基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪

试制了一台基于迈克耳逊干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪原理样机。样机将迈克耳逊干涉仪光路中的一面反射镜偏转一个小角度,使经两平面镜反射后的两束光波面之间产生一维连续的光程差,在图像传感器的像面上形成空间调制干涉条纹,构成空间调制型干涉成像光谱仪。一系列原理验证性实验表明:光谱仪原理正确可行,实验结果与理论相符,并且具有高通量,高信噪比,大视场和体积小,重量轻的优点。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理（英文）

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作。复原光谱分辨率为194cm~(-1),优于设计指标(250cm~(-1))。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学设计

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS),分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论,通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构,通过光学设计软件优化,矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差;在中波和长波双谱段范围内,前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构,点列图结果显示,后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接,最终得到了视场角为1.5°,中波通道F数为4,长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内,整体系统的点列图RMS值小于10.7μm,MTF在探测器的特征频率17lp/mm处大于0.5,具有良好的成像效果。     

快照式干涉成像光谱仪阶梯面形误差特性分析

快照式干涉成像光谱仪通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合,实现动态场景图像光谱的同时探测。多级微反射镜的基片加工精度及膜层表面应力会导致阶梯面产生弯曲形变,从而影响光谱与成像的质量。分析了多级微反射镜阶梯面弯曲形变的面形误差特性,建立了阶梯面形误差的光场传输模型。计算结果表明,不同的阶梯面形误差分布情况会引起各视场干涉像点阵列不同的强度改变,并导致复原光谱中出现不同的噪声分布特征。阶梯面形误差会在不同成像视场的复原光谱中引入相位误差,并对相干像点的强度分布进行调制。重建光谱误差随着两个多级微反射镜阶梯矢高绝对值的增加单调递增,通过该关系便可以由阶梯矢高实测值对系统性能进行评估,并为器件制作提供理论指导。     

空间调制干涉型和衍射光栅型成像光谱仪信噪比性能的分析比较

以Sagnac空间调制干涉型成像光谱仪和Offner凸面光栅衍射型成像光谱仪为例,着重分析和比较这两类成像光谱仪的信噪比性能。在相同观测条件下,通过推导这两类成像光谱仪所得到的图像像元的光谱辐亮度,指出空间调制干涉型成像光谱仪并不具有高通量和多路复用优势,信噪比也低于衍射光栅成像光谱仪。而且随着光谱谱段数的增加,即光谱分辨率的提高,衍射光栅成像光谱仪的信噪比优势更明显。     

双路四通道同时干涉成像光谱仪EI北大核心CSCD

双路四通道同时干涉成像光谱仪以视场光阑代替狭缝,无旋转和移动部件,通过消色差分光棱镜和Savart偏光镜将入射光分为四对相干光束,同时在探测器上获取四幅不同偏振信息的目标图像,进而利用傅里叶变换运算并对数据进行处理得到偏振光谱图像。分析系统结构和原理得出不同偏振状态下的干涉强度表达式,四幅干涉图相加获取目标图像的总强度,同一Savart偏光镜的干涉强度相减获得纯干涉条纹,将两纯干涉条纹进行加减运算可降低系统的背景噪声,提高了系统信噪比。在考虑晶体色散关系的基础上分析讨论了光程差随波长、入射角、入射面与晶体主截面夹角以及晶体厚度的变化,在傍轴条件下设计出横向剪切量、成像透镜焦距和晶体厚度的具体参数,实现了高光谱分辨率成像,为新型干涉成像光谱仪的设计与应用提供了一种新方案。     

高速转镜干涉成像光谱仪的光程差分析

针对一种新的高速转镜干涉成像光谱仪的工作原理,给出其光程差的计算方法及结果.通过设定相关参量,重新构建光程差方程,并给出光程差在不同参量情况下的计算结果图,比较不同参量的影响.给出的光程差方程,为高速转镜干涉成像光谱仪的设计及获得的光谱图复原提供参量依据.     

大孔径静态干涉成像光谱仪的干涉系统分析

从不同方面说明大孔径静态干涉成像光谱仪的特点,介绍其干涉系统的光学原理,分析基于横向剪切干涉仪的干涉系统设计思想,讨论两种高通量大视场横向剪切干涉仪,总结了大孔径静态干涉成像光谱仪的主要优点。     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。     

超广角短波红外成像光谱仪前置光学系统设计

为提高机载短波红外(SWIR)推扫式成像光谱仪遥感工作效率,获取更大的地面覆盖宽度,对视场角(FOV)达到90°的超广角前置光学系统进行了研究。针对传统折射式短波红外(1～2.5μm)系统在长波端透射率低的问题,提出了采用新型偏轴反射型式进行前置光学系统设计的思路。归纳了矢量像差理论所描述的控制偏轴系统三阶像差的方法。通过初始结构求解,在优化中控制像方远心及畸变,设计了焦距15mm、相对孔径1/3.5、视场角达到90°的偏轴反射式前置光学系统,在奈奎斯特频率处的平均调制传递函数(MTF)优于0.68,边缘视场的相对照度达到88%,且不存在材料吸收引起的透射率下降问题。同时对畸变影响下的推扫图像也进行了仿真。该光学设计应用于大视场短波红外成像光谱仪,可极大地提高系统的探测灵敏度。     

大孔径静态干涉光谱成像系统(LASIS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。     

Principle and analysis of a moving double-sided mirror interferometer

A moving double-sided mirror interferometer (MDSMI) is presented. It comprises one moving double-sided mirror (MDSM), one fixed corner-cube mirror, one fixed plane mirror, and one beam-splitter. The MDSM is a plane-parallel glass plate with both faces coated with high-reflectivity films. The optical path difference (OPD) is created by the straight reciprocating motion of the MDSM driven by a linear actuator, and the OPD value is four times the displacement of the MDSM without tilt. The effect of tilt of the MDSM is analyzed, and the tilt tolerance of the MDSM is systematically analyzed by means of modulation depth and phase error. The MDSMI is very suitable for high-resolution rapid-scan infrared spectrometers.     

Optical path difference evaluation of the polarization interference imaging spectrometer

The optical path difference (OPD) of the static polarization interference imaging spectrometer and wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer are calculated and analyzed, simultaneously. The analysis results show that the actual total OPD contains two parts, the Savart polariscope introduces the first part, and the second part is introduced when imaging lens reunites two beams in its focal plane. Since the first part OPD accounts for about half of the actual total OPD, it has influences on the resulting spectrum and thus cannot be neglected. The influences of the uniaxial crystal dispersion on the OPD and resulting spectrum are analyzed, and the results show that the OPD decreased with the wavelength, the spectral resolution increased with the wavelength. There are no fixed spectral resolution over the entire detection spectral region, and the spectral resolution would become worse with the increase of the wavelength.     

窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析

在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.     

变间隙法布里-珀罗干涉仪光程差线性分析

对于变间隙法布里-珀罗（F-P）干涉式成像光谱仪,空间干涉信息是否按光程差等间隔采样,即光程差与探测器像元位置之间是否是线性变化关系,直接决定了光谱数据处理的难易程度。经分析,变间隙法布里-珀罗干涉式光谱成像系统的光程差是干涉仪分光产生的两艾里斑的中心距离的函数,而两艾里斑中心距与探测器像元位置并非一直保持线性关系,与干涉仪楔角的取值有关。研究了不同楔角条件下光程差与探测器像元位置之间的关系曲线,结果表明,在任意楔角下,光程差与探测器阵列像元位置之间均保持良好的线性关系。长波红外变间隙F-P干涉式光谱成像系统与高精度光谱辐射计测得的特征峰位置重合度达100%。