【CN109632099A】一种法布里珀罗干涉型成像光谱仪【专利】
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( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910087681 .2
(22)申请日 2019 .01 .29
(71)申请人 苏州大学 地址 215000 江苏省苏州市相城区济学路8 号
(72)发明人 蔡志坚 吴利 吴建宏
(74)专利代理机构 苏州市中南伟业知识产权代 理事务所(普通合伙) 32257
其中 ，所述聚 焦透镜将入射光聚 焦在所述第一微透镜阵 列的 前焦面上 ，再通过所述第 一微透镜阵列将入射光平行入射到所述F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再入 射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。
2 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列的前焦面上设置 有孔板，所述孔板对前级像进行离散采样。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
CN 109632099 A
CN 109632099 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，其特征在于，包括依次设置的聚焦透镜、第一 微透镜阵列、F-P谐振腔、第二微透镜阵列和探测相机；目标物体放置在所述聚焦透镜一侧， 目标物体发出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上；所述探测相 机位于所述第二微透镜阵列的后焦面处；
2
CN 109632099 A
说 明 书
1/3 页
一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪
技术领域 [0001] 本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪。
背景技术 [0002] 成像光谱技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，所 以利用该技术发明的成像光谱仪集合了相机和光谱仪两者的功能。它能够探测到目标场景 的 三维光谱立方体 ，即目 标场景的图 像信息 和图 像中各点的 光谱信息。光谱仪采 用的 分光 技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积。应用较为广泛的成 像光谱仪主要是色散型和干涉型，但色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成 反比 ，因此，要获得更高的光谱分辨率，就需不断减小狭缝的宽度，这样就会使通过整个系 统的能量很低，从而导致探测灵敏度很低。随着对成像光谱仪的空间分辨率、光谱分辨率、 和对弱信号的探测能 力等性能要求越来越高 ，而利用干涉技术的干涉型成像光谱仪在原理 上具有高分辨率和高能量利用率等优点，能够满足越来越高的应用需求。 [0003] 干涉型成像光谱技术可分为双光束干涉法和多光束干涉法，基于多光束干涉法较 为典型的就是法布里-珀罗(Fabry-Perot)分光技术。F-P干涉仪的装置是由两块镀有高反 射膜的平板组成，光在两平板间多次反射和折射，形成多光束干涉，所以它具有极高的光谱 分辨率。Jarkko Antila等人和Neelam Gupta等人分别研制了一种基于微机电系统技术的 F-P干涉仪 ，该F-P干涉仪的 重点在于利用微机电 技术控制两反射镜间的空气间隔 ，进而控 制滤波选择，这种微机电结构可以有效降低高光谱成像仪的尺寸、重量以及所消耗的功率， 还能减少设计和加工等方面的成本。Anbang Fu等人提出了一种可调谐法布里-珀罗高光谱 成像干涉仪 ，该结构通过低幅 度的电 信号来调整填充在法布里-珀罗干涉腔中液晶材料的 折射率 ，再利用薄膜矩阵方程 ，可以计算出从F-P谐振腔中出射的红外光谱特性。Aalto University在推动的3U-cubesat项目 ，其中对地球表面进行探测的成像光谱仪的结构就是 基于一个可调谐法布里-珀罗干涉仪和一台RGB三通道CMOS图像传感器。采用压电陶瓷来改 变腔长，从而达到滤波的效果。 [0004] 上述F-P干涉仪的技术关键都在于如何提高平行腔间的反射率和如何更精准得控 制两个平行腔的平行度，以获得更高的分辨率和光谱范围。但是，光谱分辨率依然只有10nm 左右 ，其主要原因是单一孔径的成像系统中 ，任一成像点都对应一定发散 角的入射光线 ，而 法布里珀罗干涉仪的光谱分辨率对入射光的发散角又极其敏感，因此分辨率会下降。如图1 所示，为传统的法布里-珀罗干涉光谱仪结构示意图。由第一腔镜G1和第二腔镜G2构成的FP谐振腔前后各放置了一块透镜L、L’，透镜L用于将入射光平行入射到F-P谐振腔上，透镜L’ 用于将从F-P谐振腔中出射的多光束干涉光聚焦到探测相机上成像，这种结构入射到FP腔 的光线平行性较好 ，因而可以 得到较高的分辨率。但是这种结构 用来成像时 ，不同像点对应 不同的入射角。在一定的腔长条件下，不同像点上接收的波长将不一致，这就会增加光谱图 像后期处理的 难度。此外 ，基于微机电 系统的 法布里- 珀罗成像光谱仪的 控 制结构较为复 杂 ，对各 种微机械器件要求精准。且对反射膜的 选择也有很高的 要求 ，总的 来说 ，技术复 杂
