（光学专业论文）显微干涉成像光谱技术的理论研究.pdf

显微干涉成像光谱技术的理论研究 j i丫lllillilll17ihll5lih。flli1ii114ll112llll 学科：光学 研究生签字：臼f i i 鸭 指导教师签字：许杪率 摘要 干涉成像光谱技术不仅能对物体进行形态成像，同时还能提供物体丰富的光谱信息。 由于干涉成像光谱技术具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，被广泛的 应用于军事、航空航天、材料分析、生物医学等科研和生产领域。伴随着成像光谱技术和 显微技术的发展，显微干涉成像光谱技术逐渐成为人们研究的热点，并被应用于病理学、 细胞遗传学、组织学、免疫组织化学等众多领域。本论文的研究内容主要包括以下几个方 面： ( 1 ) 在学习和研究当前比较成熟的干涉成像光谱技术的基础上引入显微成像光谱及 显微干涉成像光谱。重点介绍了基于s a v a r t 干涉仪的显微成像光谱技术的原理和s a v a r t 偏光镜的工作原理。 ( 2 ) 影响显微干涉成像光谱系统的条件因素有很多，本文重点讨论了偏振角度误差 对光通量的影响和偏振片角度误差对干涉条纹调制度的影响两个方面。推导了影响公式， 并用m a t l a b 编程语言对结论进行了模拟，给出了直观的分析图示。 ( 3 ) c c d 是目前显微干涉成像光谱系统中常用的光电探测器。在介绍c c d 基本结 构及工作原理的基础上，分析了适用于显微干涉成像光谱系统的两种c c d 类型，并对c c d 的参数选择给出了较完善的理论和实践指导。 ( 4 ) 噪声对所有的光电转换系统而言都是必然存在的。本文分析了基于新型偏光镜 的干涉成像光谱系统中的噪声来源，即选用的c c d 等相关器件所产生的光子噪声、偏振 噪声、光谱图噪声、系统噪声等，计算了新型偏振干涉成像光谱系统的的信噪比，并给出 了评价指标。 ( 5 ) 最后，针对显微成像光谱系统的主要应用的生物医学领域，论文分析了其他几 项因素对系统的影响。 关键词：显微成像光谱仪；c c d 图像传感器；s a v a r t 偏光镜；通量 t h e o r yr e s e a r c ho fm i c r o s c o p i c i m a g i n gi n t e r f e r e n c es p e c t r o s c o p y d i s c i p l i n e ：o p t i c s s t u d e n ts i g a n t u r e ：臼鹇励? 勺 s u p e r v i s o r s i g n a t u r e ：略世早舷从；j 凯 a b s t r a c t m t e n e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o s c o p yn o to n l yc a ni n t e r f e r ew i t h i m a g i n gs p e c t r o s c o p yo f o b j e c t st ot o n l li m a g i n g ，b u ta l s oc a np r o v i d ea b u n d a n ti n f o r m a t i o n t h es p e c 订啪o f 0 b i e c t s d u et 0t h em t e r f b r e n c ew i t h s p e c t r a lr e s o l u t i o ns p e c t r a l i m a g i n gt e c h n 0 1 0 9 y , 1 1 i 曲b 锄d ， c o m b l m n g t l lt h es p e c t r a li m a g e w i d e l yb eu s e di n m i l i t a r y , a v i a t i o n ，m a t e r i a la n a l y s i s b l o m e d l c a lr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o nf i e l d sa s w i t h s p e c t r a li m a g i n gt e c h n i q u e sa i l dt e c h n 0 1 0 9 y d e v e l o p m e n t , m i c r o s c o p i ci n t e r f e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o s c o p yh a sb e e nt h er e s e a r c hf o c u s 锄d c 觚b e 印p i i e dt o p a t h o l o g y , c y t o g e n e