一种多棱镜组合设计优化图像干涉性能的新方法
基于Matlab的双棱镜干涉图像处理研究
基于Matlab的双棱镜干涉图像处理研究余小英;李凡生【摘要】以Matlab语言为基础,运用图像处理技术处理双棱镜干涉图像,较好地解决了实验中直边衍射带来的影响,得到单像素的干涉条纹,实现干涉条纹中心的精确定位和干涉条纹间距的精确测量.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)005【总页数】4页(P28-31)【关键词】双棱镜干涉;干涉条纹;Matlab;图像处理【作者】余小英;李凡生【作者单位】广西民族师范学院,物理与信息技术系,广西,崇左,532200;广西民族师范学院,物理与信息技术系,广西,崇左,532200【正文语种】中文【中图分类】O436.1;O4-391 引言传统的双棱镜干涉实验测量方法中存在干涉条纹中心难以精确定位以及容易引入回程误差等问题.针对该问题,可借助于计算机的图像处理能力,实现干涉条纹中心的精确定位,避免引入回程误差,提高测量精度.而Matlab软件工具几乎包括了所有经典的图像处理方法,具有很强的可靠性和开放性,使用者无需编写大量的代码就可以直接使用.2 双棱镜干涉原理双棱镜干涉实验是经典的光学实验之一,运用其测量原理,可测量光波波长[1]、透明介质折射率等物理量.在双棱镜干涉实验中,各物理量之间关系为:其中λ是光源的波长,Δx是干涉条纹的间距,D是虚光源(狭缝)至观察处之距离,d1和d2为两虚光源通过凸透镜二次成像在测微目镜分划板上间距.在传统测量方法中,d1,d2和Δx通过测微目镜测量求出,依靠人眼确定干涉条纹的中心,不但精度较低,而且很容易引入回程误差.这一问题可以用图像处理技术加以解决.3 干涉条纹的处理3.1 图像增强从理论上来说,干涉明条纹和干涉暗条纹的宽度应该是一样的.要测量出相邻的干涉条纹间距,可选择干涉明条纹或者干涉暗条纹来作为测量对象,二者并无差别.但从拍摄的干涉图(如图1)可以看出,干涉暗条纹的宽度比干涉明条纹的宽度小,这是由人眼的视觉特性所造成的.更为重要的是,测微目镜分划板上的刻度和叉丝在图片上也是黑色的.因此,如图2所示,笔者选择暗条纹作为研究对象,经过取反后图像的细节部分(分划板上的刻度)得到增强,图片上的刻度和暗条纹都变成白色,这对后面的细化处理有利.实现图像求反的Matlab语言为imcomplement.图1 干涉条纹原图图2 求反后的灰度图3.2 图像平滑图像中噪声比较多,特别是背景不均匀所造成的噪声,必须加以抑制.滤波是平滑噪声的主要技术手段之一,常见的滤波方法有中值滤波、高通滤波、巴特沃思频域低通滤波[2]、旋滤波算法[3],一般采用平均值法和中值滤波法.均值和中值滤波都能比较好保持轮廓的清晰,但去除噪声的效果欠佳,保留了用不到的叉丝(见图3～4).这给后续图像处理工作带来不便.图3 均值滤波模板效果图图4 中值滤波效果为了能够在去除噪声的同时去除叉丝,而较好地保留刻度线.笔者采取形态滤波器[4-5]对求反后的灰度图进行数学形态学的形态滤波处理.数学形态学的基本思想就是使用具有一定形态的结构元素来度量和提取图像中的对应形状.因为双棱镜干涉图片中得到的干涉条纹和用于定标用的刻度都是竖直方向的直线,而叉丝是45°和135°方向.为了消除图像中的噪声和图像处理中用不上的叉丝,采用与水平方向成90°的线状的结构元素对图像进行腐蚀,去噪效果很好.在Matlab语言中实现腐蚀的语言为imerod.图5是用不同大小的线型结构元素对图像进行腐蚀的效果.在本实验中结构元素大小为5时,平滑效果较好.图5 不同大小的线型结构元素对图像进行腐蚀的效果3.3 干涉条纹图的二值化干涉条纹有一定的宽度,要做到条纹中心的精确定位,必须在图像二值化后把干涉条纹细化为单像素的线条.