專利名稱：高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法及實現(xiàn)該方法的光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速獲得目標(biāo)干涉光譜的動鏡式干涉成像方法及實現(xiàn)該方法的光譜儀，具體涉及一種高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法及實現(xiàn)該方法的光譜儀。
背景技術(shù)：
較早的成像光譜儀有法國太空空間與戰(zhàn)略系統(tǒng)分部于1991年研制出的邁克爾遜干涉型時間調(diào)制空間成像傅里葉變換光譜儀D Simenoni.New concept forhigh-compact imaging Fourier transform spectrometer(IFTS)[C].SPIE，1991，1479127-138.，美國羅倫斯利物摩爾實驗室于1995年研制出的邁克爾遜干涉型時間調(diào)制空間成像傅里葉變換光譜儀Michael R Carter，Charles L Bennett，DavidJ Fields，et al.Live more imaging Fourier transform spectrometer[C].SPIE，1995，2480380-386.。其采用線性往復(fù)掃描方式，每次掃描結(jié)束時必須轉(zhuǎn)向，待穩(wěn)定后再采集數(shù)據(jù)。所以，采集數(shù)據(jù)時必須通過一束參考激光提供相應(yīng)的相干采樣圖譜。掃描速度通過伺服系統(tǒng)控制，并在轉(zhuǎn)向時提供逆程掃描，隨著掃描頻率、速度的增加，往返時間成為總掃描時間的重要部分。為了得到精確的采樣干涉圖，伺服系統(tǒng)所需的帶寬急劇增加。而隨著掃描速度的增加，分辨率會受上述因素的制約。由于往返時間成為總掃描時間的重要部分，占空比會因伺服系統(tǒng)功率、掃描器件尺寸大小、掃描器件重量及系統(tǒng)穩(wěn)定時間的制約而降低。例如，在360次/秒掃描、單次掃描時間為2.8毫秒的掃描頻率下極難實現(xiàn)往復(fù)掃描。1-2毫秒的返程與穩(wěn)定時間會將占空比降低至33-50％。在重復(fù)頻率很高的情況下，將制約對分辨率有影響的掃描長度。因此，邁克爾遜干涉型時間調(diào)制空間成像傅里葉變換光譜儀穩(wěn)定性差，工藝復(fù)雜，只適用于空間和光譜時間變化較慢的目標(biāo)。
轉(zhuǎn)鏡干涉光譜成像是變形的時間調(diào)制型邁可爾遜干涉技術(shù)J.Peter Dybward，et.al.“New Interferometer Design Concept”，STC Technical Report 2637，Science and Technology Corp，Hampton，VA，under contract#DAAA15-89-D-007，US Army CRDEC，APG，MD，8/92.，該技術(shù)在掃描過程中有空掃。即轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時僅在一定角度內(nèi)可獲得干涉光譜圖，而在其他角度為空掃。工作效率低，且只能對單象素取樣，即只能對點目標(biāo)掃描，只能應(yīng)用于一個角度光線的掃描。
一種超高速掃描傅立葉變化紅外光譜測定法Peter R.Griffiths，Blayne L.Hirsche，Christopher J.Manning.Ultra-rapid-scanning Fourier transforminfared spectrometry.Vibrational Spectroscopy 19(1999)165-176.，雖解決了轉(zhuǎn)鏡空掃的問題，但仍只能對單象素取樣。如果要獲得線目標(biāo)或者面目標(biāo)的干涉圖譜，就必須在系統(tǒng)前部附加一個前置掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標(biāo)每個點的逐個掃描，最后集合而獲得整個目標(biāo)的干涉圖譜。存在的缺陷是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，重量重。由于實時性差，不僅影響光譜圖的質(zhì)量，且掃描時間長，掃描速度低，分辨率低，適用的工作范圍也較窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法及實現(xiàn)該方法的光譜儀，其解決了背景技術(shù)中只能對單象素取樣、工作效率低，或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、掃描速度低、穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法，其特殊之處在于該方法的實現(xiàn)步驟包括1)準(zhǔn)直透鏡1將來自目標(biāo)的光束轉(zhuǎn)換成平行光束；2)分束器2將平行光束分為反射光束IF和透射光束IT；其中(i)被分束器2分出的反射光束IF①.經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿與入射方向平行的方向反射回轉(zhuǎn)鏡3；②.轉(zhuǎn)鏡3將光反射回分束器2；③.反射回分束器2的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT；④.透射光束IFT透過分束器2到達(dá)傅立葉透鏡7，被位于傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收，形成第一束光的光程；(ii)被分束器2分出的透射光束IT①.