.5°角，非平衡臂光線經過非平衡臂半波片一 71后，其偏振方向變?yōu)榕cI軸z軸均成45°角，此后平衡臂光線經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡一 72，分成兩束偏振方向分別沿I軸和z軸方向的s偏振光和P偏振光，這兩束光線繼續(xù)經過非平衡臂半波片二 73后，偏振方向互換分別沿z軸和y軸方向，此后兩束光經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡二 74折射到達非平衡臂半波片三75，非平衡臂半波片三75的快軸沿y軸方向，非平衡臂半波片三75并沒有改變兩光線的偏振方向，只將s偏振光的相位相對于P偏振光延遲了η，光線穿過非平衡臂半波片三75后繼續(xù)向前傳播，經過非平衡臂檢偏器76，非平衡臂檢偏器76的透光軸方向為與y軸z軸均成45°角,兩束光經過非平衡臂檢偏器76后偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同，最后兩束光到達非平衡臂光電探測器及信號處理部件77并發(fā)生干涉。要求非平衡臂中的器件與平衡臂的器件材質尺寸相對位置完全相同。與平衡臂相同，非平衡臂也可得到一個如圖6所示的干涉圖立方體。[0033]假設入射光為平面單色光，復振幅為A=eiwt，偏振分光器5的p偏振光反射率為rp，s偏振光透射率為ts，P偏振光的振幅為Ap，s偏振光的振幅為K。
[0034]則平衡臂的MXN個子圖像上相同位置點的復振幅為:
[0035]
【權利要求】
1.一種差分快照式成像光譜儀，沿光線傳播方向依次設置成像鏡(I)、入射光闌(2)、準直鏡(3)、微透鏡陣列(4)，其特征在于:還包括偏振分光器(5)、平衡臂半波片一(61)、平衡臂諾馬斯基棱鏡一(62)、平衡臂半波片二(63)、平衡臂諾馬斯基棱鏡二(64)、平衡臂檢偏器(65)、平衡臂光電探測器及信號處理部件(66)、非平衡臂半波片一(71)、非平衡臂諾馬斯基棱鏡一(72)、非平衡臂半波片二(73)、非平衡臂諾馬斯基棱鏡二(74)、非平衡臂半波片三(75)、非平衡臂檢偏器(76)和非平衡臂光電探測器及信號處理部件(77); 來自目標物的光線經過成像鏡(I)匯聚在入射光闌(2)上，再經過準直鏡(3)到達微透鏡陣列(4)，光線經過微透鏡陣列(4)后射入偏振分光器(5)，光線經過偏振分光器(5)后分成沿原傳播方向繼續(xù)傳播的平衡臂光線，和與平衡臂光線垂直的非平衡臂光線，所述的平衡臂光線和非平衡臂光線均為線偏振光； 定義平衡臂光線的傳播方向為z軸方向，非平衡臂光線的傳播方向為X軸方向，以X軸和z軸方向為基準，按照右手螺旋定則定義y軸方向；沿光線的傳播方向看，平衡臂光線的偏振方向沿X軸方向，非平衡臂光線的偏振方向沿I軸方向； 平衡臂光線經過偏振分光器(5)后射入快軸位于xoy平面內并與X軸成22.5°的平衡臂半波片一(61)，平衡臂光線經過平衡臂半波片一(61)后，偏振方向變?yōu)榕cX軸y軸均成45°角，再經過平衡臂諾馬斯基棱鏡一(62)后，分成偏振方向分別沿X軸方向和y軸方向的兩束線偏振光，再經過平衡臂半波片二(63)后，偏振方向互換，分別沿y軸和X軸方向，再經過平衡臂諾馬斯基棱鏡二(64)折射，到達透光軸方向為與X軸I軸均成45°角的平衡臂檢偏器(65)，此時兩束光線的偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同，最后到達平衡臂光電探測器及信號處理部件(66)并發(fā)生干涉； 非平衡臂光線經過偏振分光器(5)后射入快軸位于joz平面內并與y軸成22.5°的非平衡臂半波片一(71)，非平衡臂光線經過非平衡臂半波片一(71)后，偏振方向變?yōu)榕cy軸z軸均成45°角，再經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡一(72)后，分成偏振方向分別沿y軸方向和z軸方向的兩束線偏振光，再經過非平衡臂半波片二(73)后，偏振方向互換，分別沿z軸和y軸方向，再經過非平衡臂諾馬斯基棱鏡二(74)折射，并經非平衡臂半波片三(75)，到達透光軸方向為與y軸z軸均成45°角的非平衡臂檢偏器(76)，此時兩束光線的偏振方向均與檢偏器的透光軸方向相同，最后到達非平衡臂光電探測器及信號處理部件(77)并發(fā)生干涉。
2.一種基于權利要求1所述的差分快照式成像光譜儀的成像方法，其特征在于:用平衡臂光電探測器及信號處理部件(66)得到的干涉信號減去非平衡臂光電探測器及信號處理部件(77)得到的干涉信號，再經過去直流、切趾、相位校正和傅里葉變換處理，得到目標的圖像和光譜信息。
【文檔編號】G01J3/447GK103900693SQ201410150852
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年2月18日
【發(fā)明者】金鵬, 朱帥帥, 張宇, 林杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學