一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法技术

本发明专利技术提供一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法，解决现有干涉光谱成像技术中移动部件扫描不稳定的问题，应用于干涉波前理论重建、光学检测、光学计量、像质评价以及精密测试等领域。包括沿光路依次设置的前置望远镜准直系统，剪切干涉仪、傅里叶变换成像物镜以及光电探测器；前置望远镜准直系统位于光路最前端，光电探测器位于傅里叶变换成像物镜的像面上；远场目标依次经过前置望远镜系统、剪切干涉仪、傅里叶变换成像物镜后在光电探测器靶面上形成干涉条纹；光电探测器记录干涉条纹后经计算机处理形成光谱图像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法
本专利技术属于傅里叶变换高光谱成像剪切干涉
，涉及一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法。
技术介绍
在光学应用中，光干涉有其特殊的意义。许多精密测试工作，都是依靠光干涉技术实现的，对于某些测试任务的解决，干涉法甚至是唯一可行的理想选项。20世纪60年代以来，激光的出现，以及光电子学和计算技术的飞速发展，大大扩展了干涉仪的应用范围和能力。干涉仪出现距今已有一百多年历史，尽管干涉仪的发展日趋完善、多样复杂，但这并未使最初经典干涉仪，诸如菲佐(Fizeau)干涉仪、雅敏(Jamin)干涉仪、迈克耳孙(Michelson)干涉仪等原型的应用失去意义，而是一方面最大限度地揭示和挖掘它们的应用潜力，另一方面在原型基础上改型和发展，以适应现代科学技术发展中名目繁多的要求。但是，无论经典干涉仪，还是改型后的新型干涉仪，一个共同的基本原理是，用一个标准波面与被测波面之间形成干涉图样(例如，干涉条纹弯曲量或者干涉条纹变化量等)作为度量的依据。除球面菲佐干涉仪和不等臂泰曼-格林(Twyman-Green)干涉仪之外，大多数干涉仪至少需要一个或几个高精度的标准镜面，作为产生和传递标准(参考)波面的依据和手段。其标准镜面口径至少需要等于甚至大于被测元件或系统的口径。当被测元件或系统口径超过一定范围，例如，口径大于Φ300mm时，干涉仪的造价颇高，周期很长，难度很大，甚至在一般厂家不大可能制造。因此，这种要求明显地限制了较大光学镜面或系统的干涉检验。另外，一般说来，普通干涉仪的价格昂贵，使用效率较低，工作环境(温度、湿度、振动、气流等)要求较苛刻，而且往往需要专门技术人员操作，调整花费时间，仪器又不能随身携带随处使用，因此，在应用上受到一定的限制。应该指出地是，近一二十年来，口径Φ600mm及Φ(8)0mm的平面干涉仪在国内外相继出现，并也有销售，但毕竟是屈指可数的几台，且价格令人昨舌。利用不等臂干涉仪检验大型镜面，由于振动等外界干扰，干涉图样时而呈现强烈的抖动，在防振条件较差的光学检验台上，或是在天文台址以及大型光学发射系统或接收系统作现场检调时，尤其如此。因而，这类普通大口径干涉仪器也限了应用于检验大型镜面或系统的可能性。此外，如果检验非球面，不等臂干涉仪应备有专为被检验对象设计的光学系统波前校正器。这种补偿器光学系统的计算、磨制、装调、检验都需要付出相当代价，并非易事。光学工程技术人员渴望寻求一种对外界干扰不甚灵敏，制作简单、携带方便、操作容易、造价低廉的干涉仪，能够检验大口径普通镜面、特殊镜面或大范围的气动流场等。所以，一种不需要标准波面的波前“剪切干涉术”应用而生。剪切干涉仪是干涉仪的一种重要类型，它既有普通干涉仪的某些特征，又有它本身的某些独特特性。在波前检测技术应用过程中，剪切干涉技术是基于光的干涉原理的共光路干涉。共光路干涉可以避免双光束干涉中遇到的问题，提高系统地稳定性。在实验的实际操作中，剪切干涉技术有着广泛的应用，通常用剪切干涉仪来测量剪切干涉。