考虑实验要求及本图像具有干涉亮纹与背景灰度值差别显著的特点,且同种条纹的灰度变化比较大的情况,笔者采用了Otsu方法来计算二值化的阈值,Otsu方法是一种基于直方图并利用最大化方差设定阈值的方法,在Matlab语言中可用graythresh函数求出此阈值.用上述方法对干涉条纹图二值化,出现信息丢失的现象(干涉条纹消失或者刻度线消失),如图6(a)所示.经分析发现,造成这一现象的原因是双棱镜干涉中存在着直边衍射,使得干涉条纹的亮度不一致.某一区域的干涉明纹看起来是亮的,但实际上它的灰度值和背景的灰度值几乎是一样的,以致在二值化时很难把它同背景区分.要想解决这一问题,就必须将干涉条纹和背景的对比度增大.因此笔者采用指定区域滤波的方法对图像进行处理,做法是先用Otsu方法来计算阈值,根据二值化效果,找出缺失干涉条纹的区域,然后再对该区域进行区域滤波,增强该区域的对比度,最后再进行二值化处理.在Matlab语言中可以用roipoly和roifilt2函数来实现区域滤波.实验表明,用区域滤波方法处理过的图像,在二值化时能较好解决干涉条纹缺失的问题.当然,这样处理后,也会产生一些多出来的噪声:该条纹旁边出现毛刺现象.这些毛刺可以在细化通过形态学修剪的方法去除,对实验结果影响不大.图6 区域滤波前后对比图3.4 干涉条纹图像的细化处理图像二值化后,黑白条纹均占有一定的宽度.为了能从条纹中提取出条纹中心信息,必须对其进行细化处理.条纹细化过程就是对具有一定宽度的条纹通过连续剥离条纹最外层元素以获得单像素宽度的骨架的过程.细化不但去除一些二值化时产生的离散的噪声点,也是提高条纹位置坐标的判读精度关键的一步.二值图像的细化处理有很多种算法,目前,国内外已提出许多种的图像细化算法,如Hilditch细化算法[6]、数学形态学细化算法[7]、导数二值图细化算法[8]等.在许多文献中,多采用Hilditch 细化算法.笔者根据所处理干涉图条纹的形状、分布情况的不同,对经过区域滤波后的干涉条纹二值图采用二值数学形态学形态修剪处理和形态细化方法进行处理.4 干涉条纹间距及虚光源像间距的测量4.1 定标干涉条纹图样细化后,就可以求取其间距Δx.但是干涉图样经过目镜、CMOS的成像,通过应用软件对图样进行采样,其采样点的坐标为像素.为了真实反映点与点间的长度,必须确定度量单位间的转换关系,即定标.笔者是这样处理:保留测微目镜分划板上的标尺刻度,利用其相邻两刻度间的数值来定标.如果是其他不带标尺的仪器,可以用在同等条件下拍出的标准刻度(如游标卡尺的刻度)来定标.运用Matlab语言进行定标的具体操作方法:1)利用“imhow(xh)”命令显示出细化后的干涉条纹图(“xh”为细化图的名称).2)用pixval命令来显示覆盖在图像上的光标.即在命令行输入“pixval”,此时将鼠标移动到图像上,鼠标由箭头形状变成十字光标.将光标在图像上移动到某一刻度线(如3 mm刻度线),在该图形窗口的下方会显示出光标所在的位置的亮度值为“1”时,按住鼠标左键不放并拖动相邻的刻度线(如4 mm刻度线),光标所在的位置的亮度值也为“1”时,则窗口的下方显示光标初始位置和当前位置的欧几里德距离(如图7所示),此距离就是1 mm宽度所对应的欧几里德距离.图7 细化结果及测量条纹间距的界面图3)定标.设1 mm宽度所对应的欧几里德距离为n,则比例系数k=1/n.4.2 干涉条纹间距和虚光源像间距的测量用pixval命令,采用上述方法再测量出干涉条纹宽度Δx(可测量多根干涉条纹,再求平均)对应的欧几里德距离为m,则Δx=m/n.两虚光源的像间距d1和d2也是根据该公式计算.图像处理技术对双棱镜干涉条纹和虚光源像间距进行细化处理前后得到的数据,如表1～2所示.Er为平均相对误差(与钠光波长的公认值589.3 nm作比较).