一种新型静态成像光谱系统的研究
郝利华1,2, 路晓冬2, 王明泉1,2
1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2. 中北大学信息与通信工程学院, 山西 太原 030051

作者简介: 郝利华, 1976年生, 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室副教授 e-mail: hlhnuc@sina.com

摘要

静态干涉系统具有稳定性好、 抗干扰能力强的优势, 但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。 针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题, 设计了一种新型静态成像光谱系统。 系统由光束整形模块、 新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。 光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光, 进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果; 新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。 在双折射干涉结构的基础上进行了改进, 在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率, 并实现了光谱分辨率的静态调制; 成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。 系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件, 在两棱镜间放置电光调制模块, 实现光程的静态扫描。 分析了新型静态成像光谱系统的工作原理, 给出了入射角、 折射角等主要参数的函数表达式, 并构建了系统的数据模型。 通过绘制系统光线追迹图的方式, 得到了该系统横向剪切量的函数方程, 并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。 通过仿真计算了改变结构角、 晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度, 并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。 由仿真分析结果可知, 增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。 故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的, 可以实现静态光谱图像的获取。 在实验中对660 nm激光进行了测试。 新型静态干涉模块采用孔径20 mm×20 mm, 厚度10 mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10 mm的电光调制晶体构成。 当调制度分别是0.000 2和0.000 6时, 成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。 当调制度增大时, 其干涉条纹密度增大, 说明采用越大的调制度, 系统对应的光谱静态扫描能力越强, 对光谱分辨率的控制越好。 由此可见, 本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性, 验证了系统的可行性。

关键词: 成像光谱系统; 横向剪切量; 电光调制; 光谱分辨率
中图分类号:O433.1 文献标识码:A
Research on a Novel Static Imaging Spectrometer
HAO Li-hua1,2, LU Xiao-dong2, WANG Ming-quan1,2
1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China;
2. College of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract

The static interference system has the advantages of good stability and strong anti-interference ability, as well as disadvantages of low spectral resolution, nonadjustable spectral resolution, and so on. Aiming at such shortcomings of static interferometric imaging spectroscopy systems, a novel static imaging spectroscopy system is designed in this paper. The system consists of a beam shaping module, a novel static interference modulation module and an imaging module. The beam shaping module is used to shrink and shape the incident light into parallel light, so as to ensure a better interference effect. In addition, the novel static interference modulation module is used to coherently process incident light. The birefringence interference structure is modified in the system. On the basis of unchanged size of the original static interference, the spectral resolution of the system is improved, and the static modulation of the spectral resolution is realized. The imaging module is used to acquire two-dimensional visible images of the target area. The core components of the system consist of two sets of Wollaston prisms, as a spectral device, whose optical axes are orthogonal to each other. The electro-optical modulation module is placed between the two prisms for static scanning of the optical path. Besides, the working principle of the new static imaging spectroscopy system is introduced, and the system data model is given. The function expressions of the main parameters such as angle of incidence and angle of refraction are given, and the system data model is constructed. By plotting ray tracing graphs of the system, the functional equations of the lateral shear of the system are obtained, and the parameters that affect the lateral shear are analyzed and discussed respectively. The extent to which the parameter’s changes of structural angle, crystal thickness and modulation degree affect lateral shear is calculated by simulation. And the extent to which the parameter’s changes of structural angle, crystal thickness affect the spectral resolution is calculated quantitatively. Accordingly, a larger optical path difference can be achieved by appropriately increasing the structural angle and the crystal thickness. Therefore, it is feasible to realize the static scanning of lateral shear by means of electro-optic modulation, by which the acquisition of static spectral images can be achieved. In the experiment, 660 nm laser is tested. Two Wollaston prisms with opposite optical axes (Aperture: 20 mm×20 mm, thickness: 10 mm) and electro-optic modulated crystals (Thickness: 10 mm) are used in the novel static interference module. When modulation degree is 0.000 2 and 0.000 6 respectively, there are obvious differences in the interference fringes obtained by the imaging module. That the density of the interference fringe increases with the increase of modulation degree shows that the greater the modulation degree is, the stronger the spectral static scanning ability is, the more easily the spectral resolution is controlled. Thus, the static imaging spectroscopy system is characterized by adjustable spectral resolution under the condition of controlling the electro-optic crystal modulation degree. The feasibility of the system is verified.

Key words: Imaging spectroscopy system; Lateral shear; Electro-optical modulation; Spectral resolution
引 言

成像光谱技术[1]由于可以同时获取待测目标二维图像信息及光谱信息而成为了近年来的一个研究热点, 其获取“ 光谱数据立方” 的能力对于地球资源探测、 环境监控、 目标识别、 深空探测[2, 3, 4, 5]等领域具有重要意义。

