一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪

摘要

一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪，包括依次设置在同一光路中的前置望远系统、起偏器、两块相同的Wollaston棱镜、检偏器、成像镜和面阵探测器，其中第一Wollaston棱镜左楔板与第二Wollaston棱镜右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜右楔板与第二Wollaston棱镜左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜左楔板、第二Wollaston棱镜右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。本发明提出的干涉成像光谱仪光谱分辨能力可调，且调节范围较宽。对于不同的探测目标，利用这一技术，只获取有用的光谱数据，既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要，又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用，有效缩短数据处理时间，提高系统信噪比，从而使仪器总体性能达到最优。

权利要求

1.一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪，其特征在于：包括依次设置在同一光路中的前置望远系统（1）、起偏器（2）、两块相同的且间距可调的第一、二Wollaston棱镜WP1（31）和WP2（32）、检偏器（4）、成像镜（5）和面阵探测器（6），其中第一Wollaston棱镜WP1（31）左楔板与第二Wollaston棱镜WP2（32）右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP1（31）右楔板与第二Wollaston棱镜WP2（32）左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP1（31）左楔板、第二Wollaston棱镜WP2（32）右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。

说明书

一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种干涉成像光谱仪，特别一种光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪。

背景技术

[0002] 成像光谱技术是20世纪80年代发展起来的一种能够同时获取目标图像及图像上每一点光谱信息的先进光学探测技术，其获取的数据被称为“数据立方体”［Sellar R G，Boreman G D2005Opt.Eng.44013602.］。实现这一功能的仪器即为成像光谱仪。按照光谱获取原理的不同，成像光谱仪一般可分为色散型、干涉型（傅立叶变换型）、滤光片型、计算层析型四种。其中采用最多的是色散型和干涉型。色散型采用棱镜或光栅作为色散元件获取目标光谱，具有技术成熟、性能稳定等优点，但结构相对复杂，实现高空间分辨率及光谱分辨率均需小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比[Sellar R G，Boreman G D2005Appl.Opt.441614.]，不利于弱光目标的探测。干涉型利用双光束干涉的傅立叶变换光谱特性实现光谱数据的获取，具有光通量大、波长精度高、光谱探测范围宽等优点。早期结构多为迈克尔逊型，在相同光谱分辨率下，光通量约为光栅型的190倍[Bell R J1972Introductory Fourier Transform Spectroscopy(New York:Academic Press).]。但其工作时，需精密、稳定的动镜扫描，因此无法对目标光谱信息进行实时探测，应用环境和条件也受到极大限制。为解决这一问题，发展了静态干涉成像光谱仪，成为了干涉型成像光谱仪的主流[Barducci A,Guzzi D,Lastri C,Marcoionni P，Nardino V， Pippi I2010Opt.Express1811622.]、[Li J,Zhu JP，Wu HY2010Opt.Lett.353784.][LiJ,ZhuJP，Hou X.2011Opt.Commun.2841127.]。

[0003] 静态干涉成像光谱仪按照其光路结构及分束器的不同又分为反射型（如Sagnac干涉成像光谱仪）和双折射型。前者主要采用半透半反分束器、平面反射镜实现入射光的双光束干涉。后者采用双折射晶体分束器将入射光分为振动方向相互垂直的两束线偏振光，再通过检偏器使两束光具有相同的振动方向并发生干涉。目前已经发展出以Wollaston棱镜[Smith WH,Hammer PD1996Appl.Opt.,352902.]、[Fox DJ,Velde HT,Preza C,O’Sullivan JA,Smith WH,Woolsey TA2006Appl.Opt.453009.]和Savart偏光镜[Li J,ZhuJP，Hou X.2011Opt.Commun.2841127.]分束器为核心的双折射干涉成像光谱仪。在地球资源普查、灾害预警与监测、环境污染监控、天气预报、深空探索等领域发挥了重大作用。

[0004] 遗憾的是，上述两种静态成像光谱仪系统一旦确定，其光谱分辨率、光谱范围等参数便不能改变。为了满足不同任务的需求，必须具备高的光谱分辨率和宽的光谱范围［Chen B,Wang MR,Liu ZQ,Yang JJ2007Opt.Lett.321518.］，这将导致仪器信噪比下降，光谱图像数据量激增。而信噪比的下降会影响图像获取质量，数据量的增加会占用较多的存储空间和较宽的通信信道，也延长了数据采集和处理时间，这些问题在航空航天遥感上表现得尤为突出。