3 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第二微透镜阵列和第一微透镜阵 列配合设置。
4 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机包括多个像素点，经所 述第二微透镜阵列的光线聚焦在像素点上。
5 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为CCD或CMOS。 6 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵 列皆为一维微透镜阵列。 7 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵 列皆为二维微透镜阵列。 8 .如权利要求7所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为二维CCD探测相机或 二维CMOS阵列探测相机。 9 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述F-P谐振腔为可调谐F-P谐振腔。
代理人 殷海霞
(51)Int .Cl . G01J 3/45(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109632099 A (43)申请公布日 2019.04.16
( 54 )发明 名称 一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪
( 57 )摘要 本发明公开了一种法布里-珀罗干涉型成像
光谱仪 ，包括依次设置的聚 焦透镜 、第一微透镜 阵 列、F-P谐振腔 、第二微透镜阵 列和探 测相机 ； 目标物体放置在所述聚焦透镜一侧，目标物体发 出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透 镜阵 列的前焦面上 ；所述探测相机位于所述第二 微透镜阵 列的 后焦面处 ；所述聚焦透镜将入射光 聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上，再通过 所述第一微透镜阵列将入射光平行入射到所述 F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再 入射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜 阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。其结构简 单 ，分辨率高 ，精确度高 ，成像性能好。
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910087681 .2
(22)申请日 2019 .01 .29
(71)申请人 苏州大学 地址 215000 江苏省苏州市相城区济学路8 号
(72)发明人 蔡志坚 吴利 吴建宏
(74)专利代理机构 苏州市中南伟业知识产权代 理事务所(普通合伙) 32257
其中 ，所述聚 焦透镜将入射光聚 焦在所述第一微透镜阵 列的 前焦面上 ，再通过所述第 一微透镜阵列将入射光平行入射到所述F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再入 射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。
2 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列的前焦面上设置 有孔板，所述孔板对前级像进行离散采样。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页
CN 109632099 A
CN 109632099 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪，其特征在于，包括依次设置的聚焦透镜、第一 微透镜阵列、F-P谐振腔、第二微透镜阵列和探测相机；目标物体放置在所述聚焦透镜一侧， 目标物体发出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上；所述探测相 机位于所述第二微透镜阵列的后焦面处；
2
CN 109632099 A
说 明 书
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一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪
技术领域 [0001] 本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪。
