申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

申请日：2017-07-31

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN109324023B

主分类号：G01N21/45

分类号：G01N21/45

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.03.08#实质审查的生效;2019.02.12#公开

摘要：本发明涉及一种紧凑型差分干涉成像光谱仪及其成像方法，包括沿光路设置的望远系统、滤波片、低色散模块、高色散模块、检偏器及探测器；低色散模块与高色散模块均包括偏振分束棱镜、依次设置在偏振分束棱镜透射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅及设置在偏振分束棱镜反射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅；望远系统用于收集观测目标的光谱辐射；滤波片用于将收集观测目标的光谱辐射滤波；低色散模块用于将滤波后的光线分光，高色散模块用于光线聚集并射出；检偏器用于将出射光合束，探测器用于接收检偏器出射的干涉图像并将望远系统收集的光谱辐射成像。将本发明应用在大气成分探测中，可以通过获得的光谱信息获得大气成分。

主权项：1.一种紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的望远系统、滤波片、低色散模块、高色散模块、检偏器及探测器；所述望远系统包括望远物镜及设置在望远物镜前焦面上的干涉仪入瞳；所述探测器位于望远物镜的像面上；所述低色散模块与高色散模块均包括偏振分束棱镜、依次设置在偏振分束棱镜透射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅及设置在偏振分束棱镜反射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅；所述望远系统用于收集观测目标的光谱辐射；所述滤波片用于将收集观测目标的光谱辐射滤波；所述低色散模块用于将滤波后的光线分光，所述高色散模块用于将经低色散模块分光的光线聚集并射出；所述检偏器用于将出射光合束，所述探测器用于接收检偏器出射的干涉图像并将望远系统收集的光谱辐射成像；所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪的成像方法包括以下步骤：步骤一：望远系统收集观测目标的光谱辐射，经滤波片后入射至低色散模块；步骤二：入射光线经过低色散模块中的偏振分束棱镜分束，形成透射P偏振光及反射S偏振光；透射P偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片后转化为S偏振光射出；反射S偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜，然后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片转换为P偏振光射出；步骤三：从低色散模块出射的P偏振光入射至高色散模块，透过偏振分束棱镜经四分之一波片转换为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片转化为S偏振光，经偏振分束棱镜反射后出射；从低色散模块出射的S偏振光入射至高色散模块，经过偏振分束棱镜反射再经过四分之一波片后，转化为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片后变成P偏振光，透过偏振分束棱镜后出射；步骤四：出射的P偏振光和S偏振光经检偏器后，在探测器上形成干涉条纹得到只含单一方向光程差的干涉图；同时探测器将望远系统收集到的光谱辐射成像得到图像信息；步骤五：推扫，得到含有整个光程差信息的干涉图；对收集到的干涉图即干涉数据立方体进行逆傅里叶变换，得到目标完整的光谱数据立方体。

