海丰汇科技

干涉型成像光谱仪

发表时间:2023-05-27 09:00作者:海丰汇小丰

成像光谱仪是一种非常高效的定量探测仪器,它可以获得待观测目标或场景的连续单色光谱图像,并通过空间维 (x, y) 数据和光谱维 (λ) 数据共同组成三维观测数据立方体,从而为研究人员提供探测目标或场景中的每一个点的空间和光谱特征细节。这种兼具相机的高分辨成像能力和光谱仪的高光谱分辨能力使得成像光谱仪被广泛应用于测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等任务中,并在地理、空间、海洋、气候、大气、农业、植被、生态、医药、安防、制造与色度等多个领域中发挥巨大作用。

一般而言,成像光谱仪系统主要包括了前置成像系统、光谱色散成像系统和探测器系统,其中用于激发光谱观测的仪器在前置成像系统前可能还会放置激发光源。成像光谱仪的核心部分是光谱色散成像系统,该系统决定了成像光谱仪的主要性能参数,也是仪器在进行设计和研制时所需完成的最关键部分。

根据成像光谱仪中的光谱色散成像系统获取光谱信息能力的不同,可分为滤光型成像光谱仪色散型成像光谱仪干涉型成像光谱仪快照型成像光谱仪,本篇介绍干涉型成像光谱仪

▍干涉型成像光谱仪的基本原理

干涉型成像光谱仪 (一般指傅里叶变换光谱仪)的基本原理是利用了具备光程差的波长干涉效应。干涉原理如下图所示。

干涉仪的原理是束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来,这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现,从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差点的轨迹,因此,要分析某种干涉产生的图样,必求出相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条纹发生移动,定是场点对应的光程差发生了变化,引起光程差变化的原因,可能是光线长度L发生变化,或是光路中某段介质的折射率n发生了变化,或是薄膜的厚度e发生了变化。

  1. G2是面镀上半透半反膜,G1为补偿板,M1、M2为平面反射镜,M1是固定的,M2和丝相连,使其可以向前后移动,最小读数为10-4mm,可估计到10-5mm, M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。

  2. 当M2和M1严格平行时,M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞。两平面镜之间的"空气间隙"距离增大时,中心就会“吐出”个个条纹;反之则“吞”。M2和M1不严格平行时,则表现为等厚干涉条纹,在M2移动时,条纹不断移过视场中某标记位置,M2平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足:d=Nλ/2,λ为入射光波长。

  3. 经M2反射的光三次穿过G2分光板,而经M1反射的光通过G2分光板只一次。G1补偿板的设置是为了消除这种不对称。在使用单色光源时,可以利用空气光程来补偿,不一定要补偿板;但在复色光源时,由于玻璃和空气的色散不同,补偿板则是不可或缺的。

  4. 如果要观察白光的干涉条纹,臂基本上全对称,也就是两相干光的光程差要非常小,这时候可以看到彩色条纹;假若M1或M2有略微的倾斜,就可以得到等厚的交线处(d=0)的干涉条纹为中心对称的彩色直条纹,中央条纹由于半波损失为暗条纹。

▍干涉型成像光谱仪的发展

迈克尔逊干涉仪

传统傅里叶变换光谱仪 (即迈克尔逊干涉仪)是迈克尔逊和莫雷设计出来的一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器,利用动镜产生不同的光程差,具有光程差的分束光线被后端聚焦镜组进行合束,并被探测器接收。通过对探测到的干涉图进行解析获取探测目标的特征光谱信息和成像信息,其光谱分辨率极高。

其仪器组成一般为单色光源(现在普遍为He-Ne激光器)、分光板、补偿板、反射镜(定镜、动镜)、光屏、导轨、鼓轮(粗调鼓轮、微调鼓轮)。

塞纳克(Sagnac)干涉仪

研究人员在传统迈克尔逊干涉成像光谱仪的基础上,研发了一些具备相似原理但又有所改进的成像光谱仪形式,比如:将上述的迈克尔逊干涉成像光谱仪内部的反射镜更改为内反射二面体,从而避免内部运动部件的使用,且对外界的干扰灵敏度更低;将反射镜进行一定角度的放置,从而产生更大的光程差,这种类型被称为 Sagnac 型成像光谱仪。

马赫-曾德(Mach-Zehnde)干涉仪

Mach-Zehnder (M-Z) 型成像光谱仪其分光器件采用两种不同材料的玻璃进行粘接,粘接界面处产生光的分束,分光器件出射面则为全反射,最终出射臂处产生不同光程差的光线,这种类型的成像光谱仪具备极高的环境适应性;另外,M-Z 型干涉仪还可以通过电子调谐方式实现,因此非常适用于微型成像光谱仪的应用。此外,还有一些改进方法,比如:将反射镜替换为光栅,使用沃拉斯顿棱镜等偏振器件产生光程差等办法,以取代传统迈克尔逊干涉仪内部动镜,进一步提高仪器的环境适应性。

▍干涉型成像光谱仪的应用

干涉型成像光谱仪在获取数据立方体的过程中类似滤光型成像光谱仪,但是其光谱分辨率一般远高于滤光型成像光谱仪,且其获取探测目标全部光谱信息的速度要比色散型成像光谱仪快许多倍,因此具有很好的应用优势。但是干涉型成像光谱仪的系统精度和灵敏度也较高,因此对应用环境的要求较高,在具体的工程化实施中相比其他各类成像光谱仪难度最大。

应用实例.jpg

分享到:
相关阅读

相关阅读

副标题

快照型成像光谱仪 (Snapshot imaging spectrometer),使用面阵探测器,通过特殊元器件或探测形式对目标或场景进行编码,再通过后续系统色散后对探测器采集数据进行解码,一次观测即可收集整个三维数据立方体,探测速度最快;但是其光谱分辨率不高,且数据的解码速度较慢。
2023-05-29
联系电话:+86-755-83460457
联系邮箱:sales@hrtlaser.com
公司地址:深圳市福田区彩田路澳新亚大厦2609
分享
深圳市海丰汇科技有限公司
扫码查看
微信企业小程序