基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置

摘要

本发明属于超速检测的高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，目的在于解决现有成像装置测量速度慢的问题。该装置准直后的光束经第一反射镜后进入第二分束器，第二分束器的透射光束经第二全反镜反射后进入与其对应的光程调节单元，反射光束经第三全反镜反射后进入与其对应的光程调节单元，光束经过两个光程调节单元后由与入射光路相反的方向射出，经第二反射镜和第三反射镜的二次反射光路后以干涉光束出射。所述光程调节单元包括一个平面反射镜和至少两个中空反射镜，其中一个反射镜的背面设有高频驱动器，通过压电陶瓷高频驱动器使第一反射镜产生高频往复运动，可以达到快速采集地目的。

权利要求

1.一种基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：包括设置在被测目标光光路上的前置准直系统(1)，准直光的光路上设有第一反射镜(2)，准直光路经第一反射镜(2)后进入第二分束器(5)，第二分束器(5)将入射光分为反射光路和透射光路，第二分束器(5)的反射光路上设有第三反射镜(6)，第二分束器(5)的透射光路上设有第二反射镜(7)，第三反射镜(6)的反射光路上设有第一光程调节单元(8)，第二反射镜(7)的反射光路上设有第二光程调节单元(9)，透射光束经第二反射镜(7)反射进入第二光程调节单元(9)后沿与透射光路相反的方向射出，经第二反射镜(7)再次反射进入第二分束器(5)，经过第二分束器(5)反射进入后置成像透镜组(10)；反射光束经第三反射镜(6)反射进入第一光程调节单元(8)后沿与反射光路相反的方向射出，经第三反射镜(6)再次反射进入第二分束器(5)，经过第二分束器(5)透射至后置成像透镜组(10)后，与反射至后置成像透镜组(10)的透射光束在探测器(11)上发生干涉；干涉信号传输至与探测器(11)相连的计算机(12)；

第一光程调节单元(8)和第二光程调节单元(9)均包括一个平面反射镜和至少两个中空反射镜，其中一个中空反射镜上设有用于使其产生高频往复运动的高频驱动器，所述高频驱动器连接有用于控制高频驱动器振动频率和振动幅值的控制器，所述控制器与计算机(12)相连；第一光程调节单元(8)的高频驱动器与第二光程调节单元(9)的高频驱动器的驱动电压振动幅值和振动频率相等；第一光程调节单元(8)的高频驱动器与第二光程调节单元(9)的高频驱动器的驱动电压相位差为180°。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述第一光程调节单元(8)包括第一中空反射镜(801)、第二中空反射镜(802)、第三中空反射镜(803)和第四反射镜(804)，反射光束进入第一光程调节单元(8)经第一中空反射镜(801)、第二中空反射镜(802)、第三中空反射镜(803)和第四反射镜(804)依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，第一中空反射镜(801)上刚性连接有第一高频驱动器，第一高频驱动器电性连接第一控制器，所述第二光程调节单元(9)包括第四中空反射镜(901)、第五中空反射镜(902)、第六中空反射镜(903)和第五反射镜(904)，透射光束进入第二光程调节单元(9)经第四中空反射镜(901)、第五中空反射镜(902)、第六中空反射镜(903)和第五反射镜(904)依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，第四中空反射镜(901)上刚性连接有第二高频驱动器，第二高频驱动器电性连接第二控制器。

3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述第一高频驱动器和第二高频驱动器均为压电陶瓷高频驱动器，所述第一控制器和第二控制器均为压电陶瓷控制器。

4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，其特征在于：所述前置准直系统(1)与第一反射镜(2)之间的准直光路上设有第一分束器(3)，经过第一分束器(3)的准直光路分为两路，一路入射至第一反射镜(2)，另一路入射至校准装置(4)。