由表中数据可以看出,相对于传统测量方法,图像处理后的精度有了较大的提高.表1 图像处理技术前的双棱镜干涉实验数据表D/cmd1/mmd2/mmΔx/mmλ/nmEr/%35.500.4150.8830.358610.113.5337.000.2780.9810.432609.473.42 37.500.2201.1550.455611.523.7738.000.1931.2380.478615.114.38表2 图像处理技术后的双棱镜干涉实验数据表D/cmd1/mmd2/mmΔx/mmλ/nmEr/%37.000.3431.6720.284581.281.36 39.300.4061.6810.284597.001.31 44.502.2000.3430.300585.620.625 结束语在双棱镜干涉实验采用图像处理技术处理干涉条纹,可以实现干涉条纹中心的精确定位,无需旋转测微目镜的鼓轮来获取数据,从而避免引入回程误差.具有重复性好,实验精度高的优点.Matlab语言作为第4代计算机语言,很多程序无须自己编写,只需调用简单的命令即可,应用要比C语言、VC++等语言要简单得多.如果学生没有这方面的基础,也可以由比较熟悉这种语言的教师利用Matlab工具箱中的GUIDE工具制作出相应的用户界面,以方便学生使用.同时,这种方法还可以应用于其他光学实验,如牛顿环干涉实验、分光计折射率测定实验等,从而使传统的光学实验更具有现代气息.参考文献:【相关文献】[1] 廖立新,刘生长,米贤武.用双棱镜测激光波长的简单方法[J].物理实验,2007,27(7):34-35.[2] 张爱珍,业宁.基于图像模式识别技术的牛顿环检测[J].物理实验,2003,23(8):33-35.[3] 陈瑞改,陈怀新.干涉条纹中心线提取与细化的新方法[J].激光杂志,2005,26(5):40-41.[4] Shen Tongsheng,Liu Songtao,Zhou Xiaodong.Optimal design of morphological filters based on adaptive immunealgorithm[J].SignalProcessing,2004,(2):1 064-1 067.[5] Jing Xiaojun,Ma Yixia,Qu En.Morphological filter based on geneticlearning[J].Communications and Information Technology,2005,1(12-14):749-752.[6] 崔凤奎,王晓强,张丰收.二值图像细化算法的比较与改进[J].洛阳工学院学报,1997,18(4):45-51.[7] 施启乐,王从军,黄树槐.数学形态学图像细化算法在RE中的应用研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(7):37-39.[8] 于起峰.光测条纹图处理中免除噪声的正则化条纹法[J].实验力学,1999,14(3):294-301.。
双棱镜干涉实验虚拟仿真系统设计与开发
透镜焦距或是测微目镜与单缝的距离小于4倍 透镜焦距或是所有仪器的高度差大于预定值则
谷交替出现的特点，三个相邻极值点对应的位 置可以是波峰-波谷-波峰或是波谷-波峰-
弹出相应出错提示对话框并返回原界面让用户 波谷，两种情况的宽度是一样的•
重新排列仪器-如果上述条件都满足则弹出仪
对于连续函数来说，极值点出现在一阶导
• 52 •
施美玲，周 天；双棱镜干涉实验虚拟仿真系统设计与开发
