專利名稱：靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學儀器技術領域，特別是一種同時能獲得目標二維強度、干涉光譜 和全偏振特性的三位一體的靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置。
背景技術：
1980s，美國空氣動力實驗室(JPL)提出成像光譜儀概念，將成像儀與光譜儀融 合，可以同時獲取目標的二維空間信息和一維光譜信息，受到各國大力重視。20多年時間 里，成像光譜儀從多通道的色散型，發(fā)展到高光譜的干涉型，其中麥克爾遜(Mechelson)干 涉成像光譜儀具有視場較大的基本優(yōu)點，干涉型分光結構保證了其高的光譜分辨能力，大 視場也保證了其較高的信噪比，這些優(yōu)點使其在對地觀測中被大量采用。但常用的動鏡掃 描方式探測時，同一目標干涉強度需要動鏡多次步進來采集，得到的是不同時刻的值，造成 的測量誤差較大；內部掃描鏡的驅動需要很高的精度，且對外界的震動敏感。這些問題使其 在航天、航空、野外環(huán)境中使用有較大局限性。后來發(fā)展起了靜態(tài)傅立葉變化光譜儀，典型 代表之一就是麥克爾遜(Mechelson)型靜態(tài)干涉儀，它利用其中一個反射鏡傾斜來產(chǎn)生光 程差，在干涉面上產(chǎn)生豎直的干涉條紋，再利用傅立葉變換得到光源的光譜。這種結構沒有 復雜的機械掃描，結構簡單，成本低廉，便于小型化且調試方便，對于推進對地觀測光譜測 量有重要意義。然而我們注意到光源發(fā)射的光照射到地球表面和大氣中的任何目標，在輻射、反 射、透射和散射光波的過程中，不僅會引起光波強度、光譜輻射特性的變化，還會引起偏振 狀態(tài)的變化。干涉成像光譜儀優(yōu)良地解決了同時探測目標空間強度信息和光譜信息的功 能，可以獲得目標的二維空間信息以及物質結構和化學成分，然而無法全面體現(xiàn)表征物體 屬性的偏振特性。
發(fā)明內容
針對目前麥克爾遜(Mechelson)型靜態(tài)傅立葉變換高光譜成像儀不能獲取目標 全偏振特性的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單緊湊、無運動部件、光通量大、可 一次性獲得目標二維空間像、一維光譜信息和完整偏振信息的靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光 譜全偏振探測裝置。為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下裝置予以實現(xiàn)。靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置，包括沿光傳輸方向順序設置的前 置光學望遠系統(tǒng)1、靜態(tài)全光調制模塊2、靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3、成像鏡組4、面 陣探測器5，面陣探測器5與信號獲取與處理系統(tǒng)6相連接。所述的前置光學望遠系統(tǒng)1包括按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 ；前置光學系統(tǒng)物鏡組11可以是反射鏡組、折反鏡組或折射鏡
組。所述的光闌12在時空混合調制情況下為一孔徑光闌121，在空間調制情況下為一狹縫122。所述的靜態(tài)全光調制模塊2由雙折射晶體組21及其后的偏振片或偏振棱鏡22組 成。所述的靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3包括法線垂直于主光軸的定鏡31、分光 鏡32、法線與入射光軸有夾角的定鏡33。所述的成像鏡組4選用以下任一方案制成空間調制情況下，為一個柱面透鏡41及其后的成像透鏡42，柱面透鏡41的焦面位 于后續(xù)的成像透鏡42上，成像透鏡42的焦平面位于后續(xù)面陣探測器5上；時空混合調制情況下，為成像透鏡42，其焦平面位于后續(xù)面陣探測器5上。所述面陣探測器5由CXD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構成。所述的信號獲取與處理系統(tǒng)6由可將面陣探測器5接收到的信息進行傅立葉變換 處理的微機構成，用于解調出目標的二維空間強度、一維光譜和四個Stokes矢量，并顯示 為偽彩色圖片。本發(fā)明采用雙折射晶體構成的靜態(tài)全光調制模塊對四個Stokes矢量分別進行相 位調制采用前置光學望遠系統(tǒng)把從物體目標入射的光線變?yōu)槠叫泄馊肷涞届o態(tài)全光調制 模塊，使得入射光的四個Stokes矢量分別得到不同調制，從而在相位上分開，以實現(xiàn)全偏 振特性的提?。徊捎名溈藸栠d(Mechelson)型靜態(tài)傅立葉變換干涉儀作為分光、干涉核心 部件入射光通過分光鏡后，形成兩列光波一列被反射，再經(jīng)垂直定鏡31反射回分光面 32原來的位置后，透過分光鏡出射；另一列被分光面32透射，再經(jīng)過小角度定鏡33反射回 分光面32后，與原來的位置產(chǎn)生一個橫向偏移量，并進一步被分光面反射。