[0005] 以我国嫦娥一号所载Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪为例，由于受到星上存-1储空间及通信带宽的限制，其光谱分辨率为325.25cm ，对应的光谱通道数为32，且为了平衡任务所需光谱分辨率与数据量间的矛盾，CCD采集到的干涉条纹数据只能传输一半，能量利用率也因此减少了50%[Xue B2006Ph.D.Dissertation(Xi’an:Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences)(in Chinese)、薛彬
2006博士学位论文（西安：中国科学院西安光学精密机械研究所）］。已成为限制成像光谱遥感仪器发展的主要瓶颈。

[0006] 2007年，曾有人提出过旋转Savart偏光镜调节横向剪切量实现光谱仪分辨率调节的方法，但该方法调节范围很窄，且旋转后会减小棱镜通光孔径[简小华,张淳民,孙尧,吴磊.2007光学学报，27643.]，不利于实际应用。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、光通量大、稳定性高、工艺实现简单且能实现目标二维图像和一维光谱信息的探测，同时还具有光谱分辨率可调的独特优势，在满足多任务需要的同时，可减少非必要数据对存储空间及通信数传带宽的占用，缩短数据处理时间，提高系统信噪比，从而使仪器总体性能达到最优的光谱分辨率可调的干涉成像光谱仪。

[0008] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括依次设置在同一光路中的前置望远系统、起偏器、两块相同的且间距可调的第一、二Wollaston棱镜WP1和WP2、检偏器、成像镜和面阵探测器，其中第一Wollaston棱镜WP1左楔板与第二Wollaston棱镜WP2右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP1右楔板与第二Wollaston棱镜WP2左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP1左楔板、第二Wollaston棱镜WP2右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。

[0009] 针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题，本发明利用两块完全相同的Wollaston棱镜将目标光源横向剪切为两个无穷远处的虚光源，且两个光源之间存在一定的横向剪切量，再通过成像镜成像在焦平面上发生干涉，从而获取目标光谱、图像数据，实现目标的实时、高光谱分辨率（可调）探测。

[0010] 该仪器系统具有共轴光路、结构简单紧凑、无动镜扫描机构、光通量大、稳定性高、工艺实现简单且能获取目标二维图像和一维光谱信息的探测功能，同时还具有光谱分辨率可调且调节范围较宽的独特优势。对于不同的探测目标，利用这一技术，只获取有用的光谱数据，既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要，又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用，有效缩短数据处理时间，提高系统信噪比，从而使仪器总体性能达到最优。

附图说明

[0011] 图1是本发明的结构示意图，其分束器由两块相同的第一、二Wollaston棱镜WP1（31）、WP2（32）组成。

具体实施方式

[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0013] 参见图1，本发明包括依次设置在同一光路中的前置望远系统1、起偏器2、两块相同的且间距可调的第一、二Wollaston棱镜WP131和WP232、检偏器4、成像镜5和面阵探测器6，其中第一Wollaston棱镜WP131左楔板与第二Wollaston棱镜WP232右楔板的晶体光轴平行于棱镜入射面，且与光路主光轴垂直，第一Wollaston棱镜WP131右楔板与第二Wollaston棱镜WP232左楔板的晶体光轴则与第一Wollaston棱镜WP131左楔板、第二Wollaston棱镜WP232右楔板的晶体光轴及光路主光轴均垂直。

[0014] 通过调节WP131和WP232的间隔可以改变光谱仪的光谱分辨率。

[0015] 本发明的工作如下：目标发出的光经前置望远系统1收集、准直之后成为平行光，经过起偏器2后变为一束线偏振光，这一束线偏振光经过第一、二Wollaston棱镜WP131和WP232后分为两束具有一定横向剪切量，传播方向平行，振幅相等，振动方向相互垂直的线偏振光，再通过检偏器4，两束线偏振光具有了相同的振动方向，最后被成像镜5汇聚到焦平面上形成目标图像和干涉条纹，并被面阵探测器6接收。接收到的干涉图像通过重构、解调等操作，即可得到有关目标的完整的二维图像和一维光谱数据。