把通过被测件的波面用适当的光学系统沿一定的方向分裂成两个，并使两波面彼此相互错开(剪切)，在两波面重叠部分产生干涉图形的仪器就叫做剪切干涉仪。剪切干涉测量技术是具有空间相干特性的波面经某种特殊装置后分成两个大小相同且有空间错位的波面或者大小相似且同心的波面。产生错位后的两波面满足光学干涉的条件，在公共区域产生条纹，通过对条纹进行处理后得到波面的面形信息。它本身的某些独特性能。现归纳如下：(1)所有干涉仪都是以光波长的倍数或分数为度量单位，精度高，灵敏；(2)各种干涉检验方法，大都可以进行定量检验。剪切干涉仪也能进行定量检验，获得定量结果。只是由于没有标准波面，被测波面变化与干涉条纹弯曲的对应关系不如普通干涉仪条纹那样明显、直观。分析波面变形比较麻烦，不像普通干涉仪那样方便。这是剪切干涉仪的主要缺点。(3)普通干涉仪检验镜面或系统，一般受到标准镜口径的限制。大部分剪切干涉仪，不受口径大小的限制，从原理上讲可以检验任意尺寸的镜面或系统。加上一定的辅助元件可使检验范围十分广泛。(4)一般说来，普通干涉仪必须使用单色光源或准单色光源才能获得对比度良好的干涉图样。对于某些剪切干涉仪，由于相干的两束光之间程差很小，接近于等程干涉，因而对光源无特殊要求，一般仪器用的白炽灯泡即可清晰观测到彩色剪切干涉图样。如果适当控制光源狭缝宽度，非常容易得到对比度很高的剪切干涉图样。(5)普通干涉仪一般是非等光程干涉，对空气扰动、地面振动等外界干扰相当灵敏，在无防振措施的工厂、车间、现场使用尤其如此。剪切干涉仪一般属于等光程干涉，对外界干扰不甚灵敏，无防振条件下也能清晰、稳定地观测干涉条纹。(6)普通干涉仪因标准镜面反射率已定，对被测镜面反射率有相应的要求，若被测表面反射率与标准表面反射率差异较大，条纹对比度明显降低。对棱镜剪切干涉仪来说，对被检验镜面或系统无反射(透过)率要求。在光学车间的加工过程中，随时擦干净镜面，便可以进行剪切干涉检验。原因很简单，一束强光进入干涉仪分成等强度的两束较强的光，一束弱光进入干涉仪，同样分成等强度的两束较弱的光，因而，总可以得到对比度良好的干涉图样。(7)各种(棱镜、平板、光栅)剪切干涉仪，结构都十分简单，加工制作容易，与普通干涉仪相比，成本费用极其低廉。由于体积小、简单，因而携带方便，随处可以使用。调整也较简单、方便，无需专门的操作人员，经过简单培训的一般工人很容易掌握、使用。由以上可知，尽管剪切干涉仪存在某些不足，也确实有其特色及可取之处，因此在选取检验方式时，应权衡各方面的利弊，确定廉价、简易而又满足要求的检验方法。目前，剪切干涉仪的日趋发展和广泛应用，正说明它是一种可取的检验方法。传统的迈克尔逊干涉仪，严格意义上移动平面镜在前后移动时应该和静止平面镜保持相互垂直，准单色光源产生的条纹是圆形的，并且定域在无穷远处，然而驱动动镜的位移机构很难保证高精度大位移直线往复移动，当两个平面镜没有严格垂直时，则产生等厚干涉条纹，条纹弯曲向其中一侧移动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪及成像方法，解决现有干涉光谱成像技术中移动部件扫描不稳定的问题，可以应用于干涉波前理论重建、光学检测、光学计量、像质评价以及精密测试等领域。本专利技术的技术方案是提供一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的前置望远镜准直系统，剪切干涉仪、傅里叶变换成像物镜以及光电探测器；所述前置望远镜准直系统位于光路最前端，光电探测器位于傅里叶变换成像物镜的像面上；所述剪切干涉仪包括分束器、第一直角反射棱镜、第二直角反射棱镜、第三直角反射棱镜、第四直角反射棱镜、第一角锥棱镜及第二角锥棱镜；所述第一直角反射棱镜位于分束器的反射光路中，第二直角反射棱镜位于第一直角反射棱镜的反射光路中，第一角锥棱镜位于第二直角反射棱镜的反射光路中；所述第三直角反射棱镜位于分束器的透射光路中，第四直角反射棱镜位于第三直角反射棱镜的反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