專利名稱：色散剪切像面干涉超光譜成像裝置及方法
技術領域：
本發明涉及光學目標探測方法，特別是一種色散剪切像面干涉超光譜成像裝置及方法。
背景技術：
成像光譜技術采用輻射成像技術和光譜測量技術相結合方法，能夠獲得目標的二維空間輻射光強信息和目標各點的光譜信息。其中干涉成像光譜技術是上世紀80年代發展起來的新型探測技術，利用干涉信息與光譜信息之間存在的傅里葉變換關系來計算目標的光譜信息，并且獲取目標的二維空間信息。干涉成像光譜技術與色散型成像光譜技術相比，具有高光通量、高目標分辨率等優點，具有廣闊的應用前景，在工業、農業、軍事偵察、大氣探測等領域具有重要的應用價值。現有干涉成像光譜技術光譜分辨率受獲取干涉光程差影響，光程差越大光譜分辨率越高。受探測器信噪比、靶面大小等因素的影響，現有干涉成像光譜技術獲取的干涉光程差有限，其光譜分辨率最高也只能達到納米量級，很難實現亞納米成像光譜探測。無法滿足超光譜分辨率的應用要求。現有超光譜成像技術根據分光方式主要分為色散型和干涉型。色散型方案中需要采用狹縫進行推掃成像，狹縫的使用使得空間分辨率和光通量之間存在制約關系。為了獲得高空間分辨率，通常需要減小狹縫的寬度，結果導致光通量的極大損失。對于弱輻射目標，特別是天文目標的光譜探測，將增加探測器響應靈敏度的負擔。干涉型超光譜成像技術分為空間調制型和空間外差型。現有空間調制型干涉超光譜技術主要有兩種，一種方法是采用空間外差光譜技術，另一種方法是通過在共光路干涉光路中增加色散棱鏡來實現。其中，空間外差干涉光譜方法由Harlander等人提出，目前已應用于天文探測領域，具有亞納米級光譜分辨能力。空間外差光譜技術通過在光路中加入視場展寬棱鏡可以有效擴大觀測視場，并且可以實現全反射型光路，適用于紫外波段和紅外光譜的探測。但是現有空間外差光譜技術假定探測目標具有均勻統一的光譜分布，因此主要用于點目標成像探測。此外，空間外差干涉光譜技術難以采用共光路干涉形式，并且入射到衍射光柵的光束要求為嚴格的準直光，因此該方法對系統光學元件的精度要求較高，對干擾源較為敏感。而且，該方法獲取的光譜信息存在重疊，需要復雜的方法來區分探測中心波數前后的光譜信息。在共光路干涉光路中增加色散棱鏡來提高光譜分辨率的方法，由Okamoto等人首次提出，后來由Meigs等人進行了優化。通過選取合適的材料以及不同厚度的色散棱鏡，可以提高探測波段內的光譜分辨率。但該方法用于成像探測存在以下幾個問題(1)受棱鏡色散特性的限制，所獲取的光譜信息中，長波段處的光譜分辨率要遠遠小于短波段處的光譜分辨率，因此對探測波段具有選擇性；(2)該方法只能通過改變色散棱鏡的材料和厚度兩種方式來提高光譜分辨率，因此在實際應用中可能出現選不出合適的材料，或者可能需要很大體積的色散棱鏡才能達到預期的光譜分辨率的情況；(3)由于色散棱鏡的引入會影響儀器的成像質量，因此需要設計復雜的成像物鏡光學結構來校正成像質量的不足。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高目標分辨率、高通量的色散剪切像面干涉超光譜成像裝置及方法，該方法可以實現目標亞納米量級的超分辨率光譜成像探測。實現本發明目的的技術解決方案為一種色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，包括沿光路方向依次放置的前置光學系統USagnac色散剪切分束系統2、成像系統3和信號處理系統4 ;其中，前置光學系統I包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡11和準直物鏡12，前置成像物鏡11的像面和準直物鏡12的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束系統2包括共光軸順時針依次設置的分束器21、第一衍射光柵24、第一高反鏡22、第二高反鏡23、第二衍射光柵25 ;成像系統3包括沿光路方向依次設置的成像物鏡31、探測器32，其中探測器32的靶面位于成像物鏡31的后焦面上；信號處理系統4與探測器32相連；所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，其中Sagnac色散剪切分束系統2內光路走向如下前置光學系統I形成的準直光束經過分束器21后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一衍射光柵24，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第一高反鏡22和第二高反鏡23，入射到第二衍射光柵25，發散光束經過第二衍射光柵25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光兩支，其中第二反射光進入成像系統3 ;第一透射光首先入射到第二衍射光柵25，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第二高反鏡23和第一高反鏡22，入射到第一衍射光柵24，發散光束經過第一衍射光柵24后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光兩支，其中第三透射光束進入成像系統3。