[0016] 需要区别是，英国学者Harvey和Fletcher-Holmes[Harvey AR,Fletcher-Holmes DW2004Opt.Express125368.]也曾提出过一种采用两块Wollaston棱镜的凝视型双折射干涉成像光谱仪，利用第一块Wollaston棱镜做分束器，第二块Wollaston棱镜上下运动实现类似Michelson动镜的功能，这与本发明中有本质的不同。

[0017] 对本发明获得的干涉条纹进行傅立叶变换能够得到目标光谱数据，其分辨率可以表示为[Zhang G Z1988Principle of Fourier Transform spectroscopy(Guangzhou:Zhongshan University Press)(in Chinese)张光昭,付里叶变换光谱学原理（广州:中山大学出版社）]：

[0018]-1

[0019] 式中Δσ为光谱分辨率的波数表示方式，其单位是cm ，OPDM为干涉仪能达到的最大光程差。光程差OPD可以表示为

[0020]

[0021] 式中d为WP1和WP2分开两束平行光的间距，即横向剪切量，i为光线入射角，f为成像镜焦距，x为与干涉条纹相垂直的坐标，其零点位于成像镜焦平面中心。

[0022] 从上式可以看出，干涉成像光谱仪的光谱分辨率由分束器横向剪切量d、成像镜焦距f、垂直于干涉条纹方向（一般称为光谱维）的CCD像元数及像元尺寸共同决定。以往的干涉成像光谱仪器一旦完成加工装配，其分束器剪切量、成像镜焦距及CCD探测器参数便不能改变，因此很难实现光谱分辨率的调节。而本发明提出的光谱分辨率可调，其关键就在于分束器横向剪切量的可调。

[0023] 采用光线追迹法推导出晶体中的光程差，从而可以获得光谱分辨率的具体表达式为

[0024]

[0025]

[0026] 式中t为分束器单块Wollaston棱镜的厚度，g为两块Wollaston棱镜间距，θ为棱镜结构角，i为光线最大入射角，f为成像镜焦距，x为CCD感光面光谱维的半长度。θ2oe、θ2eo分别为oe光和eo光在WP1右界面上的入射角，φ2oe和φ2eo为它们在空气中的折射角。

[0027] 由以上分析可以看出，通过改变空气间隔g来实现光谱分辨率的调节是可行的。这里必须注意的是光谱分辨率调节范围的下限是空气间隔g取零，而其上限则受CCD光谱维像元数的限制，必须满足采样定理［Sellar R G，Rafert J B1994 Opt.Eng.333087.］：

[0028]

[0029] 式中N为CCD光谱维像元数，λmin为光谱仪最小探测波长。据此，便可以针对不同目标探测的要求，设计分束器的结构参数，使其光谱分辨率可调范围能够满足多任务的需要。

[0030] 本发明提出的干涉成像光谱仪与其他双折射干涉成像光谱仪或者窗扫型干涉成像光谱仪相比，其优势在于采用了全新的分束器结构，实现了光谱分辨率调节功能。能够方便有效地调节光谱分辨率，在满足多任务需要的同时，可减少非必要数据对存储空间及通信数传带宽的占用，缩短数据处理时间，提高系统信噪比，从而使仪器总体性能达到最优。其次，该系统的工作原理决定了其不需要类似Michelson干涉仪中的动镜推扫来获取目标的光谱、图像数据，因此抗振能力强，具有较好的航空航天及野外环境适应性。第三，该系统无狭缝，光通量高，相对于空间调制型光谱仪，采用窗扫型数据获取模式，取消狭缝的设置，具有2D空间视场。此外，整个系统结构简单紧凑，设计、加工、调制方便，非常有利于新型成像光谱偏振仪的推广和应用。

[0031] 另外，本发明没有动镜扫描机构、共轴光路、结构简单紧凑、光通量大、稳定性高、工艺实现简单且能实现目标二维图像和一维光谱信息的实时探测功能，同时还具有光谱分辨率可调的独特优势，仪器光谱分辨能力在宽范围内连续可调。大量的实践经验和理论研究表明，不同观测目标，不同应用场合对遥感器光谱分辨能力的要求有很大的不同。对于不同的应用，利用光谱分辨率调节技术，只获取有用的光谱数据，则既能满足任务需求，又可减少对存储空间和通信带宽的占用，缩短数据处理时间，从而使仪器总体性能达到最优。