t i c s ，h i s t o l o g y , i m m u n o h i s t o c h e m i c a l ，e t c t h i sp a p e r s t u d i e st h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： k1 )mt h ec 啪n ts t u d ya n dr e s e a r c h c o m p a r a t i v e l ym a t u r ei n t e r f e r e n c e i m a g i n 2 t e c h n o l o g yb a s e do ns p e c t r a ls p e c t r u ma n di n t r o d u c i n g m i c r o s c o p i ci m a 西n gi n t e r 诧r e n c e 肌c r o s c o p yi m a g i n g b a s e ds a v a r t i n t e r f e r o m e t e r m i c r o s c o p i ci m a g i n gs p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g ya n dp r i n c i p l eo fs a v a r tp o l a r i s e r sp r i n c i p l eo f w o r k ( 2 ) e f f e c t so fi n t e r f e r e n c e m i c r o s c o p ys p e c t r a li m a g i n gs y s t e m ，t h e r ea r em a n v f a c t o r s , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep o l a r i z a t i o na n g l ee r r o ro f f l u xa n g l ee 盯o rf o rt h ei n t e r f e r e n c e f r i n g e so fm o d u l a t i o ne f f e c tt w o a s p e c t s f o r m u l aw a sd e d u c e de f f e c t , w i t h 町l a b p r o g r a m m i n gl a n g u a g et oc o n c l u s i o n sa r es i m u l a t e da n d a n a l y z e dt h ei n t u i t i v e ( 3 ) c c di sc u r r e n t l ym i c r o s c o p i ci m a g i n gs p e c t r u mu s e di n s y s t e mo fi n t e r f e r e n c eo f p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r i n t r o d u c e s t h eb a s i cs t r u c t u r e a n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fc c d b a s i s , s u i t a b l ef o rm i c r o s c o p i ci n t e r f e r e n c e a n a l y s i so ft w os p e c t r a li m 画n gs y s t e mc c d t y p e ，a n dt h ep a r a m e t e rs e l e c t i o no fc c da r e g u i d a n c e g i v e nt oi m p r o v et h et h e o r ya n dp r a c t i c eo f ( 4 ) a nt h en o i s eo nt h e p h 。t 。e l e c t f i ct r a n s f o r m a t i 。ns y s t e r ni sn e c e s s 雄b a s e d 。n a 1 1 a l y z 谊g 恤n e wp o l a r i s e r si n t e r f e r e n c es 。u r e e s 。fn o i s es p e c t r a li m a g i n gs y s t e m ，n 锄e l yt h e c c dr e l a t e dd e v i c e sp r o d u c e sp h 。