CN102175323A - 基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪 - Google Patents

基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪 Download PDF

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CN102175323A CN2011100338211A CN201110033821A CN102175323A CN 102175323 A CN102175323 A CN 102175323A CN 2011100338211 A CN2011100338211 A CN 2011100338211A CN 201110033821 A CN201110033821 A CN 201110033821A CN 102175323 A CN102175323 A CN 102175323A
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Abstract

一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，可使用线阵探测器或单点探测器。它包括接收光学系统、色散元件、成像镜、桥式光栅光调制器阵列、会聚镜、探测器。目标物的辐射信息通过所述接收光学系统按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程桥式光栅光调制器阵列上，通过对桥式光栅光调制器阵列按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。该光谱仪具有体积小、重量轻、价格便宜、速度快、性噪比高的优点，可广泛用于航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事目标的搜索与跟踪等领域。

Description

基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪
技术领域
本发明涉及一种阿达玛变换成像光谱仪，更具体的说，本发明涉及一种基于桥式光栅光调制器，可使用线阵探测器或单点探测器成像的阿达玛变换成像光谱仪。
背景技术
成像光谱技术就是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息。通常使用的成像光谱仪主要探测目标的两维空间与一维光谱信息，形成数据立方体。要想获得三维的数据，必须采用扫描技术或多通道探测技术。按穿轨成像方式分类，扫描型成像光谱仪又可分为光机扫描成像和推帚式成像。光机扫描成像通过扫描镜的机械运动使一个扫描行上各瞬时视场对应的目标辐射能量顺序通过光学系统进入探测器。推帚式成像对每条扫描行一次凝视成像。对于高光谱成像，前者的探测器采用线列器件，后者采用面阵器件。在相同的工作条件下，凝视器件比光机扫描器件的积分时间长得多，从而推帚式成像的信噪比优势非常明显。由于面阵焦平面器件加工工艺和成本的影响，推帚式高光谱成像的发展应用受到制约。基于阿达玛变换的阿达玛变换变换成像光谱技术利用空间光调制器采用线阵探测器件就可以实现高光谱成像，并具有类似于傅里叶变换光谱技术的多通道探测优势。
阿达玛变换(Hadamard Transform)是近三十年来发展起来的类似于傅里叶变换的一种新型光谱调制技术，具有高信噪比、检测器单元数少以及高光通量等优点，特别适用于微弱光谱测量。作为阿达玛变换成像光谱仪中的关键器件－阿达玛变换编码模板，大致可以分为以下几类：机械移动和旋转式模版；液晶空间光调制器模版；MOEMS(微光机电系统)光调制器模版。
机械移动和旋转式模版的优点是，码元对光的调制接近理想的开和关的状态，而且杂散光的水平较低。但是模版需要作间歇式的连续运动，导致运动部件容易产生机械疲劳、对准误差和不稳定，编码速度相对较低。液晶空间光调制器模版避免了机械可动部件产生的不良影响，但它的开关切换速度仍然较慢，码元对光的调制不能做到全开和全关，而且液晶的吸收光谱限制了其在可见光和近红外谱带的应用。使用新兴的微光机电系统MOEMS技术制造的光调制器模版具有体积小、动态模板产生灵活、扫描速度快、便于集成等突出优点。它克服了机械式模版的振动和磨损容易引入误差的缺点，对光的调制速度、带宽和效率又明显优于液晶空间光调制器模版，是近年来的研究热点。Fateley等以德州仪器公司生产的 DMD上10×10个相邻微镜为一个阿达玛单元，对化学试样在可见光区域内进行拉曼超光谱成像研究，该系统的信噪比和分辨率与相同规模的常规光谱仪相比有显著提高。但是,DMD的微镜之间的间隙使得该模版在光学调制效果上产生了衍射杂散光的干扰，不能够达到理想光调制效果。
对比现有阿达玛变换成像光谱仪技术，各有其优缺点，能否有一种方案，即没有机械模版式光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，这成为我们发明基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪的初衷。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、价格便宜、性噪比高的阿达玛变换成像光谱仪，采用申请人前期研究的MOEMS桥式光栅光调制器（专利号ZL200810232833.5）作为光谱调制的核心器件，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点；以桥式光栅光调制器为其光路选通元件，避免机械模版式光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，实现高效率的光调制。
本发明的技术方案如下：