文献［4-7］只是对干涉现象进行了仿真模 拟，在教学中只能用作效果演示•而文献［8-10］ 在干涉效果仿真时用GUI界面进行了封装， 能演示干涉效果随参数的变化，对光干涉理论 的教学取到很好的辅助作用.但对光干涉实验 的场景和过程都没有模拟，对实验教学没有帮 助.本文结合干涉原理及数字图像处理知识对 干涉实验进行完整仿真，能同时辅助理论及实 验教学”
3双棱镜干涉实验目的及测量数据
为了减少缝光源的衍射对干涉效果的干 扰，实验教学中经常用双棱镜对经过单缝的入
4.1以中心对齐的自适合图像大小显示模型 仿真系统中包含大量的图片显示内容.在
显示图像的axes组件大小固定的情况下, matlab自带的显示图像函数会自动将图像的尺 寸缩放到axes组件的尺寸.当图像尺寸的长宽 比与axes组件的长宽比不一致时，图像显示过 程中就会出现图像内容被过度拉伸或压扁的畸 变.很多程序开发者经常需要耗时地手动调整
在矩形区域交互设计时，需要知道落在元
图5点落在矩形区域内外的示意图
4.2.2椭圆形区域交互 在椭圆形区域交互设计时，需要知道落在
元器件上的椭圆形区域的焦点在图像中的坐标
位置Fl(Flx,Flj)和F2(F2x,F2刃，以及椭圆 形区域的长轴a .如图6所示，落在椭圆形区域
干涉与衍射实验技术的优化方法
干涉与衍射实验技术的优化方法导言：干涉与衍射实验是光学研究中重要的实验手段，它们能够提供有关光的性质和行为的关键信息。
在这篇文章中，我们将探讨一些优化干涉与衍射实验技术的方法，以帮助研究人员在实验中获得更准确和有意义的结果。
1. 光源的选择与调节在干涉与衍射实验中，光源的选择和调节对实验结果的准确性和稳定性至关重要。
较为常见的光源类型包括白炽灯、激光和LED等，在实验中应根据需要选择合适的光源。
此外，光源的调节也是必要的步骤，可以通过改变光源的亮度、方向和频率等参数来优化实验条件，以获得更好的干涉与衍射效果。
2. 空间滤波技术的应用空间滤波技术是干涉与衍射实验中常用的优化方法之一。
通过在实验光路中引入适当的滤波器，可以减少或改变光的某些频谱成分，从而改善实验结果的清晰度和对比度。
常见的空间滤波器包括准直器、衍射光栅和投影仪等，它们可以用于调节光的波长、方向和强度等参数，从而实现对实验结果的优化。
3. 探测器的选择与校准探测器的选择和校准对干涉与衍射实验结果的准确性和灵敏度有着重要的影响。
在实验中，应根据光的特性选择合适的探测器，例如光电二极管、光电倍增管和像素阵列等。
同时，还需要注意对探测器进行校准，以确保其输出信号与实际光强之间的准确对应关系，从而获得可靠的实验数据。
4. 光路的设计与调整光路的设计和调整是优化干涉与衍射实验的关键步骤。
合理的光路设计可以减少光的损失和干扰，提高实验结果的质量和可重复性。
同时，在实验中应根据需要对光路进行调整，以消除干涉与衍射效应中可能存在的偏差和误差。
常见的光路调整手段包括使用透镜、反射镜和光栅等光学元件，通过调整其位置和角度来实现对光的控制和调节。
5. 数据分析与结果解读干涉与衍射实验结果的准确性和可靠性不仅取决于实验技术本身，还取决于对数据分析和结果解读的能力。
在实验完成后，研究人员应对实验数据进行仔细的分析和处理，以提取有用的信息和结论。
此外，还需要将实验结果与相关理论进行比较和解释，验证实验的可靠性和合理性。
双棱镜干涉4种实验方法的研究与探讨
双棱镜干涉4种实验方法的研究与探讨
王明吉;张利巍;王晓莉
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2008(28)4
【摘要】从理论和实验两方面对双棱镜干涉实验常用的4种实验方法进行了分析和比较,指出了各自的优缺点和不同之处,得出了双棱镜干涉测波长的最佳实验方案,并提出了2条提高测量精度的改进意见.