t o n sn o i s e ，p o l a r i z a t i o nn o i s e ，t h e n 。i s e ，t l l en 。i s es p e c t r u m e t c , t h en e wc a l c u l a t i 。n 。fs p e c t r a li m a g i n gs y s t e r np o l a f i z a t i 。ni n t e m r e n c eo f s i 酬t 。n o i s e r a t i o ，a n dt h ee v a l u a t i o ni n d e x ( 5 ) f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h em i c r o s c o p i ci m a g i n gs p e c t r u ms y s t e mo fb i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e ss e v e r a lo t h e rf a c t o r so ft h es y s t e m k e y w o r d s ：m i c r o s c o p i ci m a g i n gs p e c t r o m e t e r ；c c d ；s a v a r tp o l a r i s e r s ；t h r o u g h p u t 目录 1 绪论1 1 1 干涉成像光谱技术介绍1 1 1 1 成像光谱技术1 1 1 2 干涉成像光谱技术3 2 显微干涉成像光谱技术的理论简介8 2 1 显微成像光谱仪的研究概述8 2 2 基于s a v a r t 干涉仪的显微成像光谱技术1 1 2 2 1 基于s a v a r t 干涉仪的显微成像光谱技术的原理1 1 2 2 2s a v a r t 偏光镜的工作原理1 1 3 显微干涉成像光谱系统中偏振片角度误差对系统的影晌分析1 3 3 1 干涉系统中偏振片角度误差光通量的影响1 3 3 2 干涉成像光谱中偏振片角度误差对干涉条纹调制度的影响1 5 3 2 1 宽带光源干涉条纹的调制1 5 3 2 2 偏振片角度误差对条纹调制度的影响研究1 5 4 显微干涉成像光谱技术中c c d 的研究17 4 1c c d 的基本结构和工作原理：1 7 4 1 1c c d 的基本结构1 7 4 1 2c c d 的基本工作原理1 8 4 1 3 用于光谱仪中的两种c c d 类型2 1 4 2 基于新型偏振干涉成像光谱仪的c c d 参数选择2 4 4 2 1c c d 的主要性能指标2 4 4 2 2 新型偏振干涉成像光谱仪c c d 参数选择2 8 4 3 偏振干涉成像光谱仪中c c d 的成像分析2 8 4 3 1c c d 的采样过程分析2 9 4 3 2c c d 的光谱域采样分析3 0 4 3 3c c d 图像频谱混叠分析3 l 4 4 本章小节3 2 5 基于新型偏光镜的干涉成像光谱系统中噪声分析和信噪比评价3 3 5 1 新型偏振干涉成像光谱仪中c c d 产生的噪声3 3 5 2 新型偏振干涉成像光谱仪的噪声分析3 4 5 2 1 光子噪声3 5 5 2 2 偏振噪声3 6 5 2 3 光谱图噪声：。3 7 5 2 4 系统总噪声3 8 5 3 新型偏振干涉成像光谱仪的信噪比计算3 8 5 4 噪声与信噪比评价4 1 5 5 本章小结4 1 6 显微干涉成像光谱系统中其他因素对系统的影响分析4 3 6 1 观察物的研究4 3 6 1 1 人体血细胞研究4 3 6 1 2 人体血红细胞的光谱分析4 3 6 2 显微物镜选型研究4 4 6 2 1 光学显微镜的产生和发展4 5 6 2 2 电子显微镜的产生和发展4 6 6 2 3 显微技术的应用4 6 6 2 4 生物显微镜的用途和技术参数4 7 6 2 5 干涉成像光谱系统中显微系统的选型4 7 7 结论4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 致谢5 4 学位论文知识产权声明5 5 学位论文独创性声明5 6 1 绪论 1 1 干涉成像光谱技术介绍 1 绪论 成像光谱是指在一个连续光谱段上获取大量窄波段遥感图像的技术，这种成像可以通 过对光谱图像进行重建以提取出图像上的目标信息，将传统的遥感成像技术和物理中的光 谱分析技术有机结合起来，从而为目标的光谱识别奠定基础。干涉成像光谱技术是利用干 涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量离散干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换计 算，反演得到光谱图，从而获取光谱信息。