專利名稱：超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學成像方法，特別涉及一種超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像 光譜實現(xiàn)方法。
背景技術：
光是信息的載體，光學成像方法則是借助成像儀獲取目標的形影圖像得到目標的 空間信息，而光譜儀則獲取目標的光譜信息，從而得到物質的結構及化學組成。1980s，美國 空氣動力實驗室(JPL)提出成像光譜儀概念，具有同時獲得目標像和光譜圖的雙重功能， 被普遍認為是現(xiàn)代光學成像技術發(fā)展史上的一次革命性飛躍；之后20余年來，先后發(fā)展起 了色散型、傅立葉變換型(干涉型)、濾光片型、計算層析型等多種原理的成像光譜儀，并以 色散型和傅立葉變換型最普遍，其核心是成像光譜實現(xiàn)方法。傅立葉變換型成像光譜實現(xiàn)方法包括以下步驟第一步，光源發(fā)出的光經過前置 光學系統(tǒng)后，通過起偏器成為線偏振光；第二步，線偏振光經過偏振分束器和檢偏器后分成 兩束具有固定光程差的相干且互相平行的部分光；第三步，相干光通過成像鏡后由于干涉 并具有一定的光程差，在接收器上形成干涉條紋調制的圖像，包含了入射光的強度和光譜 信息；第四步將獲取的圖像進行濾波和傅立葉變換，獲得目標的二維空間像和光譜。以上過 程中，由于受到第二步的分束器限制，入射角較大時干涉條紋會產生彎曲畸變，所以基于這 中成像光譜方法的成像光譜儀存在視場角很小(一般只有幾度)的缺點。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有傅立葉變換型成像光譜實現(xiàn)方法存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一 種超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，可在超大視場范圍內同時獲取目標的 二維空間圖像信息和一維干涉光譜信息。為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)。超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，在現(xiàn)有成像光譜技術實現(xiàn)的第 二步驟中，用具有視場補償功能的偏光分束器取代傳統(tǒng)干涉成像光譜儀的偏光分束器，這 種視場補償型偏光分束器組由至少兩片正負單軸晶體組成，使得經過該偏光分束器后兩束 光的光程差中入射角正弦的二次項或高次項對應的部分正負相消，表現(xiàn)為正負干涉條紋畸 變互相抵消，這樣就消除了大入射角時的干涉圖畸變，實現(xiàn)了成像光譜儀的視場補償擴大， 使得視場角可擴大1個數量級。超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，實現(xiàn)該方法的成像光譜儀包括 同軸依次順序設置的前置望遠系統(tǒng)1、起偏器2、視場補償型偏振分束器3、檢偏器4、成像鏡 組5、探測器6，探測器6連接有信號獲取與處理系統(tǒng)7 ；所述的前置光學望遠系統(tǒng)1包括同 軸依次順序設置的前置光學系統(tǒng)物鏡組11、光闌12和前置光學系統(tǒng)像方鏡組13 ；所述的 視場補償型偏振分束器3包括兩組分別具有正、負干涉條紋畸變的第一薩瓦偏光鏡31、第 二薩瓦偏光鏡32，其中第一薩瓦偏光鏡31由第一薩瓦板311、第二薩瓦板312組成，第二薩瓦偏光鏡32由第三薩瓦板321、第四薩瓦板322組成；其特征在于由目標源發(fā)出的輻射光 經前置望遠系統(tǒng)1收集、準直、消除雜散光之后，通過起偏器2成為線偏振光，線偏振光經過 視場補償型偏振分束器3后，成為兩束相干且互相平行的部分光；兩束部分光通過檢偏器4 后，振動方向變?yōu)橄嗤?，最后經成像鏡組5將兩束光匯聚到探測器6上成像并發(fā)生干涉，形 成包含了光譜信息的干涉條紋調制的圖像；接收到的信號再經信號獲取與處理系統(tǒng)7后即 可在大視場角內獲得目標的圖像和高光譜信息。所述的前置光學系統(tǒng)物鏡組11為反射鏡組、折反鏡組或折射鏡組。所述的起偏器2、檢偏器4為偏振片、晶體或線柵。所述的成像鏡組5由消像差透鏡組構成，其焦平面位于后續(xù)探測器6的接收面上。所述的探測器6為CXD陣列、CMOS陣列、光電二極管陣列、光電倍增管、紅外焦平 面陣列或紫外光探測器陣列。