全文数据：一种紧凑型差分干涉成像光谱仪及其成像方法技术领域本发明涉及一种紧凑型差分干涉成像光谱仪及其成像方法。背景技术2013年，JohnM.Harlander提出实条纹多普勒非对称空间外差干涉仪的概念HARLANDERJM,ENGLERTCR.Designofareal-fringeDASHinterferometerforobservationsofthermosphericwindsfromasmallsatellite[C].FourierTransformSpectroscopy.OpticalSocietyofAmerica,2013:FW1D.2.，并基于氧原子红线O[1D]630nm进行星载高层大气风场探测，给出设计系统的参数和具体模拟模型。2015年，中国科学院西安光学精密机械研究所对实条纹多普勒非对称空间外差干涉仪的概念和基本原理作出详细解释，FEIXiao-yun,FENGYu-tao,BAIQing-lan,etal..Real-fringeDASHinterferometerforupperatmosphericwindandtemperatureobservation:conceptandsimulation[C].TheinternationalConferenceonPhotonicsandOpticalEngineeringandtheAnnualWestChinaPhotonicsConferenceicPOE2014.TheinternationalsocietyforOpticsandPhotonics,2015:94492S-94492S-7.并给出了系统中基本光学元件的参数，如闪耀光栅刻线密度等，并进行模拟和仿真，具体给出了针对氧原子红线O[1D]630nm的干涉图像和不同初始相位下光程补偿Δd的系数变化对于干涉条纹频率的影响。上述都是利用实条纹多普勒非对称空间外差干涉仪进行星载高层大气风场探测，只能实现大气风速的探测，在特定情况下，需要获得更多的大气风场信息，如大气成分信息，但上述的论文中都未明确提出实条纹多普勒非对称空间外差干涉仪具有除探测大气风速外的其他功能。发明内容为了获得大气成分信息，本发明提出一种紧凑型差分干涉成像光谱仪及其成像方法，该干涉成像光谱仪不仅能够成像而且可以获得目标的光谱信息。本发明的技术解决方案是提供一种紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的望远系统、滤波片、低色散模块、高色散模块、检偏器及探测器；所述望远系统包括望远物镜及设置在望远物镜前焦面上的干涉仪入瞳；所述探测器位于望远物镜的像面上；上述低色散模块与高色散模块均包括偏振分束棱镜、依次设置在偏振分束棱镜透射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅及设置在偏振分束棱镜反射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅；上述望远物镜用于收集观测目标的光谱辐射；上述滤波片用于将收集观测目标的光谱辐射滤波；上述低色散模块用于将滤波后的光线分光，上述高色散模块用于将经低色散模块分光的光线聚集并射出；上述检偏器用于将出射光合束，上述探测器用于接收检偏器出射的干涉图像并将望远系统收集的光谱辐射成像。本发明系统主要由一个低色散模块和一个高色散模块组成，即两套干涉结构，每个色散模块均包含闪耀光栅，偏振分束棱镜和四分之一波片，由于两个色散模块的色散方向是相反的即：低色散模块用于分光，高色散模块将光线聚集并出射。因此光线穿过检偏器后，将条纹定域在探测器上。优选地，上述偏振分束棱镜上镀有偏振分束膜。优选地，为了使分束器出射的两束光以littrow角入射至闪耀光栅，上述闪耀光栅与偏振分束棱镜的出射面具有夹角。优选地，设置在低色散模块中的闪耀光栅的刻线密度小于设置在高色散模块中的闪耀光栅的刻线密度。优选地，为了有效的利用光能，并且有效抑制杂散光，上述四分之一波片的透光轴和X方向成45°，定义低色散模块的入射光方向为Z方向，低色散模块的出射光方向为X方向。优选地，为了提供能量利用率，上述检偏器的透光轴与X方向成45°角。本发明还提供一种基于上述的紧凑型差分干涉成像光谱仪的成像方法，包括以下步骤：步骤一：望远系统收集观测目标的光谱辐射，经滤波片后入射至低色散模块；步骤二：入射光线经过低色散模块中的偏振分束棱镜分束，形成透射P偏振光及反射S偏振光；透射P偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片后转化为S偏振光射出；反射S偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜，然后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片转换为P偏振光射出；步骤三：从低色散模块出射的P偏振光入射至高色散模块，透过偏振分束棱镜经四分之一波片转换为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片转化为S偏振光，经偏振分束棱镜反射后出射；从低色散模块出射的S偏振光入射至高色散模块，经过偏振分束棱镜反射再经过四分之一波片后，转化为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片后变成P偏振光，透过偏振分束棱镜后出射；步骤四：出射的P偏振光和S偏振光经检偏器后，在探测器上形成干涉条纹得到只含单一方向光程差的干涉图；并且望远系统将收集到的光谱辐射成像在探测器上得到图像信息；步骤五：推扫，得到含有整个光程差信息的干涉图干涉数据立方体；对收集到的干涉数据立方体进行逆傅里叶变换，得到目标完整的光谱数据立方体。