【总页数】4页(P25-27,30)
【作者】王明吉;张利巍;王晓莉
【作者单位】大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318【正文语种】中文
【中图分类】O436.1
【相关文献】
1.双棱镜干涉实验中数据的处理方法 [J], 张伦;于建勇;李艳;郭三栋;渠立成
2.菲涅尔双棱镜干涉实验中双棱镜两种放置方法的讨论 [J], 葛松华;唐亚明
3.双棱镜干涉实验中调出干涉条纹的好方法 [J], 方阳
4.双棱镜干涉实验教学探讨 [J], 陈白玮
5.双棱镜干涉实验教学探讨 [J], 段秀铭; 易志军; 于建勇; 渠立成
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基于多级组合棱镜提高激光中心波长检测精度的研究
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
Ｖｏ． １ Ｎｏ ８ ｐ ２ ９ — ３ １ １３ ， ． ， ｐ ２ ８２ ０ Ａｕ ｕ ｔ ０ １ ｇ ｓ ，２ １
型光谱仪 由于其 结构紧凑 、 无机械 扫描器 件、抗 干扰能力 强 等优点 ，在遥测 、遥感 、瞬 态光谱检 测等领 域受 到广泛 的应 用 ｌ ］ 其 中具有代 表性 的静态干涉 方法＿９主要有 ： 是以 ４ 。 ７＿ ＿ 一 Ｓ ｇ ａ 结构 为原型的三角共光路光栅光谱仪 ， ａｎｃ 二是静 态迈克 尔逊 型空间调制 光谱 仪 ， 三是 以双折射 晶体 为分光元件 的偏 振 型傅 里叶变换 光谱仪 。 偏 振型傅里叶变换光谱仪按分光元件可分 为两类 ：一是
程差位置起 ｚ ， 处 其光程差为
基金项 目：国家 自然科学基金项 目（Ｏ ７ Ｏ ９ 和 山西省 自然科学基金项 目（０ ９ １０ ３ 资助 ６ ５２１） ２０ ０ １２ ）
作者简 介： 刘晓东 ， ９９ １ ７ 年生 ， 中北大学仪器科学 与动态测试教育部重点实验 室讲师
ｅ ａ ： ｉｘ ｏ ｏ ｇ ｌ ６ ．ｏ － ｉ ｌ ｉ ｄ ｎ ＿ ＠１ ３ ｃｒ ｍ ｌ ｕ ａ ｎ
沃拉斯顿棱镜阵列代替 单个 沃拉 斯顿棱 镜 ，以增加 光程 差 ， 提 高光谱分辨率的方法 ， 结构 角选 取 １， 证较好 的成像 质 。保
收稿 日期 ：２ １ —８２ 。修 订 日期 ：２ １ —２３ ０ ００ —５ ０ ０１—Ｏ
几何路径相 同， 以产生 光程 差。则从 距离双折 射棱镜 零光 所
多级反光镜光学系统的设计与优化
多级反光镜光学系统的设计与优化多级反光镜光学系统被广泛应用于航天、机器视觉、医学影像等领域中。
它能够实现高分辨率、高对比度的成像效果，并且具备一定的适应性，能够适应不同环境下的成像要求。
本文将深入探讨多级反光镜光学系统的设计与优化问题。
一、反光镜与光路设计反光镜是多级反光镜光学系统的重要组成部分。
它能够反射由主光路传入的光线，使光线能够沿着不同的光路传播。
因此，反光镜的反射率、表面形态等因素会影响光路中的光线走向，从而影响成像质量。
在反光镜的设计中，需要考虑其材质、反射率、形状和尺寸等因素。
一般来讲，反光镜应该具有较高的反射率，以最大程度地保持光线的亮度。
同时，反光镜的表面形态也需要充分考虑，以减少光线反射过程中产生的光学噪声。
在光路的设计中，则需要考虑光路的传播路径、光路长度以及光路中的光学元件的位置和大小等因素。
通过对这些因素的控制，可以实现更加稳定、高效的成像效果。