所述的信號獲取與處理系統(tǒng)7包括可將探測器5接收到的信息進行傅立葉變換處 理的微機，用于將目標空間信息光強度信息和光譜信息進行解調，并顯示為圖片。本發(fā)明的基本原理是引入多組分別具有正、負干涉條紋畸變的薩瓦偏光鏡組成 偏振分束器，使得正條紋畸變與負條紋畸變相互抵消，這樣干涉成像光譜儀器的視場擺脫 了通常偏振干涉成像光譜儀中偏光分束器的限制，只受前置光學系統(tǒng)限制，得以實現(xiàn)超大 視場。利用本發(fā)明可開發(fā)具有視場大、光通量大、探測靈敏度高、信噪比高、波長精度高、光 譜探測范圍寬的優(yōu)點的干涉成像光譜儀。


圖1為本發(fā)明實現(xiàn)過程示意圖。圖2為實現(xiàn)本發(fā)明的成像光譜儀的結構示意圖。圖3為實現(xiàn)本發(fā)明的一種雙Savart板視場補償型成像光譜儀的結構示意圖。圖4為實現(xiàn)本發(fā)明實施例圖3中的視場補償型偏振分束器3的結構示意圖。圖5為實現(xiàn)本發(fā)明實施例圖3中的成像鏡組5的結構示意圖，其中圖5(a)是由 一個柱面透鏡51及其后的一透鏡組52構成的成像鏡組5 ；圖5(b)是由一透鏡組52構成 的成像鏡組5。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的方法原理作詳細說明。參照圖1，本發(fā)明依次通過收集光、視場補償型分光干涉、成干涉像、解調與處理4 個步驟實現(xiàn)超大視場成像光譜信息獲取與顯示。參照圖2，實現(xiàn)本發(fā)明方法的成像光譜儀，包括同軸依次順序設置的前置望遠系統(tǒng) 1、起偏器2、視場補償型偏振分束器3、檢偏器4、成像鏡組5、探測器6，探測器6連接有信號 獲取與處理系統(tǒng)7。下面以一種雙偏光鏡組視場補償型偏光分束器超大視場成像光譜儀為實施例，結 合附圖3-5對本發(fā)明的方法原理作詳細說明。參照圖3，所述的前置光學望遠系統(tǒng)1位于整個裝置的最前端，包括同軸依次順序 設置的前置光學系統(tǒng)物鏡組11、光闌12和前置光學系統(tǒng)像方鏡組13，用于采集并準直目標光，并消除雜散光。前置光學系統(tǒng)物鏡組11為反射鏡組、折反鏡組或折射鏡組。位于前置光學望遠系統(tǒng)1的后面，沿光軸順序設置的位于前端的起偏器2、中間的 視場補償型偏振分束器組3、后端的檢偏器4，共同構成靜態(tài)干涉分光模塊，用于將前述傳 輸光分為兩束相干光，實現(xiàn)光譜分光功能，達到高光譜分辨能力。同時雙薩瓦板結構增加了 光程，有利于提高光譜分辨能力。參照圖4，所述的視場補償型偏振分束器3包括兩組分別具有正、負干涉條紋畸變 的第一薩瓦偏光鏡31、第二薩瓦偏光鏡32，其中第一薩瓦偏光鏡31由第一薩瓦板311、第二 薩瓦板312組成，第二薩瓦偏光鏡32由第三薩瓦板321、第四薩瓦板322組成，用于使得正 條紋畸變與負條紋畸變相互抵消，從而增大視場角。參照圖5，所述的成像鏡組5選用以下任一方案制成空間調制情況下，為一個柱面透鏡51及其后的一透鏡組52，柱面透鏡51的焦面位 于后續(xù)的透鏡組52上，透鏡組52的焦平面位于后續(xù)探測器6的接收面上；時空混合調制情況下，為一透鏡組52，透鏡組52的焦平面位于后續(xù)探測器6的接 收面上。成像鏡組5用于將干涉儀出射的光聚焦到探測器6上。所述的探測器6為光電轉換器，為CCD陣列、CMOS陣列、光電二極管陣列、光電倍 增管陣列、紅外焦平面陣列或紫外光探測器陣列。探測器6用于接收成像鏡組5的出射光，獲取目標光的圖像、光譜信息；探測器6 輸出的電信號送入后續(xù)信號獲取與處理系統(tǒng)7。所述的信號獲取與處理系統(tǒng)7包括可將探測器6接收到的信息進行傅立葉變換處 理的微機，用于解調出目標的二維空間強度、一維光譜，并顯示為偽彩色圖片。本發(fā)明的工作原理如下超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，由目 標源發(fā)出的輻射光經前置望遠系統(tǒng)1收集、準直、消除雜散光之后，通過起偏器2成為線偏 振光，線偏振光經過視場補償型偏振分束器3后，成為兩束相干且互相平行的部分光；兩束 部分光通過檢偏器4后，振動方向變?yōu)橄嗤?，最后經成像鏡組5將兩束光匯聚到探測器6上 成像并發(fā)生干涉，形成包含了光譜信息的干涉條紋調制的圖像；接收到的信號再經信號獲 取與處理系統(tǒng)7后即可在大視場角內獲得目標的圖像、高光譜信息。其中超大視場實現(xiàn)的基本原理是引入兩塊分別具有正、負干涉條紋畸變的薩瓦 偏光鏡組成偏振分束器，使得正條紋畸變與負條紋畸變相互抵消，從而達到增大視場角的 目的。附圖中1-前置望遠系統(tǒng)；2-起偏器；3-視場補償型偏振分束器；4-檢偏器； 5-成像鏡組；6-探測器；7-信號獲取與處理系統(tǒng)；31-第一薩瓦偏光鏡；32-第二薩瓦偏光 鏡；311-第一薩瓦板；312-第二薩瓦板；321-第三薩瓦板；322-第四薩瓦板；51-柱面透 鏡；52-透鏡組。
