专利名称：空间外差干涉超光谱成像装置及方法
技术领域：
本发明涉及光学目标探测方法，特别是一种空间外差干涉超光谱成像装置及方法。
背景技术：
成像光谱技术采用辐射成像技术和光谱测量技术相结合方法，能够获得目标的二维空间辐射光强信息和目标各点的光谱信息。在大气污染探测、火箭尾焰测温等领域需要对目标进行亚纳米量级的超光谱成像探测。现有超光谱成像技术根据分光方式主要分为色散型和干涉型。色散型方案中需要采用狭缝进行推扫成像，狭缝的使用使得空间分辨率和光通量之间存在制约关系。为了获得高空间分辨率，通常需要减小狭缝的宽度，而结果导致光通量的极大损失。对于弱辐射目标，特别是天文目标的光谱探测，将增加探测器响应灵敏度的负担。干涉型超光谱成像技术分为空间调制型和像面干涉型。现有空间调制型干涉超光谱技术主要有两种，一种方法是通过在共光路干涉光路中增加色散棱镜来实现；另一种方法是采用空间外差光谱技术。两种方法虽然采用不同的干涉光路，但基本思想都是在已有干涉光路条件下采用色散元件，对不同波数的光波进行空间调制，从而获取不同于传统干涉光谱仪的干涉信号，进而提高复原光谱分辨率。其中，在共光路干涉光路中增加色散棱镜来提高光谱分辨率的方法，由Okamoto等人首次提出，后来由Meigs等人进行了优化。由于不同波数的光波在色散棱镜中的折射角度不同，因此不同波数的光波经过Sagnac横向剪切分束器后，其剪切量随波束改变，从而在探测器上得到被色散棱镜调制的干涉信号。通过选取合适的材料以及不同厚度的色散棱镜，可以提高探测波段内的光谱分辨率。但该方法用于成像探测存在以下几个问题(I)受棱镜色散特性的限制，所获取的光谱信息中，长波段处的光谱分辨率要远远小于短波段处的光谱分辨率，因此对探 测波段具有选择性；(2)该方法只能通过改变色散棱镜的材料和厚度两种方式来提高光谱分辨率，因此在实际应用中可能出现选不出合适的材料，或者可能需要很大体积的色散棱镜才能达到预期的光谱分辨率；(3)由于色散棱镜的引入会影响仪器的成像质量，因此需要设计复杂的成像物镜光学结构来校正成像质量的不足。空间外差光谱技术的概念最早提出于1971年，当时Dohi与Susuki采用全息胶片作为探测器进行空间外差光谱技术的实验研究。随着相关技术的发展，该技术在20世纪90年代以后得到了快速发展。1990年，美国的J. Harlander与F.L. Roesler开始采用C⑶探测器进行实用型SHS研究。1991年，J. Harlander建立首台空间外差光谱实验室样机后，立即获得美海军、NASA等单位的重视，在星际暗物质探测和中高层大气羟基探测中首获支持。1999年，B. ff. Smith等人开始进行红外(8 12 μ m)空间外差光谱仪的设计研究工作。与传统干涉成像光谱技术相比，空间外差光谱技术具有在较小波段范围内获取超高分辨率光谱的能力，目前已应用于天文探测、大气遥感等技术领域，但是现有空间外差光谱技术假定探测目标具有均匀统一的光谱分布，因此主要用于单点目标成像探测，尚未实现成像光谱探测，限制了该技术的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进行面探测的超高光谱分辨率成像的空间外差干涉超光谱成像方法。实现本发明目的的技术解决方案，一种空间外差干涉超光谱成像装置，包括沿光路方向依次共轴设置的前置物镜1、狭缝2、准直物镜3、光栅型迈克尔逊干涉系统4、后置成像系统5和信号处理系统6 ;其中狭缝2位于前置物镜I的焦面上，且狭缝2位于准直物镜3的前焦面上；光栅型迈克尔逊干涉系统4包括分束器41、第一衍射光栅42、第二衍射光栅43、第一棱镜44、第二棱镜45,其中第一衍射光栅42、第二衍射光栅43分别与各自的光轴正交面成Littrow角Θ倾斜放置，且在分束器41与第一衍射光栅42之间放置第一棱镜44，在分束器与第二衍射光栅43之间放置第二棱镜45 ;后置成像系统5包括沿光路走向依次设置的第一成像物镜51、第二成像物镜52、柱面镜53、探测器54 ;信号处理系统6与探测器54相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。本发明空间外差干涉超光谱成像装置，其中光栅型迈克尔逊干涉系统4中第一棱镜44、第二棱镜45用于扩展视·场，满足以下条件
