[发明专利]一种差分快照式成像光谱仪与成像方法

说明书

技术领域

一种差分快照式成像光谱仪与成像方法属于快照式成像光谱技术领域。

背景技术

光谱仪是能获得输入光谱密度函数的仪器，在农业、天文、生物、化学、色度计量等领域有着广泛的应用。光谱仪原理主要分为两种：一种是以棱镜和光栅为色散元件的色散型光谱仪，可直接获取目标的光谱；另一种是以迈克尔逊干涉仪或其他光程差产生元件为核心的干涉型光谱仪，可直接获取目标的干涉强度分布，需要经过傅里叶变换才能获取目标光谱。

色散型光谱仪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，实现高空间分辨率或高光谱分辨率均需小的入射狭缝，限制了光通量和信噪比。干涉型光谱仪利用双光束干涉的干涉图作傅里叶变换来获取光谱数据，具有光通量大、光谱分辨率高、自由光谱范围宽等优点。早期的干涉型光谱仪结构大多基于迈克尔逊干涉仪，在相同光谱分辨率下，光通量约为光栅型光谱仪的190倍。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，对应用环境和条件要求也比较苛刻。

随着光谱技术的发展，在生物检测、环境监测、军事侦察等领域，对光谱仪提出了快速实时地获取图像和光谱信息的要求。为此，国内外学者进行了大量的研究。在上世纪九十年代由日本学者Akiko Hirai等人发表的论文“Application of Multiple-Image Fourier Transform Spectral Imaging to Measurement of Fast Phenomena，OPTICAL REVIEW Vol.1，No.2(1994)205-207”中首次提出一种基于透镜阵列的快照式成像光谱系统，可以捕捉处于30r/m转速物体的图像和光谱信息，但该系统体积比较庞大，抗干扰能力差。此后，美国亚利桑那大学的Michael W.Kudenov等人在发表的论文“Compact real-time birefringent imaging spectrometer，OPTICS EXPRESS17973/Vol.20，No.16/30July2012”中提出了一种基于微透镜阵列和诺马斯基棱镜的小型化的快照式成像光谱仪，可以快速捕捉运动物体的图像和光谱信息。

Michael W.Kudenov等人所公开的光谱仪包括成像镜、入射光阑、准直镜、微透镜阵列、起偏器、诺马斯基棱镜一、半波片、诺马斯基棱镜二、检偏器、光电探测器及信号处理部件，来自目标的光线经过成像镜汇聚在入射光阑上，再经过准直镜准直后到达微透镜阵列，光线经过微透镜阵列后射入起偏器，起偏变成线偏振光，偏振方向与x轴、y轴均成45°，该线偏振光在经过诺马斯基棱镜一时发生双折射，分成两束偏振方向分别沿x轴和y轴的线偏振光，这两束线偏振光经过半波片后，线偏振方向互换，之后经过诺马斯基棱镜二折射，最后经过检偏器，两束光将具有相同偏振方向，最后到达光电探测器及信号处理部件上并发生干涉。

若微透镜阵列的子透镜个数为M×N，则得到M×N个子图像，每个子图像具有相同的轮廓和不同的像素点灰度，由于每个子图像经过诺马斯基棱镜的位置不同，所以每个子图像相同位置的像素点的光程差不同，取每个子图像上相同位置点的灰度值作为一个数列并作傅里叶变换，即可得到该像素点的光谱信息，同理可以得到子图像上所有像素点的光谱信息，由此该系统完成了在光电探测器一次积分时间内，获取含有目标图像和光谱信息的“数据立方体”。

但是该系统中，目标光源经过起偏器和检偏器，故其理想的光学效率仅为25%，造成系统的信噪比很低，无法满足精细测量的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种差分快照式成像光谱仪与成像方法，同现有技术相比，本发明不仅可以快速地捕捉运动目标的图像和光谱信息，而且可以大幅提高系统的信噪比，有利于在精细测量领域中应用。

本发明的目的是这样实现的：

一种差分快照式成像光谱仪，沿光线传播方向依次设置成像镜、入射光阑、准直镜、微透镜阵列，还包括偏振分光器、平衡臂半波片一、平衡臂诺马斯基棱镜一、平衡臂半波片二、平衡臂诺马斯基棱镜二、平衡臂检偏器、平衡臂光电探测器及信号处理部件、非平衡臂半波片一、非平衡臂诺马斯基棱镜一、非平衡臂半波片二、非平衡臂诺马斯基棱镜二、非平衡臂半波片三、非平衡臂检偏器和非平衡臂光电探测器及信号处理部件；