背景技术 [0002] 成像光谱技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，所 以利用该技术发明的成像光谱仪集合了相机和光谱仪两者的功能。它能够探测到目标场景 的 三维光谱立方体 ，即目 标场景的图 像信息 和图 像中各点的 光谱信息。光谱仪采 用的 分光 技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积。应用较为广泛的成 像光谱仪主要是色散型和干涉型，但色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成 反比 ，因此，要获得更高的光谱分辨率，就需不断减小狭缝的宽度，这样就会使通过整个系 统的能量很低，从而导致探测灵敏度很低。随着对成像光谱仪的空间分辨率、光谱分辨率、 和对弱信号的探测能 力等性能要求越来越高 ，而利用干涉技术的干涉型成像光谱仪在原理 上具有高分辨率和高能量利用率等优点，能够满足越来越高的应用需求。 [0003] 干涉型成像光谱技术可分为双光束干涉法和多光束干涉法，基于多光束干涉法较 为典型的就是法布里-珀罗(Fabry-Perot)分光技术。F-P干涉仪的装置是由两块镀有高反 射膜的平板组成，光在两平板间多次反射和折射，形成多光束干涉，所以它具有极高的光谱 分辨率。Jarkko Antila等人和Neelam Gupta等人分别研制了一种基于微机电系统技术的 F-P干涉仪 ，该F-P干涉仪的 重点在于利用微机电 技术控制两反射镜间的空气间隔 ，进而控 制滤波选择，这种微机电结构可以有效降低高光谱成像仪的尺寸、重量以及所消耗的功率， 还能减少设计和加工等方面的成本。Anbang Fu等人提出了一种可调谐法布里-珀罗高光谱 成像干涉仪 ，该结构通过低幅 度的电 信号来调整填充在法布里-珀罗干涉腔中液晶材料的 折射率 ，再利用薄膜矩阵方程 ，可以计算出从F-P谐振腔中出射的红外光谱特性。Aalto University在推动的3U-cubesat项目 ，其中对地球表面进行探测的成像光谱仪的结构就是 基于一个可调谐法布里-珀罗干涉仪和一台RGB三通道CMOS图像传感器。采用压电陶瓷来改 变腔长，从而达到滤波的效果。 [0004] 上述F-P干涉仪的技术关键都在于如何提高平行腔间的反射率和如何更精准得控 制两个平行腔的平行度，以获得更高的分辨率和光谱范围。但是，光谱分辨率依然只有10nm 左右 ，其主要原因是单一孔径的成像系统中 ，任一成像点都对应一定发散 角的入射光线 ，而 法布里珀罗干涉仪的光谱分辨率对入射光的发散角又极其敏感，因此分辨率会下降。如图1 所示，为传统的法布里-珀罗干涉光谱仪结构示意图。由第一腔镜G1和第二腔镜G2构成的FP谐振腔前后各放置了一块透镜L、L’，透镜L用于将入射光平行入射到F-P谐振腔上，透镜L’ 用于将从F-P谐振腔中出射的多光束干涉光聚焦到探测相机上成像，这种结构入射到FP腔 的光线平行性较好 ，因而可以 得到较高的分辨率。但是这种结构 用来成像时 ，不同像点对应 不同的入射角。在一定的腔长条件下，不同像点上接收的波长将不一致，这就会增加光谱图 像后期处理的 难度。此外 ，基于微机电 系统的 法布里- 珀罗成像光谱仪的 控 制结构较为复 杂 ，对各 种微机械器件要求精准。且对反射膜的 选择也有很高的 要求 ，总的 来说 ，技术复 杂
3 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第二微透镜阵列和第一微透镜阵 列配合设置。
4 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机包括多个像素点，经所 述第二微透镜阵列的光线聚焦在像素点上。
5 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为CCD或CMOS。 6 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵 列皆为一维微透镜阵列。 7 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一微透镜阵列和第二微透镜阵 列皆为二维微透镜阵列。 8 .如权利要求7所述的成像光谱仪，其特征在于，所述探测相机为二维CCD探测相机或 二维CMOS阵列探测相机。 9 .如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述F-P谐振腔为可调谐F-P谐振腔。
代理人 殷海霞
(51)Int .Cl . G01J 3/45(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109632099 A (43)申请公布日 2019.04.16
( 54 )发明 名称 一种法布里-珀罗干涉型成像光谱仪
( 57 )摘要 本发明公开了一种法布里-珀罗干涉型成像
光谱仪 ，包括依次设置的聚 焦透镜 、第一微透镜 阵 列、F-P谐振腔 、第二微透镜阵 列和探 测相机 ； 目标物体放置在所述聚焦透镜一侧，目标物体发 出的光经过所述聚焦透镜聚焦在所述第一微透 镜阵 列的前焦面上 ；所述探测相机位于所述第二 微透镜阵 列的 后焦面处 ；所述聚焦透镜将入射光 聚焦在所述第一微透镜阵列的前焦面上，再通过 所述第一微透镜阵列将入射光平行入射到所述 F-P谐振腔上，从所述F-P谐振腔出射的平行光再 入射到第二微透镜阵列上，最后所述第二微透镜 阵列的出射光聚焦在所述探测相机上。其结构简 单 ，分辨率高 ，精确度高 ，成像性能好。