19 8 3 年美国喷气推进实验室( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ，简称j p l ) 研制出第一台航空成像光谱仪【1 1 ( a i r b o m ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r ， 简称a i s 1 ) ，随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪，其中有以 线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的固态推扫型，也有以面阵探测 器加光机的并扫型【2 j 。成像光谱仪自问世以来，得到了前所未有的应用，如1 9 8 0 年代末， 由美国喷气推进实验室研制成功的一台具有2 2 4 个波段的航空可见红外成像光谱仪 3 1 ( a i r b o r n ev i s i b l ea n di n f r a r e di m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，简称a v i r i s ) ，在19 9 6 年研制的 d a s i l 4 j ( d i g i t a la r r a ys c a n n e di n t e r f e r o m e t e r s ，数字阵列扫描干涉成像光谱仪) ，1 9 9 9 年 发射的m o d i s 【5 1 ( m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ，中分辨率成像光谱仪) ； 欧共体于2 0 0 1 年发射的c h r i s 嘲( c o m p a c th i g h r e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，小型高 分辨率成像光谱仪) ，2 0 0 2 年发射的m e r i s t 7 l ( m e d i u mr e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o m e t e r ， 中等分辨率成像光谱仪) ；而我国由中国科学院上海技术物理研究所于1 9 9 7 年开始研制成 功的系列化、实用型机载1 2 8 波段可见近红外短波红外热红外模块化成像光谱仪 ( o m i s ) 、机载2 4 4 波段可见近红外推帚式高光谱成像( p h i ) 【8 】以及2 0 0 7 年成功发射的“嫦 娥一号”卫星搭载的干涉成像光谱仪1 9 j 等均见证了成像光谱仪的快速发展过程以及越来越 广泛的应用前景。 1 1 1 成像光谱技术 成像光谱技术经历了从色散型成像光谱技术向干涉型成像光谱技术发展的过程。成像 光谱仪最先出现时，一般都是色散型的。色散型成像光谱仪由于出现时间较早，因此技术 比较成熟，曾一度占据实用化成像光谱仪的主要地位。色散型成像光谱仪使用色散棱镜或 光栅等色散元件将复色光色散分成序列谱线，然后再通过探测器测量每一谱线元的谱线强 度，见图1 1 t 1 0 1 。这种成像光谱仪虽然结构简单，成像直观，但它具有明显的局限性，即 它们的光谱分辨率容易受到狭缝宽度的限制。色散型成像光谱仪的光谱分辨率很难做到 5 n m 以下，如想获得更高的光谱分辨率，则会使光通量显著降低，信噪比也会降得比较 低。 西安工业大学硕士学位论文 随着计算机科学技术的快速发展，出现了计算层析型成像光谱技术1 1 , 1 2 ( c o m p u t e d t o m o g r a p h yi m a g i n gs p e c t r o m e t e r ，简称c t i s ) ，它是一种新型的成像光谱技术，目前还 处 入 ， 出i l l i c i t入簟鬟篁 ( a ) ( b ) 图o 1 色散型成像光谱仪( a ) 棱镜色散，( b ) 光栅色散 于理论和方法研究阶段。把计算层析术( c t ) 应用于成像光谱仪领域的思想早在上世纪 9 0 年代初期就由日本及俄罗斯的学者提出。在此之后，包括我国在内的世界各国科学家 纷纷在该方向上开展研究。现有的c t i s 的基本原理可以概括为：一个沿三维方向分布( - - 维空间和一维光谱) 的多光谱图像数据的立方体，可以压缩或投影成沿二维方向分布( 一 维空间和一维光谱) 的多光谱光学图像序列；这些被压缩的二维多光谱光学图像序列由一 个或多个二维焦平面传感器接收；最后采用c t 重建算法将压缩的二维多光谱光学图像序 列重建为原始目标的光谱图像数据立方体，它的基本原理结构见图1 2 【l3 1 。由于它要求图 像传感器的像元数十分庞大，并且要求计算速度更快的计算机。虽然这种成像光谱技术能 够在瞬间获取目标更高的光通量，由此在未来可能具有很大的发展前景，但现如今受成本 和技术因素的双重影响，短时间内发展这种成像光谱技术还不太容易。 