采用菲涅尔双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪

摘要

一种采用菲涅尔双面反射镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪。该系统由光学结构、焦平面探测器及信号采集处理系统组成。光学结构包括反射式前置望远镜、狭缝、反射式准直镜、菲涅尔双面反射镜、反射式柱面镜等部分。入射光被菲涅尔双面反射镜分解成两束具有一定交角的相干光束，在焦平面探测器表面产生一维干涉条纹；另一维灰度图由柱面镜聚焦成像。二维焦平面探测器可采用可见光到长波红外(0.4－14μm)中任意波段。信号采集处理系统可得到狭缝上各点的图像及光谱分布。沿与狭缝垂直方向推扫得到目标光谱图像数据立方体。本发明装置光谱响应波段宽、光通量大、信噪比高且结构简单，特别适用于航空航天遥感的高光谱成像领域。

说明书

技术领域  本发明涉及一种全反射式傅立叶变换成像光谱仪，属于遥感技术领域中成像光谱仪的设计技术范畴；特别涉及空间调制干涉型傅立叶变换成像光谱仪的光学系统设计。

背景技术  傅立叶变换成像光谱仪(Fourier Transform imaging spectrometer)又称作干涉型成像光谱仪(imaging interferometer)。与传统的色散型成像光谱仪相比较，傅立叶变换成像光谱仪具有输入光通量大、光谱分辨率高的特点，因此特别适合于航空航天遥感领域中的高光谱成像(Hyper spectralimaging)。从光学原理上看，傅立叶变换成像光谱仪可以划分为时间调制(Temporarily Modulated)干涉成像光谱仪和空间调制(Spatially Modulated)干涉成像光谱仪两大类。前者以依靠动镜扫描的迈克尔逊型(Michelson)傅立叶变换成像光谱仪为代表；后者的典型代表主要有采用Sagnac分束结构或其变体的傅立叶变换成像光谱仪，以及双折射晶体分束式即偏振干涉式傅立叶变换成像光谱仪等。文献[3]、[4]、[5]分别介绍了采用Sagnac型分束干涉部件的空间调制型傅立叶变换成像光谱仪；文献[6]、[7]分别介绍了采用偏振型分束干涉部件的空间调制型傅立叶变换成像光谱仪。注意到上述装置都在它们的干涉系统中采用了透反式分束板或者透射式分光部件。

在国内专利方面，中国专利No.99115952[8]和No.99256131[9]分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪；No.01213109[10]、No.01213108[11]以及No.99256129[12]分别介绍了采用偏振型器件的干涉型成像光谱仪。上述发明装置的共同特点是都包含透反式或透射式光学部件。

在国际专利方面，美国专利US4523846[13]和US5777736[14]分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪，二者都包含透反式或透射式光学部件；美国专利US5260767[15]虽然介绍了一种全反射式成像光谱仪，但它采用的是色散型分光结构，不属于傅立叶变换成像光谱仪的类型。

综上所述，迄今为止的傅立叶变换成像光谱仪都不可避免的采用了透反式或透射式的分束干涉结构。从原理上看，透反式或透射式分束干涉结构存在很多问题。其一，光谱范围受到限制；透反式分束板的基底材料对光波段有选择性；同时，镀在基底表面的分束膜的分光比也与波长有关；结果导致在成像光谱仪中必须采用多个具有不同光谱特性的分束板才能完成从可见光至红外波段的分束干涉，从而加大整个系统结构的复杂程度。其二，光能损失较大，分束器件透反射比例的非对称性以及在分束板的表面和内部存在的光损耗都会造成光能损失，这一问题不利于低照度下的高光谱成像。其三，偏振问题，分束膜导致两束光存在偏振现象，结果导致干涉调制度下降，从而降低所获取光谱图像的信噪比。其四，光程差与条纹位置的非线性问题。透反式和透射式干涉结构采用分振幅干涉原理，因此必须在干涉光路中采用一个傅立叶透镜才能使光程差与条纹位置成线性关系，这也增加了系统的复杂程度。

[1]廖宁放，基于干涉型傅立叶变换成像光谱带宽图像处理系统，国家863-13主题项目2002AA135040研究报告，2004。

[2]楚建军，傅立叶变换成像光谱技术研究，北京理工大学博士学位论文，2002.。

[3]R.G.Sellar，J.B.Rafert，The effects of aberrations on spatially modulated Fourier transformspec-trometers.Opt.Engng.，1994，33(16)：3087～3092.

[4]R.G.ellar，J.B.Rafert，Fourier transform imaging spectrometer with a single toroidal optic.Appl.Opt.，1995，34(16)：2931～2933.

[5]J.B.Rafert，R.G.Sellar，J.H.Blatt，Monolithic Fourier transform imaging spectrometer.Appl.Opt.，1995，34(31)：7228～7230.