说明书

基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置

技术领域

[0001] 本发明属于超速检测的高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置。

背景技术

[0002] 成像光谱探测技术经过了二十几年的高速发展，已经形成了一门颇具特色的现代化学科。随着人们对大自然中事物的认识能力不断提升，对遥感探测技术的空间分辨率和光谱分辨率的探测精度也提出了越来越高的要求，在科技促使下，探测器的各种分辨能力也逐渐提高。成像光谱技术融合了光谱技术和成像技术的优点，可用分析目标物体图像和光谱信息，这些图像信息和光谱信息就组成了目标物体的三维数据立方体，在三维数据立方体中，可以通过成像光谱技术提取目标物体的图像轮廓信息，也可以对目标物体进行精细的光谱分析，进而将被测目标所包含的结构和化学层次意义更精确地传递给人类，特别是对于类似航空航天遥感、大自然植被精细组成监察、矿产资源探测、海洋遥感、地质勘测、农作物长势估产、减灾预报、生物医学诊断等应用领域具有重要的实用意义。

[0003] 目前成像光谱仪发展迅速，应用广泛，种类也比较多，每一种成像光谱仪都有自己的优缺点。傅里叶变换高光谱成像仪不用棱镜或者光栅分光，而是用迈克尔逊干涉仪得到干涉图，采用傅里叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以频率为变量的光谱图。一台傅里叶变换红外光谱仪是一个复杂的光学、电子、机械结构以及软件程序的混合体。它需要通过各个功能单元的配合才能完成采集干涉图的任务，之后还要经过傅里叶变换得到光谱图。傅里叶变换红外光谱仪的硬件系统主要由光学部分、动镜运动控制部分、定镜动态校正部分和数据采集部分等组成。系统中的动镜和静镜都是被磨光的高反射率平面反射镜，来自被测目标的反射、透射或者辐射光经过前端光学系统准直后被一对薄厚和材质均匀一致的分束器分成强度相同的两束平行光，一束为反射光，另一束为透射光，反射光被静镜反射光被动镜、透射光被动镜反射后都聚焦于探测器上。由于反射光和透射光的光程差不相同，通过改变动镜的位移就可以实施相关的干涉测量，也就是说，其最大的光程差通过最大的动镜位移量来实现。

[0004] 在实际应用中，这种时间调制型干涉成像光谱仪存在两个缺点：一是动镜要求匀速，且对倾斜、晃动要求严格，二是对干涉图完成采样需要动镜运动一个周期，故不适合快速变化光谱测量，只适合测量随时间变化较慢的目标物体的光谱信息。

[0005] 由于物体的某些高速运动、形变快速、不发光以及其它方面的干扰，人类感官的感受能力受到很大的限制。许多科学仪器，扩展了人类的感受能力，观察到了许多依靠人类感官本能所不能感受到的现象。人类裸眼的视觉鉴别能力为十分之一秒，而应用高速摄影仪器，可以将时间鉴别率提高一百万倍，甚至更高，从而提供一系列的空间-时间信息。这样就可以把高速过程的运动规律展现在人们面前，进而有可能对许多重要的科学技术任务进行细致深入的研究。为了观测高速运动流场每一瞬间的流动图像及其变化过程，快速检测是必不可少的手段。在动镜扫描型干涉光谱成像仪中，一般都需要一套精度要求很高的直线型动镜系统，稳定性差、工艺复杂，给研制带来了许多困难，最重要的是测量速度很慢。通常情况下，检测器接收到光干涉信号形成干涉图，然后系统软件对其进行截趾、相位计算、添零、傅立叶变换和相位校正后才能得到光谱图。有的情况下为了去除噪音，增加信噪比，在干涉图生成过程中还对扫描得到的干涉图进行平均。快速扫描技术则是在测量时通过对程序进行编辑，使FTIR测量时一次性扫描并生成、存储大量干涉图，最后统一对这些干涉图进行截趾、相位计算、添零、傅立叶变换和相位校正处理，此方法的最大好处便是可以在最短的时间内获得数量最多的干涉图，即最多的获得待测物的信息。因此，对于一些快速反应，或者是一些不稳定反应，如燃烧火焰发射、烟囱发射、泄漏等等，为更大效率的得知待测物信息，快速扫描技术就体现出了优越性。例如，固体推进剂燃烧时，火焰中含有丰富的红外特征光谱信息，通过研究可以对其配方的药型进行识别，并且可以判断药剂是否达到工作要求，判断装载此药的部件工作状态有助于了解燃烧的详细物理化学过程，通过对火箭烟羽信号的研究可以对火箭进行检测，识别和预警。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有时间调制型干涉成像光谱仪测量速度慢的缺点，提出一种基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，

