光譜成像中傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)專(zhuān)利分析

謝璐雯

摘 要：光譜儀器是分析物質(zhì)組成部分以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)有力的工具，在環(huán)境檢測(cè)、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防和光電子功能材料等科研領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。而其中傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)又是光譜成像領(lǐng)域中一種常見(jiàn)的類(lèi)型。文章通過(guò)對(duì)世界和國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)的傅里葉變換光譜成像系統(tǒng)專(zhuān)利申請(qǐng)具體分布、申請(qǐng)態(tài)勢(shì)以及申請(qǐng)人進(jìn)行了分析，總結(jié)了幾種典型的光譜成像中傅里葉光學(xué)系統(tǒng)，為光譜儀器的研發(fā)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：傅里葉；光譜成像；光譜儀；干涉；專(zhuān)利

中圖分類(lèi)號(hào)：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0084-03

光譜成像中的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)采用雙光束干涉原理，使相干光束間的相位差連續(xù)變換，同步地記錄下中央條紋的光強(qiáng)變化曲線(xiàn)——干涉圖，然后對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換而獲得光譜圖[1]。在大多數(shù)傅里葉變換光譜儀商品儀器和實(shí)驗(yàn)裝置中，都采用邁克爾遜（Michelson）干涉儀對(duì)入射光束進(jìn)行頻率調(diào)制，獲取干涉圖。

1 光譜成像中傅里葉光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展

較早的成像光譜儀有法國(guó)太空空間與戰(zhàn)略系統(tǒng)分部于1991年研制出的邁克爾遜干涉型時(shí)間調(diào)制空間成像傅里葉變換光譜儀，Bennett 等人于1993年提出邁克而干涉儀的時(shí)間調(diào)制傅里葉變換成像光譜儀，其由一個(gè)分束器、一個(gè)固定的平面反射鏡和一個(gè)掃描平面反射鏡構(gòu)成；動(dòng)鏡和定鏡正交，它們于分束器的夾角均為45 °；分束器與入射光束的夾角也為45 °。

隨后，也出現(xiàn)了基于平面鏡掃描的傅里葉變換光譜成像系統(tǒng)[2]，其結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。這種干涉儀的性能主要取決于動(dòng)鏡對(duì)分束器所成虛像與定鏡是否嚴(yán)格保存平行。傅里葉變換光譜儀具有高光譜分辨率、高通量、多通道等問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。然而存在動(dòng)鏡在掃描過(guò)程中的傾斜問(wèn)題。

繼而又出現(xiàn)了一種采用轉(zhuǎn)鏡或擺鏡代替做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)鏡，如圖2所示，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)分束器或平面鏡實(shí)現(xiàn)光束干涉，這種方法可以消除平面動(dòng)鏡傾斜帶來(lái)的誤差，而且提高了穩(wěn)定性和可靠性，缺點(diǎn)是產(chǎn)生的光程差與轉(zhuǎn)角為非線(xiàn)性關(guān)系，仍然只適用用于低分辨率的光譜儀。且轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)僅在一定角度內(nèi)可獲得干涉光譜圖，而在其他角度為空掃。工作效率低，只能對(duì)單像素取樣，即只能對(duì)點(diǎn)目標(biāo)掃描，只能應(yīng)用于一個(gè)角度光線(xiàn)的掃描。

類(lèi)似地，還可以使用貓眼鏡（cats-eye retroreflector）或角反射體（cube-corner mirrors）代替平面鏡，如圖3所示。如果貓眼鏡或角反射體各方面的性能都在很理想的情況下，就可以很好解決平面動(dòng)鏡的傾斜問(wèn)題，缺點(diǎn)是存在橫向偏移問(wèn)題而限制了其應(yīng)用。其次，還可以使用動(dòng)態(tài)校正伺服系統(tǒng)，提高其分辨率，擔(dān)其都機(jī)械精度高，系統(tǒng)較復(fù)雜。