本發明基于色散剪切像面干涉超光譜成像裝置的成像方法，包括以下步驟第一步，來自目標各點的入射光進入前置光學系統1，確定目標視場，消除雜散光并形成準直光束；第二步，形成的準直光束進入Sagnac色散剪切分束系統2的分束器21，被橫向剪切一分為二，形成剪切距離隨波數變化的兩束光；第三步，被Sagnac色散剪切分束系統2剪切開的兩束光進入成像系統3的成像物鏡31，在成像物鏡31后焦面處的探測器32靶面上得到攜帶有干涉信息的目標圖像；推掃目標，改變剪切開的兩束光通過成像物鏡31到達探測器32的光程差范圍，在探測器32的靶面上產生與變化光程差范圍對應的攜帶有干涉信息的目標圖像，并將攜帶有干涉信息的目標圖像轉化為電信號進入信號處理系統4 ;第四步，信號處理系統4從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的干涉數據，對干涉數據進行傅里葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。本發明與現有技術相比，其顯著優點為(I)探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調制，方法簡單實用；(2)具有高目標分辨率、高通量的優點；(3)能夠提高干涉成像光譜技術的光譜分辨率，實現亞納米量級分辨率的光譜成 像探測。
附圖為本發明色散剪切像面干涉超光譜成像光路結構示意圖。其中1前置光學系統11前置成像物鏡，12準直物鏡；2Sagnac色散剪切分束系統21分束器,22第一高反鏡,23第二高反鏡,24第一衍射光柵,25第二衍射光柵；3成像系統31成像物鏡，32探測器；4信號處理系統。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。結合圖1，本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，包括沿光路方向依次放置的前置光學系統1、Sagnac色散剪切分束系統2、成像系統3和信號處理系統4 ;其中，前置光學系統I包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡11和準直物鏡12，前置成像物鏡11的像面和準直物鏡12的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束系統2包括共光軸順時針依次設置的分束器21、第一衍射光柵24、第一高反鏡22、第二高反鏡23、第二衍射光柵25，其中第一衍射光柵24和第二衍射光柵25規格相同，并沿垂直于Sagnac色散剪切分束系統2中的光軸放置；成像系統3包括沿光路方向依次設置的成像物鏡31、探測器32，其中探測器32的靶面位于成像物鏡31的后焦面上；信號處理系統4與探測器32相連；所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，其中Sagnac色散剪切分束系統2內光路走向如下前置光學系統I形成的準直光束經過分束器21后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一衍射光柵24，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第一高反鏡22和第二高反鏡23，入射到第二衍射光柵25，發散光束經過第二衍射光柵25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光兩支，其中第二反射光進入成像系統3的成像物鏡31 ;第一透射光首先入射到第二衍射光柵25，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第二高反鏡23和第一高反鏡22,入射到第一衍射光柵24,發散光束經過第一衍射光柵24后,形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光兩支，其中第三透射光束進入成像系統3的成像物鏡31。本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置的成像方法，步驟如下第一步，來自目標各點的入射光進入前置光學系統1，確定目標視場，消除雜散光并形成準直光束；第二步，形成的準直光束進入Sagnac色散剪切分束系統2的分束器21，被橫向剪切一分為二，形成剪切距離隨波數變化的兩束光；第三步，被Sagnac色散剪切分束系統2剪切開的兩束光進入成像系統3的成像物鏡31，在成像物鏡31后焦面處的探測器32靶面上得到攜帶有干涉信息的目標圖像；推掃目標，改變剪切開的兩束光通過成像物鏡31到達探測器32的光程差范圍，在探測器32的靶面上產生與變化光程差范圍對應的攜帶有干涉信息的目標圖像，并將攜帶有干涉信息的目標圖像轉化為電信號進入信號處理系統4 ；
第四步，信號處理系統4從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的干涉數據，對干涉數據進行傅里葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置探測步驟為(I)探測目標發射或者反射的光通過前置成像物鏡11成像在其像面上，消除雜散光，隨后經過準直物鏡12，形成準直光束，以準直光束形式進入Sagnac色散剪切分束系統2 ；(2)前置光學系統I形成的準直光束經過分束器21后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一衍射光柵24，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，滿足光柵方程d (sini+sin Θ ) = m/ σ式中，d為光柵常數，i為 光柵入射角，Θ為出射角，即發散角，m為衍射級次，σ為波數；隨后經過第一高反鏡22和第二高反鏡23，入射到第二衍射光柵25，發散光束經過第二衍射光柵25后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第二反射光和第二透射光兩支，其中第二反射光進入成像系統3 ;第一透射光首先入射到第二衍射光柵25，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第二高反鏡23和第一高反鏡22，入射到第一衍射光柵24，發散光束經過第一衍射光柵24后，形成平行光束，入射到分束器21，形成第三反射光和第三透射光兩支，其中第三透射光束進入成像系統3。