二、多级反光镜系统的优化在多级反光镜光学系统的设计中，需要考虑光学元件的数量、形状和大小等因素。
同时，还需要考虑反光镜的反射率和表面形态等因素。
在这些因素的基础之上，我们可以通过优化反光镜的布局和光学元件的尺寸等参数，来实现系统的优化。
其中，反光镜布局的优化是非常重要的。
反光镜的布局需要考虑光线通过反射镜后的传播路径，从而使得光线到达成像平面的过程最为高效和稳定。
同时，反光镜也需要尽可能少，以减少光线在传播过程中的损失。
另外，反光镜与光学元件之间的距离也是影响系统性能的重要方面。
通过优化反光镜与光学元件的尺寸和布局，可以实现更少的反光镜和光学元件的使用情况下，获得更高的成像质量。
三、多级反光镜系统的实际应用多级反光镜光学系统被广泛应用于各种不同的领域中。
在机器视觉领域中，多级反光镜光学系统被用于实现高精度的位置定位和物体识别任务；在医学影像领域中，多级反光镜光学系统能够减少不同组织之间的干涉，从而实现更加清晰和准确的成像效果。
总之，多级反光镜光学系统是一种灵活、高效而且能够适应不同环境的光学设备。
快速调节双棱镜干涉条纹的新步骤
波波 长 。常 规的 实验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ步骤 及 方法 如下 ：
收稿 日期：２ １— ３ １ ００ ０ — ７ 作者简介：姚敏，本科 ，教授，系党总支书记 。
本 文 系 湘 南学 院 教 改 资助 课 题 （ 准 号 ： ０Ｙ ０ ） 。 批 ８０３
将 测 微 目镜 移 到距 狭缝 ８ ｃ ￣９ ｃ 处 ，用 目镜叉 ０ｍ ０ｍ 丝逐 一对 准 视场 中部 的 ｌ 条 明条 纹 ， 记录 每 一 明条 纹 ０
不改变狭 缝与双 棱镜 的相对位置 ，在双棱镜与测
微 目镜 之 间加 上 凸 透镜 （ 距 约 １ ｃ１， 移 动 透 镜 （ 焦 ９Ｉ ｌ ） 注 意 等高同轴） ，在 测 微 目镜 中两 次 出现 虚 光 源 的 像 。 用 测 微 目镜 分 别 测 出 两 虚 光 源 较 大 像 之 间距 离 ｄ 和
这 个 亮 区就 是 光 束 的叠 加 区 域 。然 后 缓 慢减 小狭 缝 宽
涉 场 （ 中斜 线 的 区域 ） 。如 果 将 一 屏 幕 Ｍ 图 置于 干 涉 场 的任 何 地 方 ，则 在 屏 幕 Ｍ 上会 出现 明 暗相 间 的干 涉 条 纹 ，且 干 涉 条 纹 中相 邻 明条 纹 的 间隔 △ Ｘ 既和 条 纹 与 光源 之 间的 相对 位 置 ｆ 关 ， 又与 光 波 波 长 和 ｄ 有 有 关 ，因 此 ， 由它们 之 间 的 关 系 式 ＝ 就 能 测 出光 二
不 同现 象 ，提 出了很 多行 之 有效 的快速 完 成 干 涉 条纹 的方 法 。但 如 何快 速 准 确 地 调 出两 虚光 源 放 大 像 的 间
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一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法[发明专利]
![一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4b397ccb988fcc22bcd126fff705cc1755275f6d.png)
专利名称：一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法专利类型：发明专利