图0 2 计算层析型成像光谱技术原理图 干涉型成像光谱技术介于色散型和计算层析型成像光谱技术之间，也称傅里叶变换成 2 1 绪论 像光谱技术，它基于干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，即对干涉图进行傅里叶变换 可以得到光谱图，对光谱图进行傅里叶变换也可以得到干涉图【1 4 , 1 5 】。这样就在干涉图和光 谱图之间架起了联系的桥梁，这对于成像光谱技术的发展可以说是革命性的。因为根据傅 里叶变换原理制作的干涉成像光谱仪，具有比色散型成像光谱仪更高的光谱分辨率和更高 的能量通过率。与色散型成像光谱仪相比，干涉型成像光谱仪在原来上比色散型成像光谱 仪通量要高2 0 0 倍左右，光利用率提高约1 2 个数量级。干涉型成像光谱技术已经在多方 面得到应用，并成为国际上各国家竞相发展的一项重要核心技术。因此，下面我们就来着 重介绍干涉成像光谱技术。 1 1 2 干涉成像光谱技术 干涉型成像光谱仪从原来上来划分，可以分为两大类。一类是基于迈克尔逊 ( m i c h e l s o n ) 干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪( t e m p o r a r i l ym o d u l a t e di m a g i n g i n t e r f e r o m e t e r y ，简称t m i i ) ，另一类是基于横向剪切干涉仪的空间调制型干涉成像光谱 仪( s p a t i a l l ym o d u l a t e di m a g i n gi n t e r f e r o m e t e r y ，简称s m i i ) 。前者主要是依靠动镜扫描 产生干涉图，后者主要是依靠探测器的阵列扫描产生干涉图。 基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪中，其基本结构需要有一套高度精 密的动镜驱动系统控制动镜匀速、水平移动，以得到时间序列干涉图。因此，这类成像光 谱仪对机械结构的加工精度和传动精度具有非常苛刻的要求。另外，虽然其光谱分辨率可 以达到比较高的水平，但是它的抗震动能力差、实时性不好、成本高。 基于迈克尔逊干涉仪的干涉成像光谱仪其核心部件装置如图1 3 所示【1 6 j 。它使用迈克 尔逊方法，通过动镜的移动，产生目标光谱像元的时间序列干涉图。它的工作原理是，前 置望远系统l l 将待测目标t 成像在透镜l 2 的前焦面s 处，由像面s 上任一像元向前传播 光谱辐射，经透镜l 2 后变成平行光束：平行光束入射到分束器b s 后，光线被分成两束， 一束经分束器饭时候照射在静镜上，另一束透过分束器照射到动镜m 2 上；从动镜和静镜 反射回来的二平行光束，经分束器和透镜l 3 会聚后成像在c c d 探测器上，形成干涉图。 通过动镜的移动，产生目标的时序干涉图。对c c d 探测器上每一像元得到的时序干涉图 进行傅里叶变换，即可得到目标t 的光谱图。若目标发射的光强为i 时，根据迈克尔逊干 涉仪原理，可以得到 ，i ( a ) = 2 r t b o ( o r ) c o s ( 2 z r c r a ) ( 1 1 ) 式中玩p ) 为输入的光束强度，仃为波数，为两束光的光程差。其中r 为光强反射率， t 为光强透射率。 西安工业大学硕士学位论文 c c d 图o 3 基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪原理图 ( 1 1 ) 式即给出了当波数为仃的入射光束，经过迈克尔逊干涉仪后，输入到c c d 图 像传感器上的光强，随光程差的变换规律，并把其定义为干涉图。该干涉图是理想情况 下的干涉图表达式，而实际中所得的干涉强度除了受光源辐射强度风p ) 的影响外，还与 分束器性质、探测器光谱响应、前置光学系统、电子线路等多种因素有关。因此，对于实 测的干涉图，还需要增加一项修正因子h ( a ) ，且0 ( a ) l 。由此，式( 1 1 ) 可改写 为 ，( ) = 2 r t h ( t r ) b o ( a ) e o s ( d r a a ) ( 1 2 ) 对于一个确定的成像光谱仪系统，一般情况下r 、t 和玩p ) 均保持不变，则上式可 以简化为 s ( a ) = b ( a ) c o s ( d r a a ) ( 1 - 3 ) 式中b p ) = 2 r t h ( a ) b o ( a ) ，它是光源频率的函数。 ( 1 1 ) 式是理想干涉图的表达式，即在入射光为理想单色光的条件下得到的，但由 于不存在理想的单色光，因此，实际干涉图的表达式需要通过积分得到，即有 巴 i ( a ) = id i ( a ) = ib ( o r ) c o s ( d r a a ) d o - 。 二 ( 1 4 ) 考虑到干涉图是实函数，且；( c r ) 为偶函数，因此还可以把( 1 - 4 ) 式中的余弦变换用 复数形式代替，这样就得到了干涉图和光谱图之间的表达式： ，( ) = 陋( ) = f b ( t r ) e t 2 口a r a d a - 一( 1 5 ) b ( 仃) = 归( 仃) = e 舭) e , 2 o a d a ( 1 6 ) 这样，根据傅里叶变换，我们就可以得到干涉图s ( a ) 和光谱图8 ( o - ) 之间的对应关系。 