[发明专利]一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，具体涉及一种高通量高稳定度的旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪。

背景技术

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高光通量、高光谱分辨率、高信噪比等特点。它扩展了光谱研究领域，受到世界各国的广泛关注，并得到了快速发展，在物证鉴定、农业生产、资源勘探、环境监测、防灾减灾、物质鉴别、公共安全等领域有广泛应用。

基于时间调制的傅立叶变换光谱仪具有更高的光谱分辨率和灵敏度，但它对测量平台的稳定性要求很高，为实现高精度光谱图像测量，需要高稳定结构和高精度机械扫描机构。时间调制傅立叶变换光谱仪大多基于迈克尔逊干涉仪，它的突出有点是灵敏度高，依靠动镜移动产生大光程差，进而实现高光谱分辨率的探测，但动镜在扫描中的倾斜和横移使这种系统对机械振动的扰动非常敏感。因此，需要附加伺服系统来控制动镜。这会使光谱仪系统复杂，易受温度影响，从而限制了光谱仪的应用范围。采用转镜代替直线运动或摆动的精密动镜机构，具有较高的系统稳定性、探测灵敏度和探测速度。

Bennett等人于1993年提出基于迈克尔逊干涉仪的时间调制傅里叶变换成像光谱仪（Imaging Fourier transform spectrometer.Proc.SPIE 1993,1937：191-200），该方案对平面动镜在扫描中的稳定性要求极高，环境和温度对其影响非常大。

Wadsworth等人于1997年提出了转镜干涉光谱技术方案(Ultra high speed chemical imaging spectrometer.Proc SPIE，1997，3082：148～154)。该方案中由转镜旋转产生的光程差会由于不同波长折射率的不同带来光程差的非线性，由此对转镜材料的选择提出了很高的要求。

Griffiths等人于1999年提出反射式高速转镜红外干涉光谱仪原理（Ultra rapid scanning Fourier transform infrared spectrometry．Vibrational Spectroscopy，1999，19(1):165～176）。它只能对单像素取样，如果要获得线目标或者面目标的干涉图谱，就必须进行逐点扫描，无法直接得到图谱合一的像。这种光谱仪系统的实时性差，分辨率低，进入系统的光通量小，适用的工作范围较窄。

中国专利102322956A和袁艳等人提出的（转镜式高灵敏度干涉光谱成像仪ROSI的设计方法，光子学报，2007，36(2):279～281）都是基于sagnac分束结构的转镜干涉成像光谱技术。采用此原理的两种光谱仪无法将sagnac结构做成实体，分束镜和两个反射镜之间的角度具有严格限制，不易装调，结构不紧凑，稳定性较差。

综上所述，迄今为止时间调制型傅立叶变换光谱仪的直线动镜扫描和转镜扫描原理各有特点，但都分别存在稳定性差、对转镜材料要求高、无法直接获的图谱合一的像，且光通量低、不易装调、结构不紧凑等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，能够对目标进行高光通量和高稳定性的干涉光谱成像。

本发明的一种旋转式傅里叶变换干涉成像光谱仪，包括前置准直物镜、立方角反射镜、分束器、后置成像物镜、探测器以及控制与处理模块，其中，

所述前置准直物镜放置在目标的前方，将目标的辐射光束转换成平行光束，分束器放置在前置准直物镜后方的光路中，分束器与平行光束成45°角；

所述立方角反射镜有两个，分别定义为第一立方角反射镜和第二立方角反射镜，其中，第一立方角反射镜放置在分束器的反射光路中，第一立方角反射镜的对角线穿过分束器的对称中心，且与分束器成45°角；第二立方角反射镜位于分束器的透射光路中，第二立方角反射镜和第一立方角反射镜相对于分束器呈对称分布；第一立方角反射镜和第二立方角反射镜组成立方角反射镜组；

所述分束器与立方角反射镜组以分束器的对称中心作为中心点相对转动，用于改变从分束器透射和折射的两路光束的光程差；

所述后置成像物镜为傅里叶变换透镜，放置在与第一立方体反射镜相对一侧的分束器的光路中，用于将从分束器透射和折射的两路光束进行干涉成像；

所述探测器放置在后置成像物镜的焦平面上，用于接收在此焦平面上形成的像面干涉图；