CN101571421B - 一种哈达码变换成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种哈达码变换成像光谱仪，克服了现有技术中后期处理工作量大，无法实现对某一特征谱段的增强功能，编码精度较低，体积大以及加工装调要求高的缺陷。包括前置成像系统、第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜、数字微镜器件、第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜、像面探测器；前置成像系统包括前置成像镜；第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜和数字微镜器件构成分光调制系统；第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜和像面探测器构成合光成像系统，第一准直透镜和第一会聚透镜构成相同，第二准直透镜和第二会聚透镜构成相同。具有体积小，编码精度高等优点。

Description

一种哈达码变换成像光谱仪

技术领域

本发明涉及哈达码(Hadamard)变换成像光谱仪，尤其涉及一种可供面阵成像或线阵成像的哈达码变换成像光谱仪。

背景技术

光谱成像技术融光谱技术与成像技术为一体，始于20世纪80年代，既能实现目标成像同时又可以测量目标光谱特征，实现对目标特性的综合探测与识别，在资源探测、环境监测和空间目标识别等领域具有其他遥感技术无法替代的优势。

哈达码变换光谱仪的理论基础来自于法国数学家Jacques Hadamard，他提出的一种权重设计方法，使得在对一组目标进行测量后测量误差得到了最佳控制和降低。20世纪40年代，Golay系统阐述了把正交二进制序列应用到光谱多通道检测的基本概念，并对哈达码变换这种思想进行了实验验证。在二十年后这种技术得到公认并受到重视，产生了以机械运动编码模板为主的哈达码变换光谱仪，其缺点是重复定位精度较低。随着近年来空间光调制器件的发展，哈达码变换光谱仪的设计和研制再次成为热点。首先出现的改进是采用液晶空间光调制器(液晶光阀)作为机械运动式模板的替代，它提高了模板再现的精度，一定程度降低了误码率。但限于液晶在透射光路中无法实现光路的绝对通断这一自身缺陷，使用该器件产生的模板会出现无法克服的编码误差，光谱仪器的性能受到限制。

数字微镜器件(Digital Micro-Mirror Device，)是用数字电压信号控制微镜片执行机械运动来实现光学功能的装置。它的前身是变形反射镜器件(Deformable Mirror Device)。它是由美国德州仪器公司

的一名科学家I.J.Hornbeck在1987年发明的，最初设计的目的主要用于数字投影和硬复制。数字微镜器件的工作原理满足哈达码变换光谱仪器的多通道选通要求，其高填充率、极高的转换速率和稳定的角度控制使之成为液晶类空间光调制器的极佳替代产品。

目前，利用哈达码变换技术的光谱成像仪器有如下三种实现方式：

第一种：哈达码模板以可变狭缝的形式被设置在普通色散光谱仪的一次像面上，起到视场调制的作用，在探测器上得到的是不同视场展开的混叠频谱信息，需要在变换完成后利用算法消除混叠，进一步进行频谱复原以获得目标的图像信息。该种方式的缺点是后期处理工作量大，无法实现对某一特征谱段的增强功能。

第二种：哈达码模板被放置在色散后的频谱展开面上，在一次像面上设置狭缝，这类光谱仪能实现谱的定位和特征谱的增强，其缺点是由于模板采用液晶光阀，如前述的液晶自身缺陷会导致编码精度较低；色散元件为棱镜，其色散能力低、体积大。

第三种：哈达码模板被放置在色散后的频谱展开面上，在一次像面上不设置狭缝，该系统分光合光器件采用双奥夫纳(offner)结构，其加工装调要求高，导致工程实现性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用数字微镜器件作为光路选通元件的哈达码变换成像光谱仪，以克服现有技术中后期处理工作量大，无法实现对某一特征谱段的增强功能，编码精度较低，体积大以及加工装调要求高的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种哈达码变换成像光谱仪，其特殊之处是：包括前置成像系统、第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜、数字微镜器件、第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜、像面探测器；

所述前置成像系统包括前置成像镜；所述前置成像镜用于将物体成像于一次像面位置；

所述第一准直透镜、分光器件、第一会聚透镜和数字微镜器件构成分光调制系统，其中第一准直透镜和分光器件依次设置于前置成像系统的出射光路；第一会聚透镜和数字微镜器件依次设置于分光器件的出射光路；

所述第二准直透镜、合光器件、第二会聚透镜和像面探测器构成合光成像系统，其中第二准直透镜和合光器件依次设置于分光调制系统的出射光路；第二会聚透镜和像面探测器依次设置于合光器件的出射光路；

所述第一准直透镜和第一会聚透镜构成相同，第二准直透镜和第二会聚透镜构成相同；

所述第一准直透镜用于将成像于一次像面位置的光准直成平行光；所述分光器件用于将第一准直透镜准直的平行光进行色散；所述第一会聚透镜用于将色散后的平行光进行聚焦；所述数字微镜器件用于实现光路通断/编码；所述第二准直透镜用于将编码后的光束准直；所述合光器件用于将第二准直透镜准直后的光束合成；所述第二会聚透镜用于将合成后的平行光在像面探测器上进行合光成像。