于是這兩列同 源光波波前經(jīng)過不同的途徑后在空間上被分開，成為相干光，他們通過成像鏡組后，發(fā)生干 涉，在位于成像鏡焦平面上的面陣探測器上形成干涉圖樣，實現(xiàn)光譜分光功能，達到高光譜 分辨能力。本發(fā)明的干涉成像光譜偏振探測裝置與其它現(xiàn)有裝置相比，其優(yōu)勢在于a)本發(fā)明實現(xiàn)了全偏振信息、高分辨成像、高光譜信息三位一體獲??；b)整個裝置為大視場、高信噪比、靜態(tài)結構核心光譜儀為麥克爾遜(Mechelson) 型靜態(tài)傅立葉變化光譜儀結構，保證了其較大的視場以及相應的高信噪比，且沒有任何運 動的部件，抗振能力強；c)除面陣探測器與信號獲取與處理系統(tǒng)之外，整個裝置為全光結構偏振信息和 光譜信息獲取的過程中無任何電光、聲光或者磁光調制機構，可實現(xiàn)偏振信息的完全實時 探測。無源結構一方面避免了電調制帶來的電噪聲影響，另一方面避免了電控導致的非實 時性，同時還降低了信號控制與解調處理的難度；d)整個裝置光通量大、靈敏度高、分辨率高、光譜范圍寬、后期信號處理簡單，設 計、加工、成本低，有利于推廣和應用。
圖1為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為本發(fā)明的光闌12的結構示意圖，其中，圖2(a)是在時空混合調制情況下，光闌12為一孔徑光闌121的結構示意圖；圖2(b)是在空間調制情況下，光闌12為一狹縫 122的結構示意圖。圖3為本發(fā)明的成像鏡組4的結構示意圖，其中，圖3(a)是在時空混合調制情況 下，成像鏡組4為成像透鏡42的結構示意圖；圖3(b)是在空間調制情況下，成像鏡組4為 由一個柱面透鏡41及其后的成像透鏡42所構成的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。參照圖1，靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置，包括沿光傳輸方向順序 設置的前置光學望遠系統(tǒng)1、靜態(tài)全光調制模塊2、靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3、成像 鏡組4、面陣探測器5，信號獲取與處理系統(tǒng)6。所述的前置光學望遠系統(tǒng)1位于整個裝置的最前端，包括按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 ；前置光學系統(tǒng)物鏡組11可以是反射 鏡組、折反鏡組或折射鏡組；前置光學望遠系統(tǒng)1用于采集并準直目標光，同時消除雜散 光。參照圖2，所述的光闌12在時空混合調制情況下為一孔徑光闌121，在空間調制情 況下為一狹縫122。所述的靜態(tài)全光調制模塊2位于前置光學望遠系統(tǒng)1的后面，由雙折射晶體組 21及其后的偏振片或偏振晶體22組成；靜態(tài)全光調制模塊2用于將準直的目標光的四個 Stokes矢量光譜調制到不同頻率的載波上，使得四個Stokes矢量&、S1^S2, S3分別具有不 同的相位。所述的靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3包括法線垂直于主光軸的定鏡31、分光 鏡32、法線與入射光軸有夾角的定鏡33 ；靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3位于靜態(tài)全光 調制模塊2的后面，用于將前述不同波長的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。參照圖3，所述的成像鏡組4選用以下任一方案制成空間調制情況下，為一個柱面透鏡41及其后的成像透鏡42，柱面透鏡41的焦面位 于后續(xù)的成像透鏡42上，成像透鏡42的焦平面位于后續(xù)面陣探測器5上；時空混合調制情況下，為成像透鏡42，其焦平面位于后續(xù)面陣探測器5上。成像鏡組4用于將靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀3出射的光聚焦到面陣探測器 5上。所述面陣探測器5為光電轉換器，位于成像鏡4的焦平面上，由CXD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構成。面陣探 測器5用于接收成像鏡的出射光，獲取目標光的圖像、光譜和全部偏振信息，其輸出的電信 號送入后續(xù)信號獲取與處理系統(tǒng)6。所述的信號獲取與處理系統(tǒng)6由可將面陣探測器5接收到的信息進行傅立葉變換 處理的微機構成，用于解調出目標的二維空間強度、一維光譜和四個Stokes矢量，并顯示 為偽彩色圖片。本發(fā)明的工作原理是目標源發(fā)出的光通過前置光學系統(tǒng)1準直后經(jīng)靜態(tài)全光調制模塊2調制，調制后的傳輸光經(jīng)過麥克爾遜(Mechelson)型靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光 譜儀3后，出射光變成兩束相干光，這兩束光經(jīng)成像鏡組4后匯聚于面陣探測器5上成像并 發(fā)生干涉，面陣探測器5接收到的信號再經(jīng)信號獲取與處理系統(tǒng)6處理后即可獲得目標的 圖像、光譜和偏振信息。 