[6]P.D.Hammer，E.P.J.Valero，D.L.Peterson，An imaging interferometer for terrestrial remote sensing.Proc.SPIE，1993，1937：244～255.

[7]W.H.Smith，P.D.Hammer，Digital array scanned interferometer：sensors and results.Appl.Opt.，1 996，35(16)：2902～2909.

[8]相里斌 赵葆常 杨建峰 王炜 原新晶 高立民 王忠厚 袁艳，高灵敏度干涉成像光谱装置，中国专利：99256131。

[9]相里斌 赵葆常 杨建峰 原新晶 高立民 王忠厚 袁艳 王炜，一种干涉成像光谱技术及其装置，中国专利：99115952。

[10]张淳民 相里斌 赵葆常 杨建峰，超小型稳态偏振干涉成像光谱仪，中国专利：01213109。

[11]张淳民，稳态大视场偏振干涉成像光谱仪，中国专利：01213108。

[12]相里斌杨建峰阮萍张淳民王炜，偏振型干涉成像光谱仪，中国专利：99256129。

[13]Integrated optics in an electrically scanned imaging Fourier transform spectrometer.Patent Number：US4523846.

[14]High Etendue Imaging Fourier Transform Spectrometer.Patent Number：US5777736.

[15]Compact all-reflective imaging spectrometer，Patent Number：US5260767

发明内容  为了克服现有傅立叶变换成像光谱仪的透反式或透射式分束干涉结构存在的问题，本发明提出一种采用菲涅尔(Fresnel)双面反射镜作为干涉部件的全反射式傅立叶变换成像光谱仪。菲涅尔双面反射镜是一种经典的分波前干涉装置，与其它分振幅干涉装置相比，菲涅尔双面镜具有全反射的特点，因此可以工作在从可见光到热红外的波段范围。值得注意，菲涅尔双面反射镜的干涉调制度与狭缝宽度有一定联系，因此在传统的非成像型傅立叶变换成像光谱仪中，例如迈克尔逊型(Michelson)干涉仪，一般都不采用菲涅尔双面反射镜干涉结构而采用了分振幅干涉结构。然而，本发明涉及的成像光谱仪对空间分辨率有较高要求，必须采用一个狭缝来限制瞬时视场(IFOV)，因此，采用菲涅尔双面反射镜的干涉结构不会对成像光谱仪的干涉调制度造成影响。

本发明的傅立叶变换成像光谱仪具有全反射的光路结构。整个装置由反射式前置望远镜、入射狭缝、反射式准直镜、菲涅尔双面镜、反射式柱面镜、焦平面探测器以及信号采集处理系统等部分组成。前置望远镜把远距离的线状目标成像在入射狭缝上，这相当于在空间遥感系统中，把垂直于推扫方向的远距离一维线状目标成像于干涉系统的入射狭缝上。准直镜把入射狭缝的出射光平行投射到菲涅尔双面反射镜表面；菲涅尔双面镜的表面镀金以实现可见光到热红外的宽光谱反射特性；经过菲涅尔双面镜反射后，由狭缝上发出的一束光被分解成两束具有一定交角的光束；柱面镜的母线与菲涅尔双面镜的交线相互垂直，因此可以把狭缝的一维灰度图像聚焦到探测器表面，同时又不妨碍菲涅尔双面镜的两束光在探测器表面产生另一维干涉条纹。采用光谱响应范围分别为可见光及近红外(VIS&NIR，0.4-1μm)、短波红外(SWIR，1-5μm)以及长波红外(LWIR，8-14μm)的焦平面探测器，就可以分别实现从可见光到红外波段的干涉条纹图像信号采集。信号采集处理系统由前置处理电路、视频图像采集卡、微型计算机系统以及输入输出接口等组成，对焦平面探测器输出的信号进行数字化采集和处理，并完成由空域到频域的傅立叶变换，最后求出狭缝上各点图像的光谱分布。完整的一幅二维目标图像的光谱图像(即光谱图像数据立方体)可以通过沿着与狭缝垂直方向的推扫(push-broom)过程产生。

本发明装置具有光谱范围宽、光通量大、图像信噪比高以及光学结构简单的特点，特别适合于航空航天遥感领域的高光谱成像系统。

附图说明  图1为本发明的全反射式傅立叶变换成像光谱仪的光路结构示意。

图2为本发明的菲涅尔双面镜干涉图案产生原理示意。

图3为本发明的菲涅尔双面镜、柱面聚焦镜、焦平面探测器的光路原理示意。

图4为本发明信号采集处理系统原理。

图5为第1实施例原理图。

图6为第2实施例原理图。

图中主要结构为：1-前置望远镜，2-狭缝，3-反射式准直镜，4-菲涅尔双面镜，5-反射式柱面镜，6-焦平面探测器，7-信号采集处理系统。

具体实施方式  本发明叙述的傅立叶变换成像光谱仪，其特点是在光学系统中采用一组菲涅尔双面反射镜作为分束干涉部件，从而实现整个光学结构的全反射特性。现结合图1、图2、图3、图4以及图5对本发明的工作原理说明如下。