根据不同工作原理, 成像光谱技术主要分为色散型、 干涉型、 滤色型和层析型[6, 7, 8]。 其中, 色散型主要利用光栅或棱镜分光实现, 技术较为成熟, 具有高分辨率的优点。 但棱镜分光型结构复杂, 对结构设计要求较高, 光栅型存在入射狭缝, 对光通量影响较大, 难以适应对弱光环境的测试[9]。 干涉型分为扫描干涉型和静态干涉型, 扫描型具有高光通量及高光谱分辨率的特点, 但运动部件对系统的应用环境造成了极大地限制[10]。 静态干涉型主要有静态傅里叶型、 Sagnac棱镜型以及Wollaston棱镜型[11, 12, 13]等, 这些静态干涉结构通过空间干涉、 双折射等方法实现干涉, 没有运动部件, 大大提高了其野外工作的性能, 但其也存在一定的问题, 例如光谱分辨率较低且不能实现在不同工作条件下光谱分辨率的调节。

为了克服以上技术困难, 研究中提出了一种基于Wollaston棱镜组和电光调制结构的新型静态调制成像光谱系统。 该系统通过一对光轴互正交的Wollaston棱镜构成平行分光, 实现对目标光进行o光和e光的分离, 再由电光调制模块完成对两束光光程差的调制, 从而实现光谱图像的静态获取。 系统因没有机械扫描部件稳定性高, 且无狭缝具有大光通量的优势, 在基本不改变原有干涉结构尺寸的条件下实现了系统光谱分辨率连续调节的功能。 由此可见, 该新型结构设计对静态干涉成像光谱技术的进一步广泛应用具有较好的支撑作用。

1 新型静态调制成像光谱系统设计
1.1 总体结构设计

设计了一种光谱分辨率静态调制结构的成像光谱系统, 如图1所示。 其可分为三大模块: 光学采集与整形模块、 新型静态调制棱镜组以及成像模块。

图1 新型静态调制成像光谱系统Fig.1 A novel imaging spectrometer with static modulation prisms

光学采集与整形模块中由大口径透镜实现目标区域的光学采集, 再通过聚焦整形将平行光引入干涉具中, 其中孔径光阑实现对视场控制及对杂散光的抑制; 新型静态调制棱镜组为设计的核心部分, 其中第一块Wollaston棱镜左楔板光轴平行于z轴, 右楔板光轴平行于x轴, 同时, 第二块Wollaston棱镜左楔板光轴平行于x轴, 右楔板光轴平行于z轴, 与第一块的光轴设置刚好相反, 由此可以为系统提供两束平行的相干光, 从而实现在成像平面的相干进而获得目标的光谱信息。 在两个Wollaston棱镜之间放置了一个电光调制晶体, 其通过调制电路可以使晶体折射率发生周期性变化, 从而使Wollaston棱镜1出射的o光和e光在调制晶体中的光程差发生周期性变化, 从而实现对系统光谱分辨率的静态调制。 成像模块将从检偏器出射的具有光程差且相互平行的两束光聚焦成像在CCD上, 最终采集到CPU中, 获得目标的二维图像及光谱信息。

1.2 理论分析

在该新型结构中, 没有机械扫描部件, 光程差是通过两块Wollaston棱镜分光后o光与e光在单轴晶体中折射率不同实现的, 当o(e)光出射Wollaston棱镜1时(即入射电光调制晶体时), 由于电光晶体可以实现折射率的调制, 所以o(e)光在电光晶体中的光程是被调制的, 从而形成系统对光谱分辨率的静态调制。 则依据此设计绘制光路追迹图如图2所示。

当光线入射棱镜1时发生双折射效应, 出射的光分为o光与e光, 两束光由于在单晶体中的折射率不同, 所以在棱镜1的分束面处产生一个夹角。 设两个夹角分别是φ oφ e, 则分束位置满足如式(1)关系

nosinθ=nesinφonesinθ=nosinφe(1)

在进入电光调制晶体时, 如式(2)

nesinθ2o=nesin(φ1o-θ)=nxsinφ2onosinθ2e=nosin(θ-φ1e)=nxsinφ2e(2)

图2 光线追迹分析Fig.2 Analysis of light tracing

式(2)中, θ 2oθ 2e表示o光和e光在棱镜1出射界面上的入射角, φ 2oφ 2e表示光束在电光调制晶体中的折射角。 由此可见, 当入射光通过调制晶体进入棱镜2时, o光和e光在棱镜2中的方程如式(3)

x'=zonxtanθ2o+x2ox″=-zenxtanθ2e+x2e(3)

式(3)中, 分别zoze表示o光和e光在z轴上棱镜2中的距离, x2ox2e表示o光和e光与棱镜2的纵坐标, 由于采用的是两个相同结构角的Wollaston棱镜, 所以在出射棱镜2的分束面时, 两个表达式正好将纵轴位置分量约掉, 再通过棱镜2的三角关系可知, 此时分束器的横向剪切量为

d=x'-x″=ltanθ2o+Ltanφ2o1-tanθtanφ2o+ltanθ2e+Ltanφ2e1+tanθtanφ2e(4)

同时, 式(4)中的中间角变量入射角θ 2oθ 2e和折射角φ 2oφ 2e表示为

θ2o=arcsinnonesinθ-θθ2e=θ-arcsinnenosinθ(5)

φ2o=arcsinnenxsinarcsinnonesinθ-θφ2e=arcsinnonxsinθ-arcsinnenosinθ(6)