因此该系统不仅可以得到光谱信息，而且还能获取图像信息，通过推扫可以获得完整的光谱数据立方体。根据光栅方程：σsinθL1+sinθL1-γ＝mD1，σsinθL2-γ+sinθL2-δ＝mD2，σ为入射光的波数，θL1和θL2分别为光束在低色散模块和高色散模块的Littrow李特罗入射角，m为衍射级次，D1为低色散模块的闪耀光栅的刻线密度，D2为高色散模块的闪耀光栅的刻线密度。不同波数的光以不同衍射角从闪耀光栅上出射，则一定存在某一波数的光会按照原来的光路返回，即γ＝0，此波数称为李特罗波数σ0。因此，γ为任意波数σ与李特罗波数σ0在低色散模块出射面上光束所成的夹角，两闪耀光栅出射波面相差2γ。δ为任意波数σ与李特罗波数σ0在高色散模块出射面上光束所成的夹角，两闪耀光栅出射波面相差2δ。则任意波数σ在出射波面会发生干涉，满足公式：Ix＝∫Bσ1+cos2π4σ-σ0tanθL2-tanθL1xdσ，在探测器上得到沿X方向的光强度信息，然后将Ix进行傅里叶逆变换得到入射光谱信息Bσ。上式中的Ix的变化量主要有两个：σ和x。在σ不变的情况下，探测器每次拍摄获取的图像为只含x变化的干涉图，因此需要通过推扫来获得含有整个光程差信息的干涉数据立方体。如图3所示，推扫过程中，获取完整的光程差所需的采样数为N，每一行像元获得完整的干涉信息需要拍摄N帧图像，获得全部像元的完整干涉信息则需要推扫拍摄2N-1帧图像，最后将推扫获得的干涉图像裁剪、拼接、重构，得到目标的完整的干涉数据立方体。根据推扫过程，可知每个像元上成的像只含有单一的光程差的干涉信息，探测器在某一时刻获取的图像中，每一行像元对应的光程差均不相同。使用空间的调制的方法产生光程差，利用时间调制的方式获得干涉信息。对目标场景上任意一点来说，设其在探测器上所成像的坐标为x，y，其光谱函数为Bx，yσ，光程差为Δip，则目标的只含X方向变化的干涉信息可由公式表示：经过推扫和数据重构，得到完整干涉信息Ix，y，R[Δipx]，R∈{1,2…N}，对收集到的干涉数据立方体完整的干涉信息进行逆傅里叶变换，即可得到目标中任意一个像元的复原光谱为：BR，yσ。对每幅干涉数据立方体进行傅里叶逆变换，可得到目标完整的光谱数据立方体。本发明的有益效果是：1、将本发明应用在大气成分探测中，可以通过获得的光谱信息获得大气成分；2、该系统的探测器可获得目标的空间图像与叠加在空间图像上的干涉信息；3、本发明紧凑型差分干涉成像光谱仪利用高色散模块取代传统空间外差干涉仪的出射光成像光路，因此该紧凑型差分干涉成像光谱仪比传统空间外差干涉仪体积更小，重量更轻，结构更紧凑。4、传统的实条纹多普勒非对称空间外差干涉仪，对于轴上入射光谱Bσ，在探测器X方向上获取的干涉图信号表述为在光谱数据反演时，由于系统在光学元件布局，光程差函数附加了一个额外的光程差Δd，并且附加的光程差Δd较大，当进行光谱采样时无法取到零光程位置，只能取到边缘光程差位置，边缘光程差位置的干涉条纹对比度差，反演的光谱精度会很差。而本发明紧凑型差分干涉仪在做光谱反演时采用单边过零采样，因零光程差处，多光谱都会在零光程差处形成干涉极大值，并且干涉对比好，反演精度高。附图说明图1为本发明系统示意图；图中附图标记为，1-偏振分束棱镜，2-闪耀光栅，3-扩视场棱镜，4-探测器，5-检偏器，6-望远物镜，7-λ4波片，8-滤波片。图2为本发明系统光路图；图3为本发明系统推扫原理图；图4为通过本发明方法得到的仿真图片；图5为通过本发明方法得到的实验结果图片；图6为传统形式的差分干涉仪，图中附图标记为，21-光栅，22-分束器，23-探测器。具体实施方式以下结合附图对本发明做进一步的描述。从图1可以看出，本发明系统包含干涉仪入瞳，望远物镜6，滤波片8，高色散模块和低色散模块两套干涉结构，检偏器5和探测器4阵列。其中高色散模块和低色散模块都包含闪耀光栅2组件，λ4波片7，扩视场棱镜3和核心元件偏振分束棱镜1。偏振分束棱镜1：主要将自然光分开，分成S偏振光和P偏振光，透射P偏振光，反射S偏振光。闪耀光栅2组件总共分为两组：一组光栅的刻线密度为D1在低色散模块中使用，另一组光栅的刻线密度为D2在高色散模块中使用D2D1。本系统中的光栅都是相对于偏振分束棱镜1对称放置，使偏振分束棱镜1出射的两束光以littrow角入射至闪耀光栅2，光栅都要旋转一定的角度。