被角反射器6按與入射方向平行的方向反射回分束器2；②.反射回分束器2的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT；③.反射光束ITF，通過傅立葉透鏡7，被位于傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收，形成第二束光的光程；3)第一束光的光程與第二束光的光程產(chǎn)生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產(chǎn)生干涉光譜圖；4)干涉光譜圖經(jīng)計算機(jī)處理系統(tǒng)11進(jìn)行傅立葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像。
一種實現(xiàn)上述高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法的光譜儀，包括傅立葉透鏡7，位于傅立葉透鏡7的焦面上的探測器8，與探測器8相連接的計算機(jī)處理系統(tǒng)11，設(shè)置于前置光學(xué)系統(tǒng)10主光軸上的準(zhǔn)直透鏡1，設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡1軸線OO′上的分束器2，其特殊之處在于它還包括轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5-6；所述轉(zhuǎn)鏡3的初始位置和角反射器5-6的位置應(yīng)滿足當(dāng)轉(zhuǎn)鏡3在某一位置定位時，1)主光軸上的光被分束器2第一次分出的反射光束IF為第一束光；其經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡7到達(dá)探測器8的光程形成第一束光的光程；2)主光軸上的光被分束器2第一次分出的透射光束IT為第二束光；其到達(dá)角反射器6，經(jīng)角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡7到達(dá)探測器8的光程形成第二束光的光程；3)第一束光再回到分束器2的交點與第二束光再回到分束器2的交點相重合；4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合；5)第一束光的光程與第二束光的光程相等；所述傅立葉透鏡7的光軸位于第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器2位于既能接收到通過準(zhǔn)直透鏡1的初始入射光、又能接收到經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5反射回的反射光、且在準(zhǔn)直透鏡1軸線OO′上的部位。
上述探測器8以采用紅外探測器為宜。
上述轉(zhuǎn)鏡3以由圓柱體的斜端面構(gòu)成為宜。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.可實現(xiàn)高頻掃描，且穩(wěn)定性好。采用轉(zhuǎn)鏡式動鏡，系統(tǒng)運行連續(xù)，當(dāng)掃描速度很高時，由于慣性的作用，旋轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)仍能保持較好的穩(wěn)定性。
2.抗干擾能力強(qiáng)。由于獲得干涉圖的時間極短，系統(tǒng)對振動敏感的程度低，機(jī)械振動頻率一般對光譜圖的質(zhì)量無影響。
3.角反射器與轉(zhuǎn)鏡匹配形成的光路具有自補償特性，從而使本發(fā)明具有較好的抗干擾性。
4.掃描效率高。轉(zhuǎn)鏡以一個圓柱體的具有一定傾斜度的端面作為反射面，在電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，無空掃現(xiàn)象，掃描效率高。
5.可實現(xiàn)線目標(biāo)或面目標(biāo)的直接掃描。采用角反射鏡，不僅能掃描主光軸光線，還可掃描具有一定角度的光線，即可對線目標(biāo)或面目標(biāo)直接進(jìn)行掃描，縮短了掃描時間，進(jìn)一步提高了掃描效率和光譜圖的質(zhì)量。
6.實時性好，分辨率高，工作范圍寬。尤適用于對較大目標(biāo)的大面積掃描。
7.功耗低，所需驅(qū)動功率小。
8.角反射器僅采用兩個，結(jié)構(gòu)更簡單，體積更小，重量更輕。
9.實際加工生產(chǎn)時，角反射器的減少不僅簡化了工藝難度，而且避免了角反射器位置匹配不精確引起出射光和入射光不平行的影響。即減少了干涉圖的噪聲，提高了信噪比。
10.當(dāng)轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生光程差，光成差的計算量會因角反射器的減少而減少2/3。光程差是非線性的，光程差計算量的減少既有利于減小光程差的誤差，又可提高運算速度。而光譜圖是不同光程差時干涉圖的傅立葉變換，光程差的誤差減小能夠進(jìn)一步提高復(fù)原光譜圖的準(zhǔn)確度。
11.角反射器的減少，使光線IF減少了8次鏡面反射，降低了鏡面反射帶來的光的能量損失，也提高了信號強(qiáng)度。
12.由于入射到角反射器三個棱和頂點的光線經(jīng)角反射器反射，會變成雜散光，角反射器的減少使雜散光減少，降低了信號噪聲。