最终, 若将式(5)、 式(6)代入式(4)可知, 该新型静态调制设计中, 横向剪切量与l, θ , Lnx有关, 与x无关。 从式(5)可以看出在Wollaston棱镜中系统仅受棱镜折射率和结构角的影响; 而在式(6)中可以看出, 通过加入光电晶体后, 系统被引入了nx作为调制参数。 由此可见, 当棱镜尺寸一定时, 传统结构的光谱分辨率是固定的, 而本新型静态成像光谱系统可以通过调制电光晶体折射率(nx)实现对光程的静态扫描, 即可以提供光谱分辨率的调节。

2 仿真分析

为了进一步描述采用电光调制晶体后对系统光谱分辨率调制能力的影响, 仿真分析了该新型结构横向剪切量与各个控制参数之间的函数关系。 若Wollaston棱镜厚度为10 mm, 单晶材料选用方解石, 则对于不同的结构角对应的横向剪切量函数, 以及在l=10 mm, L=20 mm的条件下不同晶体调制度的横向剪切量函数, 分别进行了仿真分析, 仿真结果如图3所示。

如图3(a)所示, 当l=10 mm时, 取一个固定时刻, 对不同L和结构角对横向剪切量的影响进行了分析。 当结构角一定且L增大时, 横向剪切量会逐渐增大, 并符合线性变化, 这表示在设计电光调制晶体时, 适当的增大晶体z方向(晶体厚度)的尺寸可以提高横向剪切量; 当L固定且增大结构角时, 横向剪切量也会线性增大。 如图3(b)所示, 当l=10 mm, L=20 mm时, 通过调制晶体折射率的方式可以对横向剪切量进行调制。 当结构角固定时, 横向剪切量随折射率调制度(nx)的增大而增大, 该变化过程非线性, 随着调制度的增大其斜率也随之增大; 在此条件下时, 结构角的不同对横向剪切量变化影响依旧明显。 由此可见, 采用较大结构角配合较宽调制晶体厚度的条件下, 利用电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的, 可以实现静态光谱图像的获取。

图3 不同条件下的横向剪切量函数
(a): 结构角对横向剪切量的影响; (b): 调制度对横向剪切量的影响
Fig.3 The function of lateral displacement under different conditions
(a): Influence of structural angle on the lateral displacement; (b): Influence of modulation degree on the lateral displacement

3 光谱调制实验
3.1 测试条件

采用实际光学棱镜及调制模块验证新型静态成像光谱系统工作原理的可行性。 光源采用660 nm激光器。 Wollaston棱镜材料选用方解石晶体, 通过孔径20 mm× 20 mm, 厚度10 mm两块棱镜的光轴设置正好相反, 从而保证从入射棱镜1到出射棱镜2的过程是一个光束发散后以同等角度再次汇聚成平行光出射的过程。 两个棱镜间加入的电光调制晶体采用铌酸锂晶体(LiNbO3, CAS: 12031-63-9), 调制晶体在系统中通过调制折射率实现对棱镜夹角φ 2oφ 2e控制, 从而实现对光程差的调制。 探测器选用SI-6000型CCD。

3.2 实验结果与分析

在实验过程中, 选取Δ nx=0.000 2和Δ nx=0.000 6时CCD采集得到的光谱干涉条纹信息, 如图4所示。

图4 不同调制度时采集得到的干涉条纹Fig.4 Interference fringes obtained at different modulation degrees

由图4(a)可知, 两组干涉条纹图像是在光学系统、 CCD位置等均固定不变, 仅改变电光调制模块调制度的前提下获得的。 当系统调制度发生改变时, 通过CCD采集得到的干涉条纹会发生明显的变化, 这种变化就是由于调制晶体对光程调制产生的。 而对干涉条纹的傅氏变换可以计算该系统的横向剪切量, 即求解出系统的光谱分辨率。 由此可以看出, 该系统通过静态电光调制可以实现对横向剪切量的快速调节, 及对光谱分辨率的快速调节。 对比图4(a)和图4(b)中的干涉条纹可知, 当调制度增大时, 其干涉条纹密度增大, 说明采用的调制度越大, 系统对应的光谱静态扫描能力越强, 对光谱分辨率的控制越好。 这与设计及仿真过程中提高L, Δ nx的值可以增强光谱分辨率调制能力的结论是一致的。 综上所述, 通过理论设计、 仿真计算及实验验证了该新型静态成像光谱系统的可行性。

4 结 论

研究了一种新型静态成像光谱系统。 通过电光调制实现光谱分辨率的静态调制, 并利用双折射分光与平行界面不改变光路方向的特性, 实现了对传统Wollaston棱镜组的改进。 通过仿真计算对系统中的主要参数进行了定量分析, 得出了Wollaston棱镜厚度、 Wollaston棱镜结构角、 电光调制晶体厚度以及调制度对系统的光谱分辨率的影响趋势。 最后, 通过对660 nm激光的干涉实验可知, 系统在不同调制度条件下具有不同的光谱分辨率, 证明了该设计的可行性。 在需要完成光谱分辨率调节的实际应用中具有一定应用价值。

The authors have declared that no competing interests exist.

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