[0007] 为了完成上述目的，本发明的具体技术解决方案是：一种基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，其特殊之处在于：包括设置在被测目标光光路上的前置准直系统，准直光的光路上设有第一反射镜，准直光路经第一反射镜后进入第二分束器，第二分束器将入射光分为反射光路和透射光路，

[0008] 第二分束器的反射光路上设有第三反射镜，第二分束器的透射光路上设有第二反射镜，第三反射镜的反射光路上设有第一光程调节单元，第二反射镜的反射光路上设有第二光程调节单元，

[0009] 透射光束经第二反射镜反射进入第二光程调节单元后沿与透射光路相反的方向射出，经第二反射镜再次反射进入第二分束器，经过第二分束器反射进入后置成像透镜组；反射光束经第三反射镜反射进入第一光程调节单元后沿与反射光路相反的方向射出，经第三反射镜再次反射进入第二分束器，经过第二分束器透射至后置成像透镜组后，与反射至后置成像透镜组的透射光束在探测器上发生干涉；干涉信号传输至与探测器相连的计算机；

[0010] 第一光程调节单元和第二光程调节单元均包括一个平面反射镜和至少两个中空反射镜，其中一个中空反射镜上设有用于使其产生高频往复运动的高频驱动器，所述高频驱动器连接有用于控制高频驱动器振动频率和振动幅值的控制器，所述控制器与计算机相连；第一光程调节单元的高频驱动器与第二光程调节单元的高频驱动器的驱动电压振动幅值和振动频率相等。

[0011] 进一步地，第一光程调节单元的高频驱动器与第二光程调节单元的高频驱动器的驱动电压相位差为180°。

[0012] 进一步地，所述第一光程调节单元包括第一中空反射镜、第二中空反射镜、第三中空反射镜和第四反射镜，反射光束进入第一光程调节单元经第一中空反射镜、第二中空反射镜、第三中空反射镜和第四反射镜依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，第一中空反射镜上刚性连接有第一高频驱动器，第一高频驱动器电性连接第一控制器，[0013] 所述第二光程调节单元包括第四中空反射镜、第五中空反射镜、第六中空反射镜和第五反射镜，透射光束进入第二光程调节单元经第四中空反射镜、第五中空反射镜、第六中空反射镜和第五反射镜依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，第四中空反射镜上刚性连接有第二高频驱动器，第二高频驱动器电性连接第二控制器。

[0014] 进一步地，所述第一高频驱动器和第二高频驱动器均为压电陶瓷高频驱动器，所述第一控制器和第二控制器均为压电陶瓷控制器。

[0015] 进一步地，所述前置准直系统与第一反射镜之间的准直光路上设有第一分束器，经过第一分束器的准直光路分为两路，一路入射至第一反射镜，另一路入射至校准装置。

[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0017] 1、本发明地成像装置首先采用前端准直系统对来自被测目标的反射、辐射或者透射光进行准直，准直光束经过第一反射镜后入射到第二分束器上，第二分束器将入射光分为反射光和透射光，反射光被第二反射镜反射到第一多光程单元内，经过多次反射后沿着原光路出射；透射光被第三反射镜反射到第二多光程单元内，经过多次反射后也沿着原光路出射；这两束光都经过分束镜并发生干涉，干涉光经过后置成像透镜组被探测器接收。

[0018] 所述第一光程调节单元和第二光程调节单元均由一个平面反射镜和三个中空反射镜组成，即第一中空反射镜、第二中空反射镜、第三中空反射镜和第四反射镜，进入光程调节单元的光束经第一中空反射镜、第二中空反射镜、第三中空反射镜和第四反射镜依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，第一反射镜的背面设有压电陶瓷高频驱动器，通过压电陶瓷高频驱动器使第一反射镜产生高频往复运动，可以达到快速采集的目的。

[0019] 2、本发明两个光程单元的第三反射镜上各设一个压电陶瓷高频驱动器，通过计算机控制这两个压电陶瓷高频驱动器，使两个压电陶瓷高频器的驱动电压幅值和频率相等，但是驱动电压的相位差相差180°，则两个光程调节单元的第三反射镜在同一时刻正好在做相反的位移，当位移量分别达到正、负最大值时，系统即拥有最大的光程差，进而达到提高光谱分辨率的目的。

