[实用新型]一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置

说明书

技术领域

本申请涉及一种成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置。

背景技术

成像傅里叶变换光谱仪采用面阵探测器代替单点探测器，拓展了普通傅里叶变换光谱仪的空间分辨能力，能够对待测目标的二维空间图像信息和一维光谱信息同时获取，实现成像光谱(或称光谱成像)测量。在恰当的设计下，成像傅里叶变换光谱仪能够很好的继承一般傅里叶变换光谱仪的若干光谱测量优点，如：1多通道、2高光通量、3高光谱测量精度、4宽测量波段、5高／可调谐光谱分辨率、6全波段分辨率一致。丰富的空间和光谱信息获取能力使得成像傅里叶变换光谱仪在物理、生物、化学、医学、药学、食品、环保、遥感、航天等多个领域具有重要的应用价值。

典型成像傅里叶变换光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪，其基本结构及工作原理如图1所示。成像傅里叶变换光谱仪系统还包括光源、光收集系统、面阵探测器和主控计算机等部分。待测目标发出的光经光谱仪前端的光收集系统收集准直后进入迈克尔逊干涉仪，干涉仪的分束器(半透半反镜)将其平分为透射和反射两个光束，一束射向动镜，另一束射向定镜；两束光分别被定镜和动镜反射后回到分束器重新相遇，经分束器再次分束；在干涉仪出射的两路重合光束光程差小于光源相干长度条件下，二者产生干涉；出射干涉光束经筒镜聚焦成像至面阵探测器；当动镜在干涉仪两臂零光程差附近作直线往复扫描时，计算机控制探测器记录一系列干涉图像，该系列数字图像相同像素位置处的数值构成该处光信号的离散干涉图样；根据傅里叶变换光谱技术原理，计算机对目标图像所有像素位置的干涉图样进行快速离散傅里叶变换处理，即可得到待测目标的数字图像和像上所有像素处的光谱，实现成像光谱测量。

典型的迈克尔逊干涉仪是一种扫描干涉仪，其动镜为平面反射镜，在工作时由机械致动器驱动做平行于光轴的直线往复扫描运动。但是任何机械驱动机制均无法保证动镜的绝对直线扫描，因此平面镜在扫面过程中会产生倾斜，这将使平面镜反射回的光束产生更大的倾斜，以至无法与另一路参考光束保持光学平行，也即无法与其在分束器重新会和时重合。由于傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率与动镜扫描光程成正比(扫描距离越长光谱分辨率越高)，因此当需要实现高光谱分辨率时，扫描距离的加长会导致这一倾斜更加严重。动镜倾斜不仅影响两路光束在探测器上所成图像的重合，导致像质下降，而且会降低每个像素处的干涉衬比度，甚至无法形成干涉，从而无法实现光谱测量。

空心角锥回射器由三个相互垂直的反射面组成，其特点是入射光束在其内部经三次反射后产生回射，回射光束与入射光束保持高度平行，因此具有出入射光束平行自补偿机制。利用空心角锥回射器作为迈克尔逊干涉仪动镜，即使在扫描过程中产生微小的倾斜，由于其自补偿机制，可以有效地克服动镜反射光束倾斜。但是，虽然空心角锥回射器可以保证入射反射光束平行，却会引入反射光束相对入射光束的横移。由于筒镜的不完美，这种横移会导致两束光束经其聚焦后的成像质量下降甚至干涉消失，影响成像光谱测量。而且，由于光束在角锥回射器内部的三次反射，使得干涉仪动臂光程大大加长；根据傅里叶变换光谱技术原理，为保证动镜扫描范围可以覆盖干涉仪零光程差位置，参考臂光程也不得不相应延长。这样大大增加了以其为动镜的扫描干涉仪所占用的空间，不利于据此构建的成像傅里叶变换光谱仪的小型化和紧凑化。

另外，传统的成像傅里叶变换光谱仪在测量中目标图像的最亮像素和最暗像素处所形成的干涉峰光强可能会跨越极大的范围，这对面阵探测器的动态范围提出了极为苛刻的要求。若面阵探测器的像素动态范围不够大，则极易导致亮像素处干涉信号测量的饱和或暗像素处干涉过于微弱而无法探测的后果。从而劣化光谱仪的光谱测量。

鉴于上述问题，本发明中叙述的成像傅里叶变换光谱测量用扫描干涉仪装置采用一种光路折叠的干涉仪动、静臂结构，能够有效地克服迈克尔逊干涉仪动镜扫描中的光束倾斜和横移问题，减小成像傅里叶变换光谱仪的整体体积使其更为小型紧凑，还可以降低成像傅里叶变换光谱测量对面阵探测器动态范围的高要求。