权利要求
1.一种空间外差干涉超光谱成像装置，其特征在于，包括沿光路方向依次共轴设置的前置物镜(I)、狭缝(2)、准直物镜(3)、光栅型迈克尔逊干涉系统(4)、后置成像系统(5)和信号处理系统(6);其中狭缝(2)位于前置物镜(I)的焦面上，且狭缝(2)位于准直物镜(3)的前焦面上；光栅型迈克尔逊干涉系统(4)包括分束器(41)、第一衍射光栅(42)、第二衍射光栅(43)、第一棱镜(44)、第二棱镜(45),其中第一衍射光栅(42)、第二衍射光栅(43)分别与各自的光轴正交面成Littrow角Θ倾斜放置，且在分束器(41)与第一衍射光栅(42)之间放置第一棱镜(44)，在分束器与第二衍射光栅(43)之间放置第二棱镜(45);后置成像系统(5)包括沿光路走向依次设置的第一成像物镜(51)、第二成像物镜(52)、柱面镜(53)、探测器(54);信号处理系统(6)与探测器(54)相连；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
2.根据权利要求1所述的空间外差干涉超光谱成像装置，其特征在于光栅型迈克尔逊干涉系统(4)中第一棱镜(44)、第二棱镜(45)用于扩展视场，满足以下条件
3.一种基于权利要求1所述的空间外差干涉超光谱成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，来自目标各点的入射光经过前置物镜(1)，并在狭缝(2)所在平面成像； 第二步，通过狭缝(2)的光束经过准直物镜(3)后以平行光束形式进入光栅型迈克尔逊干涉系统(4)，平行光束被光栅型迈克尔逊干涉系统(4)分成两个平面波，并发生干涉，形成干涉条纹； 第三步，干涉条纹依次经过后置成像系统(5)中的第一成像物镜(51)、第二成像物镜(52)和柱面镜(53)后，狭缝上沿狭缝方向的不同视场点的干涉强度分布被柱面镜(53)后焦面处的探测器(54)的不同行接收，从而得到携带有一维空间信息和干涉信息的目标图像；推扫目标，探测器(54)即可获取携带有二维空间信息和每列干涉信息的目标图像，并将带有二维空间信息和每列干涉信息的目标图像转化为电信号进入信号处理系统(6)； 第四步，信号处理系统(6)从收到的电信号中提取目标各点不同光程差下的干涉数据，并对所得数据进行傅里叶变换获取目标各点的光谱信息及各个谱段的二维图像信息。
4.根据权利要求3所述的空间外差干涉超光谱成像装置的成像方法，其特征在于 第二步所述的光栅型迈克尔逊干涉系统(4)具体工作方法为平行光束经过分束器(41)分为强度相等的第一反射光和第一透射光两支第一反射光经过第一棱镜(44)入射到第一衍射光栅(42)上，被第一衍射光栅(42)衍射后返回到分束器(41)，形成第二反射光和第二透射光两支；第一透射光经过第二棱镜(45)入射到第二衍射光栅(43)上，被第二衍射光栅(43)衍射后返回到分束器(41)，形成第三反射光和第三透射光两支；经过分束器(41)的第二透射光和第三反射光发生干涉。
全文摘要
本发明提供一种空间外差干涉超光谱成像装置及方法，该装置包括沿光路方向依次设置的前置物镜、狭缝、准直物镜、光栅型迈克尔逊干涉系统、后置成像系统和信号处理系统。目标入射光经过前置物镜，并在狭缝处成像；出射光经过准直物镜后进入光栅型迈克尔逊干涉系统，被分成两个干涉的平面波形成干涉条纹；依次经过成像物镜、柱面镜，在探测器靶面上得到携带有一维空间信息和干涉信息的图像，通过推扫目标获取二维场景的光强信息和每列的干涉信息；信号处理系统提取不同光程差下的干涉数据，并进行傅里叶变换获取目标光谱信息及各个谱段的二维图像信息。本发明能够提高现有干涉光谱成像装置的光谱分辨率，进行亚纳米量级的超光谱分辨率的面探测。
文档编号G01J3/45GK103033265SQ20121056339
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者李建欣, 孟鑫, 史今赛, 张玉梅, 郭仁慧, 沈华, 马骏, 朱日宏, 陈磊, 何勇 申请人:南京理工大学