λ4波片7：主要改变光的偏振特性，此系统中让入射线偏振光S偏振光或者P偏振光的光矢量与波片快轴成45°，当S偏振光或者P偏振光透过λ4波片时，会由线偏振光变成圆偏振光，当光从闪耀光栅反射回来时，透过λ4波片后，圆偏振光变成线偏振光，即P偏振光变S偏振光，S偏振光变P偏振光，可以有效的利用光能，并且有效抑制杂散光。扩视场棱镜3：主要扩大整个系统的立体角Ω。检偏器5即线偏振器，当光通过检偏器5后会形成线偏振光，当两束通过检偏器5时会形成在其透光轴上的叠加。为达到好的能量利用情况需要将检偏器的透光轴也与x轴成45°角。探测器4阵列：位于望远物镜的像面上，作用接收干涉图及对望远系统收集的光谱辐射成像。干涉仪入瞳：位于望远物镜的前焦面上，作用控制入射到干涉仪能量的多少。望远物镜6：将系统接收的光会聚于探测器上。望远物镜的焦距f，视场角w，F数是需要根据整个系统的布局来确定的。滤波片8：将系统接收的光谱辐射有选择的接收，只接收一定谱段的光。通过下述方法实现成像：望远系统收集观测目标的光谱辐射，经滤波片后入射至低色散模块，经过偏振分束棱镜分束，分束后两束光：透射P偏振光振动方向平行于纸面，反射S偏振光振动方向垂直于纸面。透射的P偏振光，经过四分之一波片，此时四分之一波片的透光轴和x轴成45°，则P偏振光变为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜，然后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次和四分之一波片相遇，此时圆偏振光经过它之后变为S偏振光。另一束光，即反射的S偏振光，经过四分之一波片后变成圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜，然后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次和四分之一波片相遇，此时圆偏振光经过它之后变为P偏振光。从低色散模块出射的光入射至高色散模块，其中一束P偏振光透过偏振分束棱镜经过四分之一波片后，变成圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片后变成S光，经偏振分束棱镜反射后出射；另一束S偏振光，经过偏振分束棱镜反射再经过四分之一波片后，变成圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片后变成P偏振光，透过偏振分束棱镜后出射。出射的P偏振光和S偏振光经检偏器后，探测器上形成干涉条纹得到光谱信息。并且望远镜也会将收集到的光谱辐射成像在探测器上，因此该系统不仅可以得到光谱信息，而且还能获取图像信息，即可以获得光谱数据立方体。根据光栅方程：σsinθL1+sinθL1-γ＝mD1，σsinθL2-γ+sinθL2-δ＝mD2，σ为入射光的波数，θL1和θL2分别为光束在低色散模块和高色散模块的Littrow李特罗入射角，m为衍射级次，D1为低色散模块的闪耀光栅的刻线密度，D2为高色散模块的闪耀光栅的刻线密度。不同的波数σ的光以不同衍射角从闪耀光栅上出射，则一定存在某一波数的光会按照原来的光路返回，即γ＝0，此波数称为李特罗波数σ0。因此，γ为任意波数σ与李特罗波数σ0在低色散模块出射面上光束所成的夹角，两光栅出射波面相差2γ。δ为任意波数σ与李特罗波数σ0在高色散模块出射面上光束所成的夹角，两光栅出射波面相差2δ。则任意波数σ在出射波面会发生干涉，满足公式：Ix＝∫Bσ1+cos2π4σ-σ0tanθL2-tanθL1xdσ，在探测器上得到沿X方向的光强度信息，然后将Ix进行傅里叶逆变换得到入射光谱信息。上式中的Ix的变化量主要有两个：σ和x。在σ不变的情况下，探测器每次拍摄获取的图像为只含x变化的干涉图，因此需要通过推扫来获得含有整个光程差信息的干涉数据立方体。如图3所示，推扫过程中，获取完整的光程差所需的采样数为N，每一行像元获得完整的干涉信息需要拍摄N帧图像，获得全部像元的完整干涉信息则需要推扫拍摄2N-1帧图像，最后将推扫获得的干涉图像裁剪、拼接、重构，得到目标的完整的干涉数据立方体。本发明紧凑型差分干涉成像光谱仪推扫原理图如图3所示。对目标场景上任意一点来说，设其在探测器上所成像的坐标为x，y，其光谱函数为Bx，yσ，光程差为Δip，则目标的只含x变化的干涉图可由公式表示：经过推扫和数据重构，得到完整干涉信息Ix，y，R[Δipx]，R∈{1,2…N}，对收集到的干涉数据立方体完整干涉信息进行逆傅里叶变换，即可得到目标中任意一个像元的复原光谱为：BR，yσ。并对每幅干涉图进行傅里叶逆变换，可得到目标完整的光谱数据立方体。假定此紧凑型差分干涉成像仪的Littrow波长为631nm，光谱范围Δσ为630～632.8nm，光谱分辨能力R为20000，探测器为面阵CCD，像元尺寸为13μm×13μm，有效工作像元数为1024×1024。利用光学软件ZEMAX进行631.8nm的光进行仿真得到如图4所示的图片。图5为此紧凑型差分干涉仪得到的实验结果图片。

