光譜成像中傅里葉變換光學系統專利分析

謝璐雯

摘 要：光譜儀器是分析物質組成部分以及結構強有力的工具，在環境檢測、化學分析、生物醫學、國防和光電子功能材料等科研領域都有著廣泛應用。而其中傅里葉變換光學系統又是光譜成像領域中一種常見的類型。文章通過對世界和國內范圍內的傅里葉變換光譜成像系統專利申請具體分布、申請態勢以及申請人進行了分析，總結了幾種典型的光譜成像中傅里葉光學系統，為光譜儀器的研發提供參考依據。

關鍵詞：傅里葉；光譜成像；光譜儀；干涉；專利

中圖分類號：TP751 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0084-03

光譜成像中的傅里葉變換光學系統采用雙光束干涉原理，使相干光束間的相位差連續變換，同步地記錄下中央條紋的光強變化曲線——干涉圖，然后對其進行傅里葉變換而獲得光譜圖[1]。在大多數傅里葉變換光譜儀商品儀器和實驗裝置中，都采用邁克爾遜（Michelson）干涉儀對入射光束進行頻率調制，獲取干涉圖。

1 光譜成像中傅里葉光學系統的發展

較早的成像光譜儀有法國太空空間與戰略系統分部于1991年研制出的邁克爾遜干涉型時間調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間調制傅里葉變換成像光譜儀，其由一個分束器、一個固定的平面反射鏡和一個掃描平面反射鏡構成；動鏡和定鏡正交，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，也出現了基于平面鏡掃描的傅里葉變換光譜成像系統[2]，其結構大致如圖1所示。這種干涉儀的性能主要取決于動鏡對分束器所成虛像與定鏡是否嚴格保存平行。傅里葉變換光譜儀具有高光譜分辨率、高通量、多通道等問題等優點。然而存在動鏡在掃描過程中的傾斜問題。

繼而又出現了一種采用轉鏡或擺鏡代替做直線運動的動鏡，如圖2所示，通過轉動或擺動分束器或平面鏡實現光束干涉，這種方法可以消除平面動鏡傾斜帶來的誤差，而且提高了穩定性和可靠性，缺點是產生的光程差與轉角為非線性關系，仍然只適用用于低分辨率的光譜儀。且轉鏡旋轉時僅在一定角度內可獲得干涉光譜圖，而在其他角度為空掃。工作效率低，只能對單像素取樣，即只能對點目標掃描，只能應用于一個角度光線的掃描。

類似地，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鏡的傾斜問題，缺點是存在橫向偏移問題而限制了其應用。其次，還可以使用動態校正伺服系統，提高其分辨率，擔其都機械精度高，系統較復雜。

2 專利文獻分析

2.1 申請量的區域分布

其中DE代表德國，US代表美國，EP代表歐洲專利局，JP代表日本，RU代表俄羅斯，FR代表法國，KR代表韓國，GB代表英國，CN代表中國。由圖4可知，光譜成像中的傅里葉變換光學系統的專利申請主要分布在中國、日本以及美國。其中，中國的申請量最多，高達198件，其次是日本、美國。

2.2 國內外主要地區申請量的分布

中國、日本和美國地區關于光譜成像中傅里葉變換光學系統的不同年代申請量的分布圖，如圖5所示。

從圖中可以看出，在日本和美國，基于傅里葉變換的光譜成像技術起步早，發展趨勢平緩。而在中國，該技術起步比較晚，主要集中在2003年-2014年間，且從2010年起，申請量激增。可見，近幾年，基于傅里葉變換的光譜成像技術在國內是研究熱點。

2.3 申請人分析

進一步地，本文還分別針對國外和國內區域申請人進行統計分別參見表1，表2。從表1可以看出，在國外，該技術領域專利的申請人主要分布在美國和日本的大型企業以及美國的杜克大學。可見，經過幾十年的發展，基于傅里葉變換系統的光譜成像技術在國外已經走向商業化。其次，從申請人排名和國別上也可以看出，主要申請人分布在美國和日本地區，與之前區域分布統計的結果一致。

而從表2中看出，在中國地區，雖然專利申請量比較大，但是主要的申請人分布在科研機構和院校中，主要包括中國科學學院西安光學精密機械研究所、科學院上海物理研究所和中國科學院長春光學精密機械與物理研究所。這也一定程度上反映出，在國內該技術還處于科研機構的研究和嘗試階段，并沒有走向成熟的商業化。

以上通過對光譜成像中傅里葉變換光學系統的專利申請分布從區域分布，國內外申請量隨年代分布以及國內外主要申請人三個方面進行分析可知，基于傅里葉變換的光譜成像技術在國外起源早，尤其是在日本和美國地區，該技術發展成熟，已經成功走向商業化。而在國內，關于傅里葉變換光譜成像的專利申請量總量大，雖然該光譜成像技術研究起步晚，主要集中在研究所和院校中，但是近年來出現一個研究熱潮。

3 結 語

本文對光譜成像中傅里葉變換光學系統的原理及發展進行了簡要的介紹，分析了其專利申請在各地區的分布情況，國內外的發展情況以及國內外主要申請人分布情況。

從上述分析可知，該技術在國外起步早，且已經成熟的走向商業化，發展趨勢平穩。而在國內，該技術研究起步晚，目前還處于研究所和高校的研究階段。因而要想將該技術實現商業化，國內企業需要在國外成熟技術的基礎上，克服制造工藝、精度方面的技術難點以達到技術創新。不過近幾年，該技術的專利申請量高速增長，已經成為研究的熱點，其發展前景仍然是可觀的。

參考文獻：

[1] 林中，范世福.光譜儀器學[M].北京：機械工業出版社，1989.

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