当得到一处目标的干涉图时，通过式( 1 5 ) 和( 1 6 ) ，利用计算机做辅助计算，我们就能 通过傅里叶变换得到它的光谱图；同样，当已知目标的光谱图时，通过傅里叶逆变换同样 4 1 绪论 可以得到它的干涉图。 国际上比较早的时间调制干涉光谱仪主要有，由g s f c ( n a s ag o d d a r ds p a c ef l i g h t c e n t e r ，n a s a 空间飞行中心) 于1 9 6 9 年研制的i r i s b t l 7 j ( i n f r a r e di n t e r f e r o m e t e r s p e c t r o m e t e rb ) ，它的光谱响应范围为5p m 2 5p m ，光谱分辨率为5 c m 。( 经过切趾处 理后) ；美国喷气推进实验室j p l 于1 9 8 5 年、1 9 9 1 年、1 9 9 3 年、1 9 9 4 年先后四次发射的 a t m o s i l 剐( a t m o s p h e r i ct r a c em o l e c u l es p e c t r o s c o p y ) ，它的光谱响应范围也是 5 a m , - , 2 5p m ，光谱分辨率则为o o l c m 1 ；2 0 0 4 年美国发射了a u r a 卫星，上面搭载了t e s t l 9 1 ( t r o p o s p h e r i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t e r ) ，它的光谱范围为3 2 p m 1 5 。4 p m ，光谱分辨率能 达到0 0 2 5 0 1 c r n 1 。除此之外，多个发达国家如法国、加拿大、德国、日本等国都进行 了时间调制干涉成像光谱仪的研究。 时间调制型干涉成像光谱仪优点在于容易获得较宽的光谱信息以及高的光谱分辨率， 特别适合于远红外光谱的测量。但它在成像时，需要进行二维扫描，探测器的积分时间相 对较短，不利于信噪比的提高。并且由于目标面像元的干涉图是通过时间调制获得的，所 以不能测量迅速变化的空间和光谱，而只能测量不随时间变化或缓慢变化光谱。基于时间 调制干涉成像光谱仪的这些缺点的存在，国际上逐渐催生了空间调制型干涉成像光谱仪的 发展。 上世纪9 0 年代以来，空间调制型干涉成像光谱技术的出现，很好的解决了时间调制 型干涉成像光谱仪的缺点，在大大降低制造成本的同时，还能使其具有能探测的波段更宽、 抗振性能更佳、体积更小及更稳定可靠等优点。 基于横向剪切干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪，按照分光元件的不同可以分为 两种类型：一种是以变形的s a g n a c 干涉仪为分光元件【2 0 l ，另一种是以双折射晶体为分光 元件1 4 ，2 l 】。这类成像光谱仪系统中没有运动部件，稳定性强，实时性好，因此又被称为无 动镜干涉成像光谱技术。 图1 4 ( a ) 是基于s a g n a c 干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪光学系统图【2 0 1 。该系统 包括6 大部分：前置光学系统l ，变形的s a g n a c 干涉仪，傅里叶变换透镜f t l ，柱面镜 c l ，面阵探测器d 以及图像采集系统。它的原理是，目标被前置光学系统成像于傅里叶 透镜f t l 的前焦面，一个狭缝位于前焦面处垂直纸面，它经过s a g n a c 干涉仪后形成两个 分离的狭缝虚像，由于这两个狭缝像位于傅里叶透镜的前焦面处，因此通过傅里叶透镜后 的光就成为两束有一定夹角的平行光束，经柱面镜c l 后狭缝方向上产生会聚。同时将面 阵探测器c c d 置于f t l 和c l 的共同焦面上，它的行垂直于狭缝方向，由此每一行代表 了狭缝上不同位置点的干涉图。 图1 4 ( b ) 是s a g n a c 型空间调制干涉仪的等效光路图 2 0 l 。s l 、s 2 表示狭缝的宽度， 并且它们的方向相同，间距为d ，图中没有画出柱面镜c l 。此时，探测器o 点的光程差 为零，则任一点p 的光程差为 5 西安工业大学硕十学位论文 ( a )( b ) 图o 4 基于s a g n a c 干涉仪的空间调制成像光谱仪原理图 a = d s i n 0 = y a 如 f17 、 式中为傅里叶变换透镜的焦距，y 为探测器上距零光程差点的距离。 对于复色光，当波数范围为a c t = 仃：一仃，时，探测上得到的干涉图可表示为 仃20 2 ，( ) = f 勿( ) =fb ( 仃) p 2 砌d 仃=fb ( 仃) p i 2 z a y d 7 ，m 拈 一a iq ( 1 8 ) 基于s a g n a c 干涉仪的空间调制干涉成像光谱仪中，狭缝的大小和形状只对像的空间 分辨率有影响，而对光谱分辨率没有影响，所以可以使视场角增大，提高光通量。