附圖中1-前置光學遠望系統(tǒng)；其中11-前置光學系統(tǒng)物鏡組；12-光闌，其中121-孔徑光闌，為光闌12在時空混合調制系統(tǒng)中所采用的形式；122-狹縫，為光闌12在 空間調制系統(tǒng)中所采用的形式；13-前置光學系統(tǒng)像方透鏡組；2-靜態(tài)全光偏振調制模塊； 21-雙折射晶體組；22-偏振片或偏振棱鏡；3-靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀；31-法線 垂直于主光軸的定鏡Ml、32-分光鏡PS、33-法線與入射光軸有小夾角的定鏡M2 ；4-成像 鏡組，其中41-柱面透鏡；42-成像透鏡，41與42依次連接，構成空間調制系統(tǒng)中所采用的 透鏡組4 ；42-成像透鏡單獨構成時空混合調制系統(tǒng)中所采用的透鏡組4 ；5-面陣探測器； 6_信號獲取與處理系統(tǒng)。
權利要求
傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置，其特征在于包括沿光傳輸方向順序設置的前置光學望遠系統(tǒng)(1)、靜態(tài)全光調制模塊(2)、靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀(3)、成像鏡組(4)、面陣探測器(5)，面陣探測器(5)與信號獲取與處理系統(tǒng)(6)相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的前置光學望遠系統(tǒng)(1)包括按順 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)。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述的前置光學系統(tǒng)物鏡組(11)可以是 反射鏡組、折反鏡組或折射鏡組。
4.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于所述的光闌(12)在時空混合調制情況下 為一孔徑光闌(121)，在空間調制情況下為一狹縫(122)。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的靜態(tài)全光調制模塊(2)由雙折射 晶體(21)及其后的偏振片或偏振晶體(22)組成。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀 (3)包括法線垂直于主光軸的定鏡(31)、分光鏡(32)、法線與入射光軸有夾角的定鏡(33)。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的成像鏡組(4)選用以下任一方案 制成空間調制情況下，為一個柱面透鏡(41)及其后的成像透鏡(42)，柱面透鏡(41)的焦面 位于后續(xù)的成像透鏡(42)上，成像透鏡(42)的焦平面位于后續(xù)面陣探測器(5)上；時空混合調制情況下，為成像透鏡(42)，其焦平面位于后續(xù)面陣探測器(5)上。 >
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述面陣探測器5由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構成。
9.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的信號獲取與處理系統(tǒng)(6)由可將 面陣探測器5接收到的信息進行傅立葉變換處理的微機構成，用于解調出目標的二維空間 強度、一維光譜和四個Stokes矢量，并顯示為偽彩色圖片。
全文摘要
靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜全偏振探測裝置，包括沿光傳輸方向順序設置的前置光學望遠系統(tǒng)、靜態(tài)全光調制模塊、靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀、成像鏡組、面陣探測器，面陣探測器與信號獲取與處理系統(tǒng)相連接；目標源發(fā)出的光通過前置光學系統(tǒng)準直后經(jīng)靜態(tài)全光調制模塊調制，調制后的傳輸光經(jīng)過靜態(tài)傅立葉變換干涉成像光譜儀后，出射光變成兩束相干光，這兩束光經(jīng)成像鏡組后匯聚于面陣探測器上成像并發(fā)生干涉，面陣探測器接收到的信號再送入經(jīng)信號獲取與處理系統(tǒng)處理；本發(fā)明具有結構簡單緊湊、無運動部件、光通量大、可一次性獲得目標二維空間像、一維光譜信息和完整偏振信息的特點。
文檔編號G01J3/02GK101806625SQ20101012736
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月18日
發(fā)明者司金海, 朱京平, 李 杰 申請人:西安交通大學