上述前置成像系统还包括设置在前置成像镜和第一准直透镜之间的狭缝。

上述分光器件为反射式闪耀光栅、透射式光栅或棱镜；所述合光器件为反射式闪耀光栅、透射式光栅或棱镜。

上述前置成像镜为望远镜、照相物镜或显微物镜。

上述前置成像镜为双高斯结构、三片式结构或摄远物镜。

上述第一准直透镜、第一会聚透镜为三片式结构、双高斯结构或摄远物镜；所述第二准直透镜、第二会聚透镜为三片式结构、双高斯结构或摄远物镜。

本发明的技术效果为：

1、体积小。采用反射式闪耀光栅代替棱镜，分光能力增强，光能利用率高，减小仪器体积。

2、编码精度高。采用数字微镜器件作为哈达码模板发生器，较液晶光阀的编码精度提高，降低了光能损失。

3、本发明中分光调制系统、合光成像系统可根据应用不同(谱段、视场等)进行独立设计，即前置镜、分光调制系统、合光成像系统这三个组分中，成像大小完全由前置镜的视场和焦距决定，而分光调制系统、合光成像系统构成的系统为一倍系统(放大率为1)，即分光调制系统与合光成像系统不会影响成像尺寸，可以根据一次像面大小进行独立设计，最后与前置镜进行匹配。系统原理不受影响，满足不同目标的探测需要。

4、本发明中所述前置成像镜可根据应用不同(谱段、视场等)进行独立设计，系统原理不受影响，满足不同探测距离、成像大小的需要。

5、本发明哈达码变换组件(包括分光调制系统，合光成像系统)采用折转光路(采用折转光路是为了配合反射式光栅的使用，如采用透射式光栅或棱镜，则光路只在DMD处折转)实现，但由于采用透射镜组来实现准直和会聚功能，相对反射式系统降低了加工装调难度，极大地节约了成本。

附图说明

图1为本发明光学系统组成图。

图2为前置成像镜结构图。

图3为第一准直透镜和第一会聚透镜结构图。

图4为第二准直透镜和第二会聚透镜结构图。

图5为采用透射式光栅或棱镜时的结构图。

附图标记如下：1-前置成像镜，2-狭缝，3-第一准直透镜，4-分光器件，5-第一会聚透镜，6-数字微镜器件，7-第二准直透镜，8-合光器件，9-第二会聚透镜，10-像面探测器。

具体实施方式

本发明主要为了实现复杂背景下弱目标探测和目标特性识别的功能。

参见图1至图5，本发明为一种哈达码变换成像光谱仪，包括前置成像系统、第一准直透镜3、分光器件4、第一会聚透镜5、数字微镜器件6、第二准直透镜7、合光器件8、第二会聚透镜9、像面探测器10；前置成像系统包括前置成像镜1；前置成像镜1用于将物体成像于一次像面位置；第一准直透镜3、分光器件4、第一会聚透镜5和数字微镜器件6构成分光调制系统，其中第一准直透镜3和分光器件4依次设置于前置成像系统的出射光路；第一会聚透镜5和数字微镜器件6依次设置于分光器件4的出射光路；第二准直透镜7、合光器件8、第二会聚透镜9和像面探测器10构成合光成像系统，其中第二准直透镜7和合光器件8依次设置于分光调制系统的出射光路；第二会聚透镜9和像面探测器10依次设置于合光器件8的出射光路；第一准直透镜3和第一会聚透镜5构成相同，第二准直透镜7和第二会聚透镜9构成相同；第一准直透镜3用于将成像于一次像面位置的光准直成平行光；分光器件4用于将第一准直透镜3准直的平行光进行色散；第一会聚透镜5用于将色散后的平行光进行聚焦；数字微镜器件6用于实现光路通断/编码；第二准直透镜7用于将编码后的光束准直；合光器件8用于将第二准直透镜7准直后的光束合成；第二会聚透镜9用于将合成后的平行光在像面探测器10上进行合光成像。

前置成像系统还可以包括设置在前置成像镜1和第一准直透镜3之间的狭缝2。

分光器件4和合光器件8可以采用反射式闪耀光栅、透射式光栅或棱镜。图1为分光器件4和合光器件8采用反射式闪耀光栅的折转光路系统结构示意图；图5为分光器件4和合光器件8采用透射式光栅的反射光路系统结构示意图。

前置成像镜1可以为望远镜、照相物镜或显微物镜等任意类型成像系统。前置成像镜1还可以为双高斯结构、三片式及其复杂化结构或摄远物镜及其复杂化结构。

第一准直透镜3、第二准直透镜7、第一会聚透镜5、第二会聚透镜9可以为三片式复杂化结构、双高斯及其复杂化结构或摄远物镜及其复杂化结构。

本发明具体结构中各透镜焦距归一化后的半径r、厚度d、空气间隔d、光学材料的折射率N及色散系数V等参数分别列表给出：

表1前置成像镜设计参数：

表2第一准直透镜3和第一会聚透镜5设计参数：

表3第二准直透镜和第二会聚透镜设计参数：

本发明原理：

根据哈达码变换多通道探测原理，选择数字微镜器件作为通道选通的手段，将其位置设置在色散后的各色光成像面上(区别于视场调制哈达码变换光谱仪，它把选通器件设置在一次像面上)，通过输入预置哈达码编码信息控制数字微镜器件上相应位置微反射镜对光路进行通断选择，之后在像面探测器上得到选通后的合光像，最后通过预置模板的逆变换得到信噪比增强的数据立方体(二维空间信息一维谱信息)，称之为基于光谱调制的多通道探测技术。

