光谱成像中傅里叶变换光学系统专利分析

谢璐雯

摘 要：光谱仪器是分析物质组成部分以及结构强有力的工具，在环境检测、化学分析、生物医学、国防和光电子功能材料等科研领域都有着广泛应用。而其中傅里叶变换光学系统又是光谱成像领域中一种常见的类型。文章通过对世界和国内范围内的傅里叶变换光谱成像系统专利申请具体分布、申请态势以及申请人进行了分析，总结了几种典型的光谱成像中傅里叶光学系统，为光谱仪器的研发提供参考依据。

关键词：傅里叶；光谱成像；光谱仪；干涉；专利

中图分类号：TP751 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0084-03

光谱成像中的傅里叶变换光学系统采用双光束干涉原理，使相干光束间的相位差连续变换，同步地记录下中央条纹的光强变化曲线——干涉图，然后对其进行傅里叶变换而获得光谱图[1]。在大多数傅里叶变换光谱仪商品仪器和实验装置中，都采用迈克尔逊（Michelson）干涉仪对入射光束进行频率调制，获取干涉图。

1 光谱成像中傅里叶光学系统的发展

较早的成像光谱仪有法国太空空间与战略系统分部于1991年研制出的迈克尔逊干涉型时间调制空间成像傅里叶变换光谱仪，Bennett 等人于1993年提出迈克而干涉仪的时间调制傅里叶变换成像光谱仪，其由一个分束器、一个固定的平面反射镜和一个扫描平面反射镜构成；动镜和定镜正交，它们于分束器的夹角均为45 °；分束器与入射光束的夹角也为45 °。

随后，也出现了基于平面镜扫描的傅里叶变换光谱成像系统[2]，其结构大致如图1所示。这种干涉仪的性能主要取决于动镜对分束器所成虚像与定镜是否严格保存平行。傅里叶变换光谱仪具有高光谱分辨率、高通量、多通道等问题等优点。然而存在动镜在扫描过程中的倾斜问题。

继而又出现了一种采用转镜或摆镜代替做直线运动的动镜，如图2所示，通过转动或摆动分束器或平面镜实现光束干涉，这种方法可以消除平面动镜倾斜带来的误差，而且提高了稳定性和可靠性，缺点是产生的光程差与转角为非线性关系，仍然只适用用于低分辨率的光谱仪。且转镜旋转时仅在一定角度内可获得干涉光谱图，而在其他角度为空扫。工作效率低，只能对单像素取样，即只能对点目标扫描，只能应用于一个角度光线的扫描。

类似地，还可以使用猫眼镜（cats-eye retroreflector）或角反射体（cube-corner mirrors）代替平面镜，如图3所示。如果猫眼镜或角反射体各方面的性能都在很理想的情况下，就可以很好解决平面动镜的倾斜问题，缺点是存在横向偏移问题而限制了其应用。其次，还可以使用动态校正伺服系统，提高其分辨率，担其都机械精度高，系统较复杂。

2 专利文献分析

2.1 申请量的区域分布

其中DE代表德国，US代表美国，EP代表欧洲专利局，JP代表日本，RU代表俄罗斯，FR代表法国，KR代表韩国，GB代表英国，CN代表中国。由图4可知，光谱成像中的傅里叶变换光学系统的专利申请主要分布在中国、日本以及美国。其中，中国的申请量最多，高达198件，其次是日本、美国。

2.2 国内外主要地区申请量的分布

中国、日本和美国地区关于光谱成像中傅里叶变换光学系统的不同年代申请量的分布图，如图5所示。

从图中可以看出，在日本和美国，基于傅里叶变换的光谱成像技术起步早，发展趋势平缓。而在中国，该技术起步比较晚，主要集中在2003年-2014年间，且从2010年起，申请量激增。可见，近几年，基于傅里叶变换的光谱成像技术在国内是研究热点。

2.3 申请人分析

进一步地，本文还分别针对国外和国内区域申请人进行统计分别参见表1，表2。从表1可以看出，在国外，该技术领域专利的申请人主要分布在美国和日本的大型企业以及美国的杜克大学。可见，经过几十年的发展，基于傅里叶变换系统的光谱成像技术在国外已经走向商业化。其次，从申请人排名和国别上也可以看出，主要申请人分布在美国和日本地区，与之前区域分布统计的结果一致。

而从表2中看出，在中国地区，虽然专利申请量比较大，但是主要的申请人分布在科研机构和院校中，主要包括中国科学学院西安光学精密机械研究所、科学院上海物理研究所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。这也一定程度上反映出，在国内该技术还处于科研机构的研究和尝试阶段，并没有走向成熟的商业化。

以上通过对光谱成像中傅里叶变换光学系统的专利申请分布从区域分布，国内外申请量随年代分布以及国内外主要申请人三个方面进行分析可知，基于傅里叶变换的光谱成像技术在国外起源早，尤其是在日本和美国地区，该技术发展成熟，已经成功走向商业化。而在国内，关于傅里叶变换光谱成像的专利申请量总量大，虽然该光谱成像技术研究起步晚，主要集中在研究所和院校中，但是近年来出现一个研究热潮。

3 结 语

本文对光谱成像中傅里叶变换光学系统的原理及发展进行了简要的介绍，分析了其专利申请在各地区的分布情况，国内外的发展情况以及国内外主要申请人分布情况。

从上述分析可知，该技术在国外起步早，且已经成熟的走向商业化，发展趋势平稳。而在国内，该技术研究起步晚，目前还处于研究所和高校的研究阶段。因而要想将该技术实现商业化，国内企业需要在国外成熟技术的基础上，克服制造工艺、精度方面的技术难点以达到技术创新。不过近几年，该技术的专利申请量高速增长，已经成为研究的热点，其发展前景仍然是可观的。

参考文献：

[1] 林中，范世福.光谱仪器学[M].北京：机械工业出版社，1989.

[2] 金玉希.黄梅珍，施嫚嫚.傅立叶变换光谱仪现状及其微型化进展[J].现 代科学仪器，2010，（6）.