附图说明

[0020] 图1是本发明基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置的结构示意图；

[0021] 图2是本发明第一光程调节单元的结构示意图；

[0022] 图3是本发明第二光程调节单元的结构示意图。

[0023] 图中：1-前置准直系统，2-第一反射镜，3-第一分束器，4-校准装置，5-第二分束器，6-第三反射镜，7-第二反射镜，8-第一光程调节单元，801-第一中空反射镜，802-第二中空反射镜，803-第三中空反射镜，804-第四反射镜，9-第二光程调节单元，901-第四中空反射镜，902-第五中空反射镜，903-第六中空反射镜，904-第五反射镜，10-后置成像透镜组，11-探测器，12-计算机，13-第一压电陶瓷高频驱动器，14-第二压电陶瓷高频驱动器，15-第一压电陶瓷控制器，16-第二压电陶瓷控制器。

具体实施方式

[0024] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0026] 本发明利用折叠光路的方法增加有效光程差，利用一个可移动的中空反射镜、两个静止的中空反射镜组以及一个平面反射镜取代传统麦克尔逊干涉仪中的平面反射镜。由于中空反射镜对光路具有折叠作用，因此，在同样分辨率下，中空反射镜的运动距离要比便携式红外光谱仪的扫描距离要更短。例如，本发明中的中空反射镜被压电陶瓷高频驱动器推动发生的位移量为x，每个光程调节单元将产生12x的光程，那么系统将产生24x的光程。在实际应用中，可以增加或者减小中空反射镜的数量改变系统的光程。

[0027] 基于压电陶瓷驱动型多光程傅里叶变换高光谱成像装置，包括设置在被测目标光光路上的前置准直系统1，准直光的光路上设有第一反射镜2，所述前置准直系统1与第一反射镜2之间的准直光路上设有第一分束器3，经过第一分束器3的准直光路分为两路，一路入射至校准装置4，另一路入射至第一反射镜2后进入第二分束器5，第二分束器5将入射光路分为反射光路和透射光路；

[0028] 第二分束器5的反射光路上设有第三反射镜6，第二分束器5的透射光路上设有第二反射镜7，第三反射镜6的反射光路上设有第一光程调节单元8，第二反射镜7的反射光路上设有第二光程调节单元9，第二分束器5的透射光束经第二全反镜7反射后进入第二光程调节单元9，第二分束器5的反射光束经第三全反镜6反射后进入第一光程调节单元8；

[0029] 所述第一光程调节单元8包括第一中空反射镜801、第二中空反射镜802、第三中空反射镜803和第四反射镜804，反射光束进入第一光程调节单元8经第一中空反射镜801、第二中空反射镜802、第三中空反射镜803和第四反射镜804依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，经第二反射镜7再次反射进入第二分束器5，经过第二分束器5反射进入后置成像透镜组10；

[0030] 所述第二光程调节单元9包括第四中空反射镜901、第五中空反射镜902、第六中空反射镜903和第五反射镜904，透射光束进入第二光程调节单元9经第四中空反射镜901、第五中空反射镜902、第六中空反射镜903和第五反射镜904依次反射后沿与入射光路相反的方向射出，经第三反射镜6再次反射进入第二分束器5，经过第二分束器5透射至后置成像透镜组10后，与反射至后置成像透镜组10的透射光束在探测器11上发生干涉，干涉信号传输至与探测器11相连的计算机12；

[0031] 第一中空反射镜801背面胶粘有第一压电陶瓷高频驱动器13，第四中空反射镜901的背面胶粘有第二压电陶瓷高频驱动器14，两个压电陶瓷高频驱动器各连接一个用于控制高频驱动器振动频率和振动幅值的控制器，即第一压电陶瓷控制器15和第二压电陶瓷控制器16，两个压电陶瓷控制器与分别与计算机12相连。通过计算机12控制这两个压电陶瓷高频驱动器，使两个压电陶瓷高频器的驱动电压幅值和频率相等，但是驱动电压的相位差相差180°，则第一中空反射镜801与第四中空反射镜901在同一时刻正好在做相反的位移，当位移量分别达到正、负最大值时，系统即拥有最大的光程差，在达到快速采集目的的同时还能提高光谱分辨率。

[0032] 应当说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。