权利要求：1.一种紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的望远系统、滤波片、低色散模块、高色散模块、检偏器及探测器；所述望远系统包括望远物镜及设置在望远物镜前焦面上的干涉仪入瞳；所述探测器位于望远物镜的像面上；所述低色散模块与高色散模块均包括偏振分束棱镜、依次设置在偏振分束棱镜透射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅及设置在偏振分束棱镜反射光路中的四分之一波片、扩视场棱镜与闪耀光栅；所述望远系统用于收集观测目标的光谱辐射；所述滤波片用于将收集观测目标的光谱辐射滤波；所述低色散模块用于将滤波后的光线分光，所述高色散模块用于将经低色散模块分光的光线聚集并射出；所述检偏器用于将出射光合束，所述探测器用于接收检偏器出射的干涉图像并将望远系统收集的光谱辐射成像。2.根据权利要求1所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：所述偏振分束棱镜上镀有偏振分束膜。3.根据权利要求2所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：所述闪耀光栅与偏振分束棱镜的出射面具有夹角。4.根据权利要求3所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：设置在低色散模块中的闪耀光栅的刻线密度小于设置在高色散模块中的闪耀光栅的刻线密度。5.根据权利要求1-4任一所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：四分之一波片的透光轴和X方向成45°，定义低色散模块的入射光方向为Z方向，低色散模块的出射光方向为X方向。6.根据权利要求5所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪，其特征在于：所述检偏器的透光轴与X方向成45°角。7.一种基于权利要求1-6任一所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：望远系统收集观测目标的光谱辐射，经滤波片后入射至低色散模块；步骤二：入射光线经过低色散模块中的偏振分束棱镜分束，形成透射P偏振光及反射S偏振光；透射P偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片后转化为S偏振光射出；反射S偏振光经过四分之一波片转化为圆偏振光，圆偏振光透过扩视场棱镜，然后入射至闪耀光栅，经闪耀光栅反射后经过扩视场棱镜，再次进入四分之一波片转换为P偏振光射出；步骤三：从低色散模块出射的P偏振光入射至高色散模块，透过偏振分束棱镜经四分之一波片转换为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片转化为S偏振光，经偏振分束棱镜反射后出射；从低色散模块出射的S偏振光入射至高色散模块，经过偏振分束棱镜反射再经过四分之一波片后，转化为圆偏振光，然后透过扩视场棱镜，经闪耀光栅反射，再次透过扩视场棱镜，经过四分之一波片后变成P偏振光，透过偏振分束棱镜后出射；步骤四：出射的P偏振光和S偏振光经检偏器后，在探测器上形成干涉条纹得到只含单一方向光程差的干涉图；同时探测器将望远系统收集到的光谱辐射成像得到图像信息；步骤五：推扫，得到含有整个光程差信息的干涉图；对收集到的干涉图即干涉数据立方体进行逆傅里叶变换，得到目标完整的光谱数据立方体。8.根据权利要求7所述的基于权利要求1-6任一所述的紧凑型差分干涉成像光谱仪的成像方法，其特征在于，对目标场景上任意一点，设其在探测器上所成像的坐标为x，y，只含单一方向变化干涉图Ix、y[Δipx]通过下式表示：其中Bx，yσ表示入射光谱强度，σ为入射光的波数，σ0为李特罗波数，θL1和θL2分别为光束在低色散模块和高色散模块的李特罗入射角，x表示探测器像素的位置。

百度查询： 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种紧凑型差分干涉成像光谱仪及其成像方法

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