(3)從分束器21出射的第二反射光和第三透射光的剪切量即水平剪切距離隨波數變換，進而引入隨波數變換的光程差信息，隨后光束經過成像物鏡31匯聚到成像物鏡31的后焦面處的探測器32的靶面上，通過電控旋轉平臺進行旋轉Sagnac色散橫向剪切分束器2或者旋轉整套系統對被測目標進行推掃可以獲取目標各點不同光程差下的攜帶有干涉信息的目標干涉圖像，并轉化成電信號進入信號處理系統4 ;信號處理系統4為裝有信號處理軟件的計算機；(4)信號處理系統4提取各物點不同光程差下的干涉數據，進行傅里葉變換可以獲取目標各點超分辨率的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。本發明色散剪切像面干涉超光譜成像裝置探測器之前器件為全光器件，無聲光、電光調制，方法簡單實用；具有高目標分辨率、高通量的優點；能夠提高干涉成像光譜技術的光譜分辨率，實現亞納米量級分辨率的光譜成像探測。
權利要求
1.一種色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，其特征在于包括沿光路方向依次放置的前置光學系統(I)、Sagnac色散剪切分束系統(2)、成像系統(3)和信號處理系統(4);其中，前置光學系統(I)包括沿光路方向依次設置的前置成像物鏡(11)和準直物鏡(12)，前置成像物鏡(11)的像面和準直物鏡(12)的前焦面重合；Sagnac色散剪切分束系統(2)包括共光軸順時針依次設置的分束器(21)、第一衍射光柵(24)、第一高反鏡(22)、第二高反鏡(23)、第二衍射光柵(25);成像系統(3)包括沿光路方向依次設置的成像物鏡(31)、探測器(32)，其中探測器(32)的靶面位于成像物鏡(31)的后焦面上；信號處理系統(4)與探測器(32)相連；所有光學元件相對于基底同軸等高，即相對于光學平臺或儀器底座同軸等高。
2.根據權利要求1所述的色散剪切像面干涉超光譜成像裝置，其特征在于Sagnac色散剪切分束系統(2)內光路走向如下前置光學系統(I)形成的準直光束經過分束器(21)后形成第一反射光和第一透射光兩支第一反射光首先入射到第一衍射光柵(24),發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第一高反鏡(22)和第二高反鏡(23)，入射到第二衍射光柵(25)，發散光束經過第二衍射光柵(25)后，形成平行光束，入射到分束器(21)，形成第二反射光和第二透射光兩支，其中第二反射光進入成像系統(3);第一透射光首先入射到第二衍射光柵(25)，發生衍射，出射光束形成發散光，發散角度隨波數變化，隨后經過第二高反鏡(23)和第一高反鏡(22)，入射到第一衍射光柵(24)，發散光束經過第一衍射光柵(24)后，形成平行光束，入射到分束器(21)，形成第三反射光和第三透射光兩支，其中第三透射光束進入成像系統(3)。
3.一種基于權利要求1所述色散剪切像面干涉超光譜成像裝置的成像方法，其特征在于包括以下步驟 第一步，來自目標各點的入射光進入前置光學系統(1)，確定目標視場，消除雜散光并形成準直光束； 第二步，形成的準直光束進入Sagnac色散剪切分束系統(2)的分束器(21)，被橫向剪切一分為二，形成剪切距離隨波數變化的兩束光； 第三步，被Sagnac色散剪切分束系統(2)剪切開的兩束光進入成像系統(3)的成像物鏡(31)，在成像物鏡(31)后焦面處的探測器(32)靶面上得到攜帶有干涉信息的目標圖像；推掃目標，改變剪切開的兩束光通過成像物鏡(31)到達探測器(32)的光程差范圍，在探測器(32)的靶面上產生與變化光程差范圍對應的攜帶有干涉信息的目標圖像，并將攜帶有干涉信息的目標圖像轉化為電信號進入信號處理系統(4)； 第四步，信號處理系統(4)從收到的電信號中提取目標各點不同光程差下的干涉數據，對干涉數據進行傅里葉變換，得到復原的目標圖像，從而得到目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息。
全文摘要
本發明提供一種色散剪切像面干涉超光譜成像裝置及方法，該裝置包括沿光路方向依次放置的前置光學系統、Sagnac色散剪切分束系統、成像系統和信號處理系統。來自目標各點的入射光進入前置光學系統，確定目標視場，消除雜散光并形成準直光束；進入Sagnac色散剪切分束系統被橫向剪切一分為二，形成剪切距離隨波數變化的兩束光；進入成像系統，在成像物鏡后焦面處的探測器靶面上得到攜帶有干涉信息的目標圖像；推掃探測目標以獲取目標各點不同光程差下的干涉信息；信號處理系統對干涉信息進行傅里葉變換獲取目標各點的光譜信息及各個譜段的二維圖像信息；該方法具有超光譜分辨率、高光通量、高目標分辨率等優點。
文檔編號G01J3/02GK103063304SQ20121056301
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者李建欣, 孟鑫, 孫宇聲, 徐婷婷, 郭仁慧, 沈華, 馬駿, 朱日宏, 陳磊, 何勇 申請人:南京理工大學