根据此原理设计的光谱成像仪具有两种工作模式，其功能存在差异。第一种：无狭缝，面阵成像，光谱调制无针对性，实现增强整个视场弱、暗目标信噪比的功能。第二种：设置狭缝，线阵成像，光谱调制过程中可实现特征谱段的增强，从而达到弱、暗目标的光谱特性分析功能。

结合上述具体设计实例的过程描述：

1、上述设计实例中，物体经过前置成像镜成像于一次像面位置，经过第一准直透镜准直后以平行光入射到分光光栅进行色散，之后再经过第一会聚透镜在数字微镜器件上得到各视场混叠后的光谱图，控制数字微镜器件上微反射镜的反射方向实现光路通断(混叠光谱选通)，编码后的光束经过第二准直透镜准直后到达合光光栅合成，在像面探测器面合光成像。

2、上述设计实例中，物体经过前置成像镜成像于一次像面位置，在一次像面上设置一定尺寸的狭缝将二维视场转换为一维(其一维方向平行于光栅条纹)，经过第一准直透镜准直后以平行光入射到分光光栅进行色散，之后再经过第一会聚透镜在数字微镜器件上得到线视场的光谱图，控制数字微镜器件上微反射镜的反射方向实现光路通断(特征光谱选通)，编码后的光束经过第二准直透镜准直后到达合光光栅合成，在像面探测器面合光成像。

两种工作模式的功能区别：光谱仪在面阵成像模式工作时，通过后期处理能得到信噪比增强后的数据立方体，信噪比增强程度随哈达码模板维数不同而异。所述光谱仪在系统加入狭缝后转换至线阵成像模式，通过选通器件对特定谱段的抑制或增强作用，得到线视场内各个物点的特征谱提取和增强，调制后的光谱经光学系统合光，在像面探测器面上成线阵合光像，该模式需要采取沿狭缝正交方向推扫成像方式来完成。

Claims (5)

1.一种哈达码变换成像光谱仪，其特征在于：包括前置成像系统、第一准直透镜(3)、分光器件(4)、第一会聚透镜(5)、数字微镜器件(6)、第二准直透镜(7)、合光器件(8)、第二会聚透镜(9)、像面探测器(10)；

所述前置成像系统包括前置成像镜(1)；所述前置成像镜(1)用于将物体成像于一次像面位置；

所述第一准直透镜(3)、分光器件(4)、第一会聚透镜(5)和数字微镜器件(6)构成分光调制系统，其中第一准直透镜(3)和分光器件(4)依次设置于前置成像系统的出射光路；第一会聚透镜(5)和数字微镜器件(6)依次设置于分光器件(4)的出射光路；

所述第二准直透镜(7)、合光器件(8)、第二会聚透镜(9)和像面探测器(10)构成合光成像系统，其中第二准直透镜(7)和合光器件(8)依次设置于分光调制系统的出射光路；第二会聚透镜(9)和像面探测器(10)依次设置于合光器件(8)的出射光路；

所述第一准直透镜(3)和第一会聚透镜(5)构成相同，第二准直透镜(7)和第二会聚透镜(9)构成相同；

所述第一准直透镜(3)用于将成像于一次像面位置的光准直成平行光；所述分光器件(4)用于将第一准直透镜(3)准直的平行光进行色散；所述第一会聚透镜(5)用于将色散后的平行光进行聚焦；所述数字微镜器件(6)用于实现光路通断/编码；所述第二准直透镜(7)用于将编码后的光束准直；所述合光器件(8)用于将第二准直透镜(7)准直后的光束合成；所述第二会聚透镜(9)用于将合成后的平行光在像面探测器(10)上进行合光成像。

2.根据权利要求1所述的哈达码变换成像光谱仪，其特征在于：所述前置成像系统还包括设置在前置成像镜(1)和第一准直透镜(3)之间的狭缝(2)。

3.根据权利要求1或2所述的哈达码变换成像光谱仪，其特征在于：所述分光器件(4)为反射式闪耀光栅、透射式光栅或棱镜；所述合光器件(8)为反射式闪耀光栅、透射式光栅或棱镜。

4.根据权利要求3所述的哈达码变换成像光谱仪，其特征在于：

所述前置成像镜(1)为望远镜、照相物镜或显微物镜。

5.根据权利要求4所述的哈达码变换成像光谱仪，其特征在于：

所述第一准直透镜(3)、第一会聚透镜(5)为三片式结构、双高斯结构或摄远物镜；所述第二准直透镜(7)、第二会聚透镜(9)为三片式结构、双高斯结构或摄远物镜。

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