13.由于轉(zhuǎn)鏡在某一時刻、光線IF和光線IT回到分束器時的光程差不為0，會帶來光譜的畸變，而角反射器對位置比較敏感，較小的移動會引起很大的光程改變。角反射器的減少，不僅大大減少了裝校的工作量，而且可確保轉(zhuǎn)鏡在某一時刻、光線IF和光線IT回到分束器時的光程差為0。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)號說明1-準(zhǔn)直透鏡，2-分束器，3-轉(zhuǎn)鏡，4-電機(jī)，5-角反射器，6-角反射器，7-傅立葉透鏡，8-探測器，9-被觀測物，10-前置光學(xué)系統(tǒng)，11-計算機(jī)處理系統(tǒng)。
具體實施例方式
參見附圖1，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直透鏡1、分束器2、轉(zhuǎn)鏡3、角反射器5、6，前置光學(xué)系統(tǒng)10和傅立葉透鏡7構(gòu)成；干涉系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直透鏡1、分束器2、轉(zhuǎn)鏡3、角反射器5、6和傅立葉透鏡7構(gòu)成。探測系統(tǒng)主要由探測器8構(gòu)成，信息處理系統(tǒng)主要由計算機(jī)處理系統(tǒng)11構(gòu)成，參見圖2。
本發(fā)明的工作原理在轉(zhuǎn)鏡3靜止時，主光軸上的光束被分束器2分成兩束光，該兩束光的光程相等。當(dāng)轉(zhuǎn)鏡3在電機(jī)4的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動時，被分束器2第一次分出的反射光束IF，經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3與角反射器5、6多次反射后，回到分束器2，再到達(dá)傅立葉透鏡7的第一束光的光程會發(fā)生變化。而被分束器2第一次分出的透射光束IT，經(jīng)角反射器6反射回分束器2，被分束器2反射到達(dá)傅立葉透鏡7的第二束光的光程不變化。兩束光的光路不再重合，最后到達(dá)探測器8的光程不再相等，從而產(chǎn)生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產(chǎn)生干涉圖。隨著轉(zhuǎn)鏡3的轉(zhuǎn)動，兩束光的光程差不斷變化，由此獲得干涉光譜圖。干涉光譜圖經(jīng)計算機(jī)處理系統(tǒng)11進(jìn)行傅立葉變換后，可得到復(fù)原的目標(biāo)圖像。轉(zhuǎn)鏡3在電機(jī)4帶動下高速轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)高速掃描。
本發(fā)明準(zhǔn)直透鏡1的軸線OO′位于前置光學(xué)系統(tǒng)10的主光軸上。分束器2的位置應(yīng)確保既能接收到通過準(zhǔn)直透鏡1的初始入射光，又能接收到通過轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5反射回的光。轉(zhuǎn)鏡3的初始位置和角反射器5、6的位置應(yīng)滿足當(dāng)轉(zhuǎn)鏡3在某一位置定位時，1)主光軸上的光在分束器2上第一次被分出的反射光束IF為第一束光；其經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡7到達(dá)探測器8的光程形成第一束光的光程。
2)主光軸上的光在分束器2上第一次被分出的透射光束IT為第二束光；其到達(dá)角反射器6，又經(jīng)角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，被分束器2分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡7到達(dá)探測器8的光程形成第二束光的光程。
3)第一束光再回到分束器2的交點與第二束光再回到分束器2的交點相重合。
4)第一束光被分束器2再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器2再次分出的反射光束ITF光路重合。
5)第一束光的光程與第二束光的光程相等。傅立葉透鏡7的光軸位于第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上。探測器8位于傅立葉透鏡7的焦面上。探測器8以采用紅外CCD探測器為宜。圖2所示的被觀測物9是火箭，其是本發(fā)明用于觀測火箭尾焰的示意圖。
本發(fā)明光的傳輸過程1.來自目標(biāo)即被觀測物9的光束經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)10到達(dá)準(zhǔn)直透鏡1，準(zhǔn)直透鏡1將目標(biāo)光束轉(zhuǎn)換成平行光束；平行光束投射到鍍有半透半反膜的分束器2上。
2.分束器2將光束分為反射光束IF和透射光束IT。其中，
1)被分束器2分出的反射光束IF(1)經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3反射到角反射器5，角反射器5把入射的光沿與入射方向平行的方向反射回轉(zhuǎn)鏡3；(2)轉(zhuǎn)鏡3將光反射回分束器2；(3)反射回分束器2的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT。
2)被分束器2分出的透射光束IT(1)被角反射器6按與入射方向平行的方向反射回分束器2；(2)反射回分束器2的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT。