置望远镜准直系统(1)，剪切干涉仪、傅里叶变换成像物镜(3)以及光电探测器(4)；所述前置望远镜准直系统(1)位于光路最前端，光电探测器(4)位于傅里叶变换成像物镜(3)的像面上；/n所述剪切干涉仪包括分束器(21)、第一直角反射棱镜(22)、第二直角反射棱镜(23)、第三直角反射棱镜(25)、第四直角反射棱镜(26)、第一角锥棱镜(24)及第二角锥棱镜(27)；所述第一直角反射棱镜(22)位于分束器(21)的反射光路中，第二直角反射棱镜(23)位于第一直角反射棱镜(22)的反射光路中，第一角锥棱镜(24)位于第二直角反射棱镜(23)的反射光路中；所述第三直角反射棱镜(25)位于分束器(21)的透射光路中，第四直角反射棱镜(26)位于第三直角反射棱镜(25)的反射光路中，第二角锥棱镜(27)位于第四直角反射棱镜(26)的反射光路中；/n远场目标光经过前置望远镜系统(1)准直；准直后的目标光经分束器(21)分为光强相同的反射光与透射光；反射光依次经过第一直角反射棱镜(22)、第二直角反射棱镜(23)以及第一角锥棱镜(24)反射，之后沿着原光路返回，透过分束器(21)，将该光束定义为T光；透射光依次经过第三直角反射棱镜(25)、第四直角反射棱镜(26)以及第二角锥棱镜(27)反射，最后在第二角锥棱镜(27)的横向移动下沿原光路返回被分束器(21)反射，将该光束定义为R光；T光和R光经过傅里叶变换物镜(3)后在光电探测器(4)的靶面上形成干涉。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的前置望远镜准直系统(1)，剪切干涉仪、傅里叶变换成像物镜(3)以及光电探测器(4)；所述前置望远镜准直系统(1)位于光路最前端，光电探测器(4)位于傅里叶变换成像物镜(3)的像面上；
所述剪切干涉仪包括分束器(21)、第一直角反射棱镜(22)、第二直角反射棱镜(23)、第三直角反射棱镜(25)、第四直角反射棱镜(26)、第一角锥棱镜(24)及第二角锥棱镜(27)；所述第一直角反射棱镜(22)位于分束器(21)的反射光路中，第二直角反射棱镜(23)位于第一直角反射棱镜(22)的反射光路中，第一角锥棱镜(24)位于第二直角反射棱镜(23)的反射光路中；所述第三直角反射棱镜(25)位于分束器(21)的透射光路中，第四直角反射棱镜(26)位于第三直角反射棱镜(25)的反射光路中，第二角锥棱镜(27)位于第四直角反射棱镜(26)的反射光路中；
远场目标光经过前置望远镜系统(1)准直；准直后的目标光经分束器(21)分为光强相同的反射光与透射光；反射光依次经过第一直角反射棱镜(22)、第二直角反射棱镜(23)以及第一角锥棱镜(24)反射，之后沿着原光路返回，透过分束器(21)，将该光束定义为T光；透射光依次经过第三直角反射棱镜(25)、第四直角反射棱镜(26)以及第二角锥棱镜(27)反射，最后在第二角锥棱镜(27)的横向移动下沿原光路返回被分束器(21)反射，将该光束定义为R光；T光和R光经过傅里叶变换物镜(3)后在光电探测器(4)的靶面上形成干涉。


2.根据权利要求1所述的基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪，其特征在于：还包括至少一个一维位移器，所述第一直角反射棱镜(22)、第二直角反射棱镜(23)、第三直角反射棱镜(25)、第四直角反射棱镜(26)中至少一个直角反射棱镜安装在一维位移器上，通过一维位移器可以控制直角反射棱镜沿其斜边方向或直角边方向移动。


3.根据权利要求2所述的基于棱镜的横向剪切干涉光谱成像仪，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏冲，冯玉涛，李思远，张朋昌，陈莎莎，杨莹，胡炳樑，卫翠玉，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61