发明人：吴小龑,刘国栋,胡流森,李阳龙
申请号：CN202011138158.7
申请日：20201022
公开号：CN112230420B
公开日：
20220624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法，涉及干涉成像领域，旨在设计一种多光束干涉合成望远镜实现后期获得目标物体的高分辨率图像。
本发明包括光线通过多个子望远镜(1)干涉入射到主镜；主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。
本发明与传统菲索式合成孔径干涉阵列望远镜相比，获得了较大的视场，获取目标的多模态光学信息，有利于对快速移动目标的捕获、跟踪与识别。
申请人：中国工程物理研究院流体物理研究所
地址：621000 四川省绵阳市绵山路64号
国籍：CN
代理机构：成都行之专利代理事务所(普通合伙)
代理人：李朝虎
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基金项 目： 国家 自然科学￣
（０７２８ ， ５ ８ ５ ４ ） 山西省 自 然科学基金项 目（０ ９ １ ２ —） ２ ０ １ ０ ６２ 资助 ｅ ａ ： ｘ ｃ ａｇ ｅｇ ２ ・ｏ － ｉ ｓｙｚ ｎ ｐ ｎ ＠１ ６ ｃｒ ｍ ｌ ｈ ｎ
０， 。 从而干涉条纹 的成像不再受 分束 角的变化所影响 。 并将优化 的双折射棱镜 制成棱镜组以进一步提高光谱 分辨率 。实验分别采用传统双折射棱镜组和优化 的双折射棱镜 组对 ９ ０ｍ 的激光光 源进行测量 。实验数 据 ８ 可知 ，采用优化的双折射棱镜组得到 的干涉条纹对 比度更清 晰 ， 对应 由 Ｄ Ｐ傅里 叶变换得到 的光 谱数据 也 Ｓ
辨率 与干涉条 纹质 量之间的矛盾 ， 本文对传统 双折射棱 镜的 改 良实现了在 大 幅提 高干 涉条纹 质量 的 同时提 高光 谱分 辨
率。
性能差 ， 以调节 ，不适 合户外高速光谱探测 。 难 采用 空间调制技 术 获取光 谱 的干 涉具 有迈 克尔 逊倾 斜
镜 、菲涅耳双棱镜 、双折射棱 镜 、 双直 角反射镜 、横 向剪切 、 波导 型、液 晶偏 振型 、斜楔 、马赫一 曾德 干涉 具＿ ］ １ 等多 种结 构 。由这些干涉具 构成 的静 态 盯 光 谱仪 ， 构简 单 ，体积 结 小， 在实时探测领域具有广泛 的应 用前景 。但 它们普遍 存在 着低光谱 分辩 率问题 ，这限制 了其应 用 。为此 ，人们开 始探 讨提 高分 辩力 的方法 ，如加拿 大 Ｉａ ｏ ｖｎ ｖ采用 阶梯 平面 反射 镜 ； ａ ｔ ｎ采用合成 时间孔径 技术 将几个 具 有不 同光 学延 Ｓ ｎｒ ａ 迟 的静态 Ｆ Ｔ光谱 仪器形 成 的干 涉条重 构＿ ；Ｄ ｒｅ ｔｅｓ ６ ａｒｎＳｅｒ 采用 双折射棱 镜和 面阵 Ｃ Ｄ研究 了激 光光谱 ［ 。中 国科学 Ｃ ７ ］
在 传 统 双 折射 棱 镜 中 ， 涉 具 主 要 由起 偏 器 Ｐ 、检 偏 器 干
院西 安光 机 所 的 静态 干涉 成 像 光 谱 仪 ，采 用 了 Ｓ ｇ ａ ａ ｎｃ结
收稿 日期 ： ０ ０１—１ ２ １ —１２ 。修订 Ｅ期 ： ０ １０ —０ ｔ ２ １—４２
Ｐ、 双折 射棱 镜及 柱面镜等组成 。 中， 其 起偏器 Ｐ 的偏振方