如图1所示，本发明装置由反射式前置望远镜1、狭缝2、反射式准直镜3、菲涅尔双面镜4、反射式柱面镜5、焦平面探测器6以及信号采集处理系统7组成。

前置望远镜1把远距离的线状物成像在入射狭缝2上，这相当于在空间遥感系统中，把垂直于推扫方向的远距离地面的线状目标成像于干涉系统的入射狭缝上。在狭缝2之后，反射式准直镜3把狭缝的出射光投射到菲涅尔双面镜4表面；经过菲涅尔双面镜4反射后，狭缝2出射的一束光被分解为两束互相成一定交角的光；该两束光再经过反射式柱面镜5聚焦后投射到焦平面探测器6表面，并在焦平面探测器6表面同时形成一维干涉条纹分布和另一维的灰度图像分布。其中，反射式柱面镜5的母线与菲涅尔双面镜4的交线相互垂直；干涉条纹的方向与反射式柱面镜5母线平行。焦平面探测器6采用具有宽光谱响应的传感器件以实现宽光谱波段的信号采集。信号采集处理系统7由前置处理电路、视频图像采集卡、微型计算机系统以及输入输出接口等组成，将焦平面探测器的视频图像信号转变为数字图像信号，并实施由空域到频域的傅立叶变换，就可以求出沿狭缝方向分布的一维目标图像的光谱分布。另一维目标图像的光谱分布可由推扫过程产生，推扫方向与狭缝方向垂直。

菲涅尔双面镜4的干涉原理如图2所示。菲涅尔双面镜中两平面反射镜S₁、S₂间有一很小的交角θ，两镜的交线和图面垂直且通过O点。考虑理想情形，假设很细的入射狭缝位于图中L处，即L处出射的为理想球面波，又假设两个反射镜分别为理想平面，那么由L点发出的光线经过两个反射镜后形成两个分开的虚象L₁和L₂，它们是一对相干的虚光源，两像位于以O点为圆心，OL为半径的圆周上，弧L₁L₂等于2θ。按照波动光学理论，L点发出的光波经S₁和S₂反射镜后得到两系球面波，其中心分别为L₁和L₂。这两系球面波有部分重叠，在这个重叠部分产生了两束球面波的干涉。在放置于干涉区域内的任一平面BB上可以对干涉图进行收集。

由于本发明装置在干涉光路中采用了准直镜和分波前干涉原理，因此在焦平面上产生的光程差ΔL与干涉条纹位置ξ的关系是ΔL＝2ξsinθ，其中θ为菲涅尔双面镜的交角，因此光程差与干涉条纹位置成线性关系。

本发明装置在焦平面探测器表面产生的干涉条纹宽度Δx由下式计算：

$>>\Delta x>=>>\lambda >>2>sin>\theta >>>->->->>(>1>)>>>s>$

其中λ为光波长，θ为菲涅尔双面镜的交角。由(1)式可知，菲涅尔双面镜的交角越大，干涉条纹越密，对探测器的分辨率要求越高。

本发明理论上的光谱分辨极限(即最小可分辨波数差δv)主要取决于光学系统的几何参数及探测器特性。计算公式为：

$>>\delta v>=>>1>>2>>\xi >M>>sin>\theta >>>->->->>(>2>)>>>s>$

其中ξ_M为探测器的最大宽度，2ξ_M sinθ就是干涉系统所获得的最大光程差。由(2)式可知，焦平面探测器的总宽度越大，则光谱分辨率越高。

根据(1)式还可推出本发明的可探测光谱的截止波长计算式：

λ_cut-off＝4dsinθ                         (3)

其中d为CCD单元尺寸。

由(3)式可知，具有高像素密度的探测器有助于扩展系统的可探测波长范围。

本发明的信号采集处理系统7原理如图4所示。由焦平面探测器6采集到的复合视频信号包含狭缝的一维灰度图像信息及一维干涉条纹信息，在CPU的控制下，输入信号经前置处理电路和A/D转换处理后，保存在内存中。系统对保存的信号进行处理，完成由空域到频域的傅立叶变换，求出狭缝上各点图像的光谱分布并将结果保存，以备进一步的应用。CPU还可以对整个系统进行推扫同步采样，从而使系统得到完整目标的光谱图像数据立方体。

在本发明中，光谱分布B(v)由干涉条纹分布I(ξ)的傅立叶变换得到，即：

B(v)＝FT{I(ξ)}                            (4)