2 專(zhuān)利文獻(xiàn)分析

2.1 申請(qǐng)量的區(qū)域分布

其中DE代表德國(guó)，US代表美國(guó)，EP代表歐洲專(zhuān)利局，JP代表日本，RU代表俄羅斯，F(xiàn)R代表法國(guó)，KR代表韓國(guó)，GB代表英國(guó)，CN代表中國(guó)。由圖4可知，光譜成像中的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要分布在中國(guó)、日本以及美國(guó)。其中，中國(guó)的申請(qǐng)量最多，高達(dá)198件，其次是日本、美國(guó)。

2.2 國(guó)內(nèi)外主要地區(qū)申請(qǐng)量的分布

中國(guó)、日本和美國(guó)地區(qū)關(guān)于光譜成像中傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的不同年代申請(qǐng)量的分布圖，如圖5所示。

從圖中可以看出，在日本和美國(guó)，基于傅里葉變換的光譜成像技術(shù)起步早，發(fā)展趨勢(shì)平緩。而在中國(guó)，該技術(shù)起步比較晚，主要集中在2003年-2014年間，且從2010年起，申請(qǐng)量激增?？梢?jiàn)，近幾年，基于傅里葉變換的光譜成像技術(shù)在國(guó)內(nèi)是研究熱點(diǎn)。

2.3 申請(qǐng)人分析

進(jìn)一步地，本文還分別針對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)區(qū)域申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分別參見(jiàn)表1，表2。從表1可以看出，在國(guó)外，該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠纳暾?qǐng)人主要分布在美國(guó)和日本的大型企業(yè)以及美國(guó)的杜克大學(xué)?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，基于傅里葉變換系統(tǒng)的光譜成像技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)走向商業(yè)化。其次，從申請(qǐng)人排名和國(guó)別上也可以看出，主要申請(qǐng)人分布在美國(guó)和日本地區(qū)，與之前區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)的結(jié)果一致。

而從表2中看出，在中國(guó)地區(qū)，雖然專(zhuān)利申請(qǐng)量比較大，但是主要的申請(qǐng)人分布在科研機(jī)構(gòu)和院校中，主要包括中國(guó)科學(xué)學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、科學(xué)院上海物理研究所和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所。這也一定程度上反映出，在國(guó)內(nèi)該技術(shù)還處于科研機(jī)構(gòu)的研究和嘗試階段，并沒(méi)有走向成熟的商業(yè)化。

以上通過(guò)對(duì)光譜成像中傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)分布從區(qū)域分布，國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)量隨年代分布以及國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)人三個(gè)方面進(jìn)行分析可知，基于傅里葉變換的光譜成像技術(shù)在國(guó)外起源早，尤其是在日本和美國(guó)地區(qū)，該技術(shù)發(fā)展成熟，已經(jīng)成功走向商業(yè)化。而在國(guó)內(nèi)，關(guān)于傅里葉變換光譜成像的專(zhuān)利申請(qǐng)量總量大，雖然該光譜成像技術(shù)研究起步晚，主要集中在研究所和院校中，但是近年來(lái)出現(xiàn)一個(gè)研究熱潮。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)光譜成像中傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的原理及發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，分析了其專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)诟鞯貐^(qū)的分布情況，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況以及國(guó)內(nèi)外主要申請(qǐng)人分布情況。

從上述分析可知，該技術(shù)在國(guó)外起步早，且已經(jīng)成熟的走向商業(yè)化，發(fā)展趨勢(shì)平穩(wěn)。而在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)研究起步晚，目前還處于研究所和高校的研究階段。因而要想將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，國(guó)內(nèi)企業(yè)需要在國(guó)外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，克服制造工藝、精度方面的技術(shù)難點(diǎn)以達(dá)到技術(shù)創(chuàng)新。不過(guò)近幾年，該技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量高速增長(zhǎng)，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)，其發(fā)展前景仍然是可觀的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林中，范世福.光譜儀器學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[2] 金玉希.黃梅珍，施嫚嫚.傅立葉變換光譜儀現(xiàn)狀及其微型化進(jìn)展[J].現(xiàn) 代科學(xué)儀器，2010，（6）.