3.被分束器2分出的反射光束IF再次被分束器2分出的透射光束IFT，透過分束器2到達(dá)傅立葉透鏡7，被位于傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收。
4.被分束器2分出的透射光束IT再次被分束器2分出的反射光束ITF，通過傅立葉透鏡7，被位于傅立葉透鏡7焦面上的探測器8接收。
5.分束器2第一次分出的反射光束IF，經(jīng)轉(zhuǎn)鏡3和角反射器5反射，再回到分束器2，通過傅立葉透鏡7會聚到探測器8形成第一束光的光程；分束器2第一次分出的透射光束IT，到達(dá)角反射器6，又經(jīng)角反射器6和分束器2多次反射，再回到分束器2，通過傅立葉透鏡7會聚到探測器8形成第二束光的光程；該兩束光產(chǎn)生光程差，成為兩束相干光，在探測器8上產(chǎn)生干涉光譜圖。
6.干涉光譜圖經(jīng)計算機(jī)處理系統(tǒng)11進(jìn)行傅立葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像。
權(quán)利要求
1.一種高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法，其特征在于該方法包括以下步驟1)準(zhǔn)直透鏡(1)將來自目標(biāo)的光束轉(zhuǎn)換成平行光束；2)分束器(2)將平行光束分為反射光束IF和透射光束IT；其中(i)被分束器(2)分出的反射光束IF①.經(jīng)轉(zhuǎn)鏡(3)反射到角反射器(5)，角反射器(5)把入射的光沿與入射方向平行的方向反射回轉(zhuǎn)鏡(3)；②.轉(zhuǎn)鏡(3)將光反射回分束器(2)；③.反射回分束器(2)的光再次被分為反射光束IFF和透射光束IFT；④.透射光束IFT透過分束器(2)到達(dá)傅立葉透鏡(7)，被位于傅立葉透鏡(7)焦面上的探測器(8)接收，形成第一束光的光程；(ii)被分束器(2)分出的透射光束IT①.被角反射器(6)按與入射方向平行的方向反射回分束器(2)；②.反射回分束器(2)的光再次被分為反射光束ITF和透射光束ITT；③.反射光束ITF，通過傅立葉透鏡(7)，被位于傅立葉透鏡(7)焦面上的探測器(8)接收，形成第二束光的光程；3)第一束光的光程與第二束光的光程產(chǎn)生光程差，成為兩束相干光，在探測器(8)上產(chǎn)生干涉光譜圖；4)干涉光譜圖經(jīng)計算機(jī)處理系統(tǒng)(11)進(jìn)行傅立葉變換，得到復(fù)原的目標(biāo)圖像。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法的光譜儀，包括傅立葉透鏡(7)，位于傅立葉透鏡(7)的焦面上的探測器(8)，與探測器(8)相連接的計算機(jī)處理系統(tǒng)(11)，設(shè)置于前置光學(xué)系統(tǒng)(10)主光軸上的準(zhǔn)直透鏡(1)，設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡(1)軸線OO′上的分束器(2)，其特征在于它還包括轉(zhuǎn)鏡(3)和角反射器(5-6)；所述轉(zhuǎn)鏡(3)的初始位置和角反射器(5-6)的位置應(yīng)滿足當(dāng)轉(zhuǎn)鏡(3)在某一位置定位時，1)主光軸上的光被分束器(2)第一次分出的反射光束IF為第一束光；其經(jīng)轉(zhuǎn)鏡(3)和角反射器(5)反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分為反射光束IFF和透射光束IFT，透射光束IFT通過傅立葉透鏡(7)到達(dá)探測器(8)的光程形成第一束光的光程；2)主光軸上的光被分束器(2)第一次分出的透射光束IT為第二束光；其到達(dá)角反射器(6)，經(jīng)角反射器(6)和分束器(2)多次反射，再回到分束器(2)，被分束器(2)分為反射光束ITF和透射光束ITT，反射光束ITF通過傅立葉透鏡(7)到達(dá)探測器(8)的光程形成第二束光的光程；3)第一束光再回到分束器(2)的交點與第二束光再回到分束器(2)的交點相重合；4)第一束光被分束器(2)再次分出的透射光束IFT和第二束被分束器(2)再次分出的反射光束ITF光路重合；5)第一束光的光程與第二束光的光程相等；所述傅立葉透鏡(7)的光軸位于第一束光的透射光束IFT與第二束光的反射光束ITF相重合的光路上；所述的分束器(2)位于既能接收到通過準(zhǔn)直透鏡(1)的初始入射光、又能接收到經(jīng)轉(zhuǎn)鏡(3)和角反射器(5)反射回的反射光、且在準(zhǔn)直透鏡(1)軸線OO′上的部位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀，其特征在于所述的探測器(8)為紅外探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀，其特征在于所述轉(zhuǎn)鏡(3)由圓柱體的斜端面構(gòu)成。
全文摘要
一種高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀的成像方法及實現(xiàn)該方法的光譜儀，其準(zhǔn)直透鏡將來自目標(biāo)的光轉(zhuǎn)換成平行光束，經(jīng)分束器后分為反射光束I
文檔編號G01J3/45GK1945242SQ200510096119
公開日2007年4月11日 申請日期2005年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月9日
發(fā)明者張文喜, 相里斌, 袁艷, 黃旻, 蘇麗娟, 陶然 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所