在计算机中，可以采用一维离散傅立叶变换算法计算(4)式，方法如下：

设在与干涉条纹相垂直的方向上，可以取得干涉条纹强度分布的数据序列：

I(ξ)，ξ＝0，1，2...N-1

则I(ξ)的傅立叶变换式为：

$>>B>>(>0>)>>=>>1>>N>>>>\Sigma >>\xi >=>0>>>N>->1>\; >I>>(>\xi >)>>>s>$

$>>B>>(>v>)>>=>>>2>N>>>>\Sigma >>n>=>0>>>N>->1>\; >I>>(>\xi >)>>cos>>>>(>2>\xi >+>1>)>>v\pi >>>2>N>>>->->->>(>5>)>>>s>$

v＝1，2，3，...N-1

ξ＝0，1，2，3...N-1

目前可以利用商品化的快速傅立叶变换(FFT)软件完成上述计算。

在本发明的计算结果中，对光谱数据的波长位置标定采用如下方法：

根据本发明装置的光程差ΔL与干涉条纹在焦平面的位置坐标ξ的线性关系ΔL＝2ξsinθ可知，对于任意给定波长的单色光，其在焦平面产生的干涉条纹的间距相等；因此根据傅立叶变换的空间不变性可知，经过傅立叶变换后，频域空间的刻度也是线性的，即在计算结果的光谱数据序列中，波数值与数据序列号成正比关系。设在计算结果中，光谱数据序列为：

x₁，x₂，x₃，......x_n

它们对应的波数序列为：

v₁，v₂，v₃，......v_n

则有如下比例关系：

$>>>>>v>1>>->>v>2>>>>>x>1>>->>x>2>>>>=>>>>v>3>>->>v>2>>>>>x>3>>->>x>2>>>>=>\Lambda >>>>v>n>>->>v>>n>->1>>>>>>x>n>>->>x>>n>->1>>>>>->->->>(>6>)>>>s>$

因此，在波长标定中，如果已知波数的起点位置，则仅需要确定其中一条已知波长光线的谱线位置，就可以根据(6)式确定其它光线的波数位置。如果确定了两条谱线的波数位置，则不需要波数的零点位置也能根据(6)式标定整个波段的波数位置。

实施举例：

在图5所示的实施例1中，本发明装置对近距离的线状光源(汞灯)目标进行采样，以标定系统的谱线位置。其中，光源的两条主要谱线波长分别为4358nm(22946cm^-1)和5461nm(18312cm^-1)；前置望远镜1采用单个离轴抛物面反射镜，焦距为250mm，有效口径φ60mm，离轴距离30mm，在近轴区域具有很好的成像质量；狭缝2位于前置望远镜1的焦点附近，因此被测目标的像被成在狭缝的入射面上。反射式准直镜3同样采用一个与前置望远镜1相同的离轴抛物面反射镜，其物方焦点与前置望远镜1的像面位置重合，即与狭缝2的像面位置重合；狭缝2的出射光被准直后成为平行光束并以一定角度投射到菲涅尔双面镜4的中心区域。反射式柱面镜5采用一个离轴设计的抛物线形柱面镜，焦距为40mm，有效口径50×50mm，离轴距离30mm；焦平面探测器采用硅CCD阵列(1/2英寸，768×586象素)，在可见光及近红外波段(0.4-1.0μm)有响应。图像采集卡为量化精度8bit的普通视频图像采集卡，通过PCI总线与计算机连接。信号处理系统采用可视化编程技术，完成图像采集、噪声处理、FFT变换、数据存储等功能。

设狭缝宽度为0.1mm，则对应的瞬时视场角为：

IFOV＝0.1/250＝0.004rad＝4mrad.

设菲涅尔双面镜的交角为0.5°，CCD感光面接收干涉光束的有效宽度2ξ_M为7.68mm，则由光学系统限制的光谱(波数)分辨极限为：

同时设CCD单元尺寸d为9μm，则由光学系统限制的可探测截止波长为：

λ_cut-off＝4dsinθ＝4×9000×sin0.5°≈314nm

在图6所示的实施例2中，本发明装置对一维黑白条带目标进行采样，以获得光谱图像数据立方体。其中，被测目标被普通卤钨灯照明，因此在可见光及近红外波段具有连续光谱信号；条带方向与狭缝方向垂直；光学系统、焦平面探测器的参数与图5完全相同。另外，图6所示装置也可以对红外波段目标采样，此时将条带目标改为等温条带红外辐射靶源，并把焦平面探测器改为红外焦平面探测器。例如在1-5μm波段，采用制冷型PtSi-CCD阵列(512×512象素)；在热红外8～12μm波段，采用制冷型HgCdTe焦平面器件或非制冷型红外焦平面器件(512×512象素)。同样设菲涅尔双面镜的交角为0.5°，PtSi-CCD阵列的单个像元尺寸为30μm，则系统可探测光谱的截止波长为：

λ_cut-off＝4×30×sin0.5°≈1.04μm