另外， 由于两束光沿相同路径反向传播，因此可以很好的屏蔽外界干扰和振动对干涉仪的影响。 基于s a g n a c 干涉仪的成像光谱仪还有一个突出优点，即它不须移动任何光学元件便能同 时获得一幅完整的像元辐射干涉图。所以，它的结构紧凑、成本较低、并适合用于运动物 体或瞬变光源的光谱测量。 以双折射晶体为分光元件的干涉成像光谱仪是利用双折射偏振的干涉方法，在垂直狭 缝的方向上同时产生目标像元辐射的整幅干涉图。它的基本原来如图1 5 【2 l 】所示，目标光 源o 发出的光，依次经过前置光学系统l 、狭缝s 、透镜l l 、起偏器p l 、渥拉斯顿( w o l l a s t o n ) 棱镜、透镜l 2 、柱面透镜c l ，最后在面阵探测器d 上得到干涉图。 前置光学成像系统l ，将目标物面垂直推扫方向的一条线成像在双折射干涉仪的入射 狭缝s 上，进入s 的光谱辐射，经第一个透镜l l 准直和起偏器p l 后，偏振光入射到渥 拉斯顿棱镜上。它将入射线偏振光分解为两个彼此正交的偏振分量寻常光分量和非寻 常光分量，此二分量在渥拉斯顿棱镜内传播的光程不同。检偏器p 2 将从渥拉斯顿棱镜出 射的二正交线偏振光束复合成同一方向偏振的偏振光。复合光束通过由球面透镜l 2 和柱 面透镜c l 构成的成像系统，在面阵探测器d 垂直狭缝s 方向产生狭缝上对应像元的干 涉图。同时，在平行于s 的方向上，产生该狭缝的像。 6 1 绪论 基于双折射干涉仪的干涉成像光谱仪中，狭缝的大小和形状也是只确定成像的空间分 辨率，而不影响光谱分辨率，因此光通量也可以很大。该类型装置属共光路干涉仪，因此 其具有较强的抗外界振动能力。但它也存在着分辨能力有限、光学系统结构复杂等缺点。 煮 睁一，： o篱 上 t s ji | j、 l 、 卜 ， l l i p 1 t 0 1 1 a s t o np 2 图o 5 基于双折射晶体的干涉成像光谱仪原理图 d 国际上空间调制型干涉成像光谱仪也得到了很大的应用。1 9 9 3 年，美国n a s a 研制 了数字阵列扫描干涉仪【4 】( d i g i t a la r r a ys c a n n e di n t e r f e r o m e t e r ，简称d a s i ) ，该成像光谱 仪采用了基于偏振双折射棱镜横向剪切干涉仪( 即w o l l a s t o n 棱镜) 的形式，其光谱范围 是覆盖可见光的0 4 p m 1 0 m 以及近红外的1 1j l l m 2 2 t m ，视场角为5 0 ，光谱分辨率 为3 0 0 c m - 1 ；同年，美国h a w a i i 大学和f l o r i d a 工学院，合作研制了一台地面用s a g n a c 型 干涉成像光谱仪样机，一般称之为空间调制成像傅里叶变换光谱仪1 2 2 j ( s p a t i a l l y m o d u l a t e d i m a g i n gf o u r i e rt r a n s f o r l i ls p e c t r o m e t e r s ，简称s m i f t s ) ，它的光谱测量范围为 1 0 p m 5 0 p m ，光谱分辨率1 0 0 1 0 0 0c m ，该仪器奠定了星载干涉成像光谱仪的基础； 1 9 9 5 年，美国k e s t r e l 公司与f l o r i d a 工学院等合作，研制了机载傅里叶变换可见光高光 谱成像光谱仪l 2 3 1 ( f o u r i e rt r a n s f o r mv i s i b l eh y p e r s p e c t r a li m a g e r ，简称f t v h s i ) ，它于1 9 9 5 年开始加工，1 9 9 6 年完成加工并测试后得到了令人满意的结果。它的光谱测量范围是 o 4 4 p m 1 1p m ，包含2 5 6 个光谱通道，视场角为1 5 0 ，瞬时视场角为o 8m r a d ，数据传 输速率为1 5 m b t s ，采用了1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素的面阵c c d 探测器。 空间调制干涉成像光谱仪尽管具有多种优点，并且在多个国家得到研究和应用，但由 于它还存在着狭缝，这会降低进入光谱仪的光通量。因此，我国的相里斌、张淳民等人提 出了新型偏振干涉成像光谱仪技术，这为干涉成像光谱技术的发展注入了新的活力。 7 西安工业大学硕士学位论文 2 显微干涉成像光谱技术的理论研究 2 1 显微成像光谱仪 由于显微成像光谱仪技术的飞速发展，世界各国的科学家们已经研制了很多种采用不 同技术手段的显微成像光谱仪方案。不同的技术手段主要区别于光谱分光方式上。