近几 年 ， 双折 射棱 镜 光谱 仪成 为 静态 光谱 仪 研究 的热 点 ，Ｃ ｒｌ研究 了以一定角度 入射双 折射棱 镜后 ，干涉 条纹 ａｏｅ 产生变化对光谱分 析造 成的影响［ ； ａｔｒｏ ９ Ｐ ｔ ｓｎ将双折射棱镜 ｅ
应用 于大 气 中苯 含 量 的检 测 ，其 可 实 现 ｐ ｍ 级 的 浓 度 检 ｐ
第 ３ 卷 ， １ 期 １ 第 １
２０１
谱
分
析
Ｖ １ １Ｎ ．１ｐ３６－１６ ｏ ３ ， ｏ１ ，ｐ１３ ６ ． ３
Ｎｏ ｅ ｂ ｒ ０ １ ｖ ｍ ｅ ，２ １
Ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
１ 双折射棱镜 的优化设计
１ １ 传 统 双 折 射 棱 镜 ．
传统 双折射棱镜 如图 １ 所示 ， 入射光通 过双折射棱 镜晶 体后 Ｏ 和 ｅ 光 光会分 开 ， 分开 的角度取决于 晶体 的折射 率和 双折射棱镜 的结构 角 。由于棱镜 出射 面为 平面 ， 以对 应的 所 分束 角 ａ是以入射光延长线对称张开 的。
更精确 。
关键词
光谱探测 ； 多棱镜组合 ；分束角 ；图像干 涉
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ：１． ９４ ｉｉｓ． ０００ ９ （０ １ １—１ ３０ ＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ —５ ３２ １ ） １３ ６—４
中 图分 类 号 ： ４ ６３ ０ ３ ．
构 ， ］ 分辨率为 １８５ｃ ～。 ０． ｍ
摘
要
为 了在不影 响干涉条 纹成像 质量的基础上通过增大 双折射棱镜结 构角 的方 法获得更 细致的光谱 成
分 ，优化设计了双折射棱镜的结构 。通过计算分束角与结构角之 间的函数关系 ，分析得知在传统双折射棱镜 后 附加一个 与第二个楔 形同性质 的等腰三 角形棱镜 ，使 出射 棱镜 的 Ｏ光和 ｅ 光平行 于光轴 ，即分束 角 ａ为
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换光谱仪 ， 用双 折射 棱 镜组 增 加 光程 差 ，但 图像拼 接 复 采 杂； 仝雷在其硕士论文 中研究 了增大双折射棱 镜结构角 提高 光谱 分辨率的方法 ， 最小光谱分辨率为 ７ ． ｍ ６ ６ｃ 。目前 ， 对 双折射棱镜 的研究 过程 中都遇到了共 同的 问题 ，就是光 谱分
一
种 多棱镜 组合 设 计优 化 图像 干涉 性 能 的新 方 法
张 鹏 ，王建 荣 ，张国晨 ，侯 文
１ ．中 北 大 学 电 子 测 试技 术 国家 重 点实 验 室 ，山 西 太 原 ２ ．太 原 科 技 大 学 应 用科 学 院 ，山西 太 原 ０ ０ ２ ３０４ ０ ０ ５ ３０ １
引 言
光谱探测作 为一种重 要 的测 试手段 ， 在科 研 、生产 、环 境检测等方 面 ， 都发挥着重要 的作 用 。在户外 高速光谱 探测 的应用领域 中采用无 扫描结构 ， 小体积 紧凑 结构具 有显著优 势 。按调制方 式分 两类 ，一 类是 时 问调 制 的迈 克 尔 逊光 谱 仪 ，另一类是空 间调制 的静态傅 里叶变换 光谱仪 。时间调制 迈克尔逊光谱仪通 过机械扫描装置提供变化的光程差实现光 谱获取 。对于时 间调制型 的光谱仪 而言 ，其光谱 分辨率 可 以 很高 ， 由于需要 机械 扫描 ，其结构 复杂 ，体积庞 大 ，抗震 但