權利要求
超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，在現(xiàn)有成像光譜技術實現(xiàn)的第二步驟中，用具有視場補償功能的偏光分束器取代傳統(tǒng)干涉成像光譜儀的偏光分束器，這種視場補償型偏光分束器組由至少兩片正負單軸晶體組成，使得經過該偏光分束器后兩束光的光程差中入射角正弦的二次項或高次項對應的部分正負相消，表現(xiàn)為正負干涉條紋畸變互相抵消，這樣就消除了大入射角時的干涉圖畸變，實現(xiàn)了成像光譜儀的視場補償擴大，使得視場角可擴大1個數量級。
2.超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像光譜實現(xiàn)方法，實現(xiàn)該方法的成像光譜儀包括同 軸依次順序設置的前置望遠系統(tǒng)(1)、起偏器(2)、視場補償型偏振分束器(3)、檢偏器(4)、 成像鏡組(5)、探測器(6)，探測器(6)連接有信號獲取與處理系統(tǒng)(7)；所述的前置光學望 遠系統(tǒng)(1)包括同軸依次順序設置的前置光學系統(tǒng)物鏡組(11)、光闌(12)和前置光學系 統(tǒng)像方鏡組(13)；所述的視場補償型偏振分束器(3)包括兩組分別具有正、負干涉條紋畸 變的第一薩瓦偏光鏡(31)、第二薩瓦偏光鏡(32)，其中第一薩瓦偏光鏡(31)由第一薩瓦 板(311)、第二薩瓦板(312)組成，第二薩瓦偏光鏡(32)由第三薩瓦板(321)、第四薩瓦板 (322)組成；其特征在于由目標源發(fā)出的輻射光經前置望遠系統(tǒng)(1)收集、準直、消除雜散 光之后，通過起偏器(2)成為線偏振光，線偏振光經過視場補償型偏振分束器(3)后，成為 兩束相干且互相平行的部分光；兩束部分光通過檢偏器(4)后，振動方向變?yōu)橄嗤詈蠼?成像鏡組(5)將兩束光匯聚到探測器(6)上成像并發(fā)生干涉，形成包含了光譜信息的干涉 條紋調制的圖像；接收到的信號再經信號獲取與處理系統(tǒng)(7)后即可在大視場角內獲得目 標的圖像和高光譜信息。
3.根據權利要求2所說的成像光譜實現(xiàn)方法，其特征在于所述的前置光學系統(tǒng)物鏡 組(U)為反射鏡組、折反鏡組或折射鏡組。
4.根據權利要求2所說的成像光譜實現(xiàn)方法，其特征在于所述的起偏器(2)、檢偏器 (4)為偏振片、晶體或線柵。
5.根據權利要求2所說的成像光譜實現(xiàn)方法，其特征在于所述的成像鏡組(5)由消 像差透鏡組構成，其焦平面位于后續(xù)探測器(6)的接收面上。
6.根據權利要求2所說的成像光譜實現(xiàn)方法，其特征在于所述的探測器(6)為CCD陣 列、CMOS陣列、光電二極管陣列、光電倍增管、紅外焦平面陣列或紫外光探測器陣列。
7.根據權利要求2所說的成像光譜實現(xiàn)方法，其特征在于所述的信號獲取與處理系 統(tǒng)(7)包括可將探測器(5)接收到的信息進行傅立葉變換處理的微機，用于將目標空間信 息光強度信息和光譜信息進行解調，并顯示為圖片。
全文摘要
超大視場靜態(tài)偏振傅立葉變換成像方法，由目標源發(fā)出的輻射光經前置望遠系統(tǒng)收集、準直、消除雜散光之后，通過起偏器成為線偏振光，線偏振光經過視場補償型偏振分束器后，成為兩束相干且互相平行的部分光；兩束部分光通過檢偏器后，振動方向變?yōu)橄嗤?，最后經成像鏡組將兩束光匯聚到探測器上成像并發(fā)生干涉，形成包含了光譜信息的干涉條紋調制的圖像；接收到的信號再經信號獲取與處理系統(tǒng)后即可在大視場角內獲得目標的圖像和高光譜信息。
文檔編號G01J3/02GK101963528SQ20101029144
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者朱京平, 李 杰 申請人:西安交通大學