根据成 像光谱中分光原理的不同可以分为两大类：第一类是色散分光型，包括光栅型、棱镜型和 滤光片分光型；第二类是干涉分光型，主要包括基于m i c h e l s o n 干涉仪的动镜型和基于变 形s a g n a c 干涉仪的空间调制型。 ( 1 ) 基于光栅棱镜光栅组合分光的显微成像光谱技术 图2 1 所示为上海技术物理研究所的研究人员设计和研制的一种显微高光谱成像仪 的原理图，它是基于光栅棱镜光栅分光方式的【2 3 j 。该系统的光谱范围为4 0 0 - - 8 0 0 n m ， 谱段数为1 2 0 个，光谱分辨率小于5 n m ，空间分辨率达到1 1 2 5 9 m 。 黪 c c d 探测器 组什 支术 的样品条带通过显微镜 南带方向上按光谱色散， l 维，垂直于狭缝的一维 ：谱波段的像，面阵c c d i 动装置推扫样品，便可 棱镜、光栅分光是一于棱镜或光栅分光的光 谱仪器的主要缺点是系j狭缝越窄，光谱分辨率 越高，但是系统接收的1 ( 2 ) 基于线性可变 夏理图。它由显微镜、线 性可变干涉滤光片、微j 机六大部分组成【2 4 1 。其 原理是，光源发出的光笺 吾的物光经过显微物镜、 2 显微干涉成像技术的光谱研究 半透半反镜、4 5 0 棱镜和目镜，人眼即可观察，或者通过成像物镜和线性可变干涉滤光片 成像在c c d 摄像头的感光面上，c c d 摄像头的输出连接图像采集卡，图像采集卡和计 算机连接。 线性可调滤光片是一种新型的分光方式，该仪器的结构设计相对简单。当然存在的主 要问题是透光效率低、光谱范围十分有限、光谱分辨率低，同时波长调谐时存在像移。 移动控制平台 光源 【c c d 布廿移l 线r e 丌j - 变 一滤光片 物镜 念晋饔 二j 折转棱镜 i 显微 i 物镜 塑纛搀 一鼻乳 刃t t 图2 2 基于线性可变滤光片的显微光谱技术 ( 3 ) 基于动镜型干涉仪的显微成像光谱技术 图2 3 是基于m i c h e l s o n 动镜型干涉仪的显微成像光谱仪的结构原理图。由样品点出 射的光，经过显微物镜和半透半反镜进入m i c h e l s o n 干涉仪。由于动镜的循环往复运动， 所以可在c c d 探测器光敏面上得到随时间变化的干涉图，通过对干涉图的傅里叶变换就 可以复原出光谱信息。 在该系统中，由于系统的最大光程差决定光谱分辨率，因此具有很高的光谱分辨率。 另外，由于不含狭缝，光能利用率高。缺点是：由于只有动镜在循环运动一个周期后才能 得到一个完整的干涉图对其进行变换处理，所以并不适于快速变化的光谱测量；要求动镜 匀速运动，对晃动、倾斜等参数要求很严格，所以该系统不适合应用于现场实地检测。 载 物 厶 rl 图2 3 基于动镜型干涉仪的显微成像光谱技术 ( 4 ) 基于线阵针孔推扫的激光扫描共焦显微成像光谱仪l p l c s m i s 技术 图2 4 是基于s a g n a c 干涉仪的显微成像光谱仪的结构原理图。在该系统中，s a g n a c 干 涉仪通过分束器横向剪切每一束光线，得到两束互相平行且具有一定光程差的光线；在 9 西安工业大学硕士学位论文 c c d 光敏面上将两束光线收集在一个点上，产生干涉图；通过推扫载物台，对每一行样 品进行分析；最后再通过傅里叶变换复原出光谱信息。 在该装置中，由于没有运动部件，因此具有良好的稳定性和可靠性，适合于野外现场 工作；虽然它与色散型分光方式一样，都依靠一个狭缝来实现推扫方向的空间分辨，但其 光谱分辨率与狭缝宽度无关，因此可以在空间分辨率允许的情况下，加宽狭缝，从而增大 视场角、提高能量利用率。该结构的缺点是，由于其光谱分辨率由最大光程差决定，而最 大光程差由设计时横向剪切仪的剪切量决定，因此限制了该方案的光谱分辨率。 卜、 r 一 。、 r s a g n a c t 涉仪 钱 物 厶 ii 图2 4 基于线阵针孔推扫的激光扫描共焦显微成像光谱仪l p l c s m i s 技术 ( 5 ) 基于s a g n a c 干涉仪的显微成像光谱技术 图2 5 所示，系统分为空间调制型成像光谱光学子系统和共焦显微光学子系统。线阵 检测针孔阵列既位于共焦显微子系统中的线阵光源针孔阵列的共焦位置，又位于成像光谱 子系统中的傅里叶透镜的前焦面，所以它既是显微系统的像面，又是成像光谱系统的物面。 在线阵检测针孔位置所成的样品点的像被分束器在傅里叶透镜的前焦面横向剪切为两个 虚像，它们经过傅里叶透镜，最后通过柱面镜在c c d 探测器上收集后发生干涉，得到干 涉图。最后通过对干涉图的变换，复原出样品点的光谱信息。 分束器 由阡： 图2 5 基于s a g n a c 干涉仪的显微成像光谱技术 l o 2 显微干涉成像技术的光谱研究 2 2 基于s a v a r t 干涉仪的显微成像光谱技术 2 2 1 基于s a v a r t 干涉仪的显微成像光谱技术的原理 图2 6 显微偏振干涉成像光谱仪原理图 显微偏振干涉成像光谱仪由显微镜系统、偏振器p l 、萨伐尔偏光镜、分析器p 2 、收 集镜和数据处理系统组成，其原理如图2 6 所示。目标经由前置光学系统即显微镜系统入 射到偏振器p l