干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

　　1　引　言

　　计算层析成像光谱仪(computed_tomographyimaging spectrometer)简称CTIS,是近年来倍受人们重视的新型成像光谱仪技术。与当前受到普遍重视的另一种高光谱分辨率成像光谱仪技术即傅里叶变 换成像光谱仪(FTIS)相比较,CTIS在瞬间可利用的目标光通量更高,因此更易于制作成高灵敏度或快门式(snapshots)的成像光谱系统。

　　把计算层析术(CT)应用于成像光谱仪领域的思想早在20世纪90年代初期就由日本及俄罗斯的学者提出[1,2]。在此之后,包括我国在内的世 界各国科技工作者纷纷在该方向上开展研究[1—7]。现有的CT成像光谱仪的基本原理可以概括为:一个沿三维方向分布(二维空间和一维光谱)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 阵列传感器接收;采用CT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。

　　迄今为止,国际上公布的CT成像光谱仪的实现方案有多种,例如:景物旋转方式、光学棱镜或色散部件旋转方式、仪器整体旋转方式以及二元平面光栅 (或一维组合光栅)分束投影方式等等。其中,采用旋转投影方式的CTIS的共同特点是在光路中采用一套一维色散元件以及光学狭缝,因此它们的光谱分辨率受 到狭缝宽度的制约。另一种是采用二元平面光栅分束投影结构的CTIS,虽然不需要光学狭缝,但它也存在另一些致命的缺陷:其投影角度数量有限,以及投影角 度存在盲区,即所谓的“锥失”(missing cones )现象,因此该类系统的光谱及空间分辨率是非常有限的,只适合于某特殊场合的使用。

　　为了实现高光谱分辨率的CTIS系统,本文提出一种干涉型计算层析成像光谱仪模型即CTII(computed_tomography imaging interferometer)模型。该模型把传统空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪的(CTIS)原理巧妙结合, 因此可以实现高光通量、高光谱分辨率以及高空间分辨率。

　　2　系统原理

　　CTII的工作原理可根据图1进行说明。该系统主要由物镜、目标旋转、目标投影、干涉结构、焦平面探测器、快速傅里叶变换(FFT)光谱重建以 及CT投影重建算法等部分组成。与普通CTIS相比较,CTII用干涉结构取代了色散结构,因此整个系统在普通CTIS的基础上又增加了一个傅里叶变换环 节,用以把干涉图案转变为色散图案。与传统的傅里叶变换成像光谱仪相比较,CTII的FFT过程针对的是经过旋转投影的干涉图案序列,因此由FFT得到的 结果还不是最终所需要的目标光谱图像,而是旋转投影图案的光谱图案序列。此外,在傅里叶变换成像光谱仪中,一般都需要使用光学狭缝来取得所要求的空间分辨 率,因此光通量受狭缝宽度限制;而在CTII中无需使用光学狭缝,因此可以充分利用被测目标的光能。此外需要注意,图1的图像旋转角度在0至180°范围 内变化,以形成离散的旋转图像序列,其步长将影响到光谱图像的重建精度(图1仅给出4个角度),可根据实际情况进行选取。干涉光学系统可以采用目前在傅里 叶变换成像光谱仪中流行的空间调制式干涉结构,例如Sagnac结构或其变体、偏振干涉结构等。