一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，包括接收光学系统、色散元件、成像镜、桥式光栅光调制器阵列、会聚镜、探测器。所述色散元件设置于接收光学系统的出射光路上；成像镜、桥式光栅光调制器阵列依次设置于色散元件的出射光路上；会聚镜、探测器依次设置于桥式光栅光调制器阵列的出射光路上。目标物的辐射信息通过所述接收光学系统按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程桥式光栅光调制器阵列上，通过对桥式光栅光调制器阵列按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。
接收光学系统通过折射或反射形式接收以推帚工作模式获得的目标的辐射信息，并逐行准直到色散元件上。接收光学系统优选牛顿式、卡塞格林式或里奇－克莱琴式反射望远镜方式构成，以避免色像差的影响。
本发明使用的桥式光栅光调制器（专利号ZL200810232833.5）是采用衍射原理，对入射光进行相位调制。由于它是采用MOEMS技术制造的微型器件，加之光栅设计的独特结构和衍射原理，当多个光栅光调制器单元构成面阵或线阵时，既没有机械模版式由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且在光栅衍射方向上没有DMD那样由于单元间隙造成的光学干扰。当桥式光栅光调制器阵列工作在阿达玛变换方式下时，只要对其阵列中的每个单元像素进行独立的电压驱动即可。
阿达玛变换原理如式（1）所示：
Figure 161482DEST_PATH_IMAGE002
                                      （1）
Figure 403108DEST_PATH_IMAGE004
为信号光经色散元件分光后，入射到桥式光栅光调制器阵列上，被光调制器离散采样后第j个光通道的光强。
为信号光经光调制器编码后，成为按时间顺序第j个次序入射到探测器上的多通道光合成光强。
Figure 695604DEST_PATH_IMAGE008
为空间调制器上第i个离散采样光通道，第j个时刻所处于的光调制状态。第i个光通道第j个时刻为开态时，经过该通道的光可以顺利达到探测器，编码为“1”，即
Figure 30770DEST_PATH_IMAGE010
=1。第i个光通道第j个时刻为关态时，经过该通道的光被光调制器衍射到其他位置，零级光不能顺利到达探测器，编码为“0”，即=0。
（1）式写成矩阵形式为
Figure 776189DEST_PATH_IMAGE012
                                           (2)
此为阿达玛正变换。根据阿达玛变换原理，按一定规律进行N次N通道合成光强的采集，就可以通过矩阵逆运算求出合成前的各光通道的原始光强
Figure 211850DEST_PATH_IMAGE014
，最后得到向量X即是被测量物的光谱。这个矩阵逆运算就是阿达玛反变换，运算公式为
Figure 921180DEST_PATH_IMAGE016
                                           (3)
（2）式中的A就是阿达玛变换模版。采用桥式光栅光调制器阵列实现被分光元件色散后的光谱面的空间调制，每个像素对应一个光通道。像素状态为“开”，经过该光通道的光可以经过该像素达到后续探测器件，对应阿达玛变换模版的1；像素状态为“关”，经过该光通道的光不能经过该像素达到探测器件，被衍射到了其他空间位置，此时对应阿达玛变换模版的0。若将阿达玛变换编码中的1和0的序列与桥式光栅光调制器阵列中的每个像素开关状态相对应，则用桥式光栅光调制器阵列可以实现阿达玛变换编码模版。
在相同实验条件下，采用阿达玛变换使得系统的信噪比可以提高
Figure 871818DEST_PATH_IMAGE018
倍。由于各种误差的存在及光调制器件的限制，不可能做到绝对的开关态。T为空间光调制器“开”态情况下，经过单个光通道单次入射到探测器的光强与被色散元件分光后入射到该光通道光强的百分比，
Figure 2011100338211100002DEST_PATH_IMAGE019
为空间光调制器“关”态情况下，经过单个光通道单次入射到探测器的光强与被色散元件分光后入射到该光通道光强的百分比。
本发明有两种不同形式：
当使用桥式光栅光调制器阵列为线阵时，阿达玛编码模版按一维模版方式编码，对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器为线阵探测器。这样就降低了传统推帚式成像光谱仪的探测器面阵的成本，在保证大的信噪比的同时又可以进一步使用多像素高分辨率的线阵探测器来提高成像光谱仪信号质量。
阿达玛编码模版的一维模版优先选择Sylvester型。S-矩阵是由“0”和“1”构成的n阶方阵，对应光调制的“关”和“开”态，为循环矩阵，易于实现。如选择模板码元为63阶，则S循环矩阵的第一行元素为：
S1=[00000 10000 11000 10100 11110 10001 11001 00101 10111 01100 11010 10111 111]   (4)
将第一行元素逐个向右循环移动63次，就可得到63阶的S模板矩阵。这样，桥式光栅光调制器线阵只需有63个像素，每次按照S矩阵中一行元素进行编码调制，63次以后就可以完成一个完整的阿达玛编码模版调制，得到63种不同的组合光强供后续阿达玛反变换用。使用公式（3）进行阿达玛反变换得到最终的光谱。这样，当阿达玛编码模版按一维模版方式编码时，实际上是对成像光谱仪的光谱维信息进行了压缩，使得每一个空间点光谱维方向上的探测器数量可以由多个变成一个。应用在推帚式成像光谱仪上面时，因为每次接收光学系统随着飞行器运动扫描一行空间辐射信息，所以原来由于展开这一行空间辐射信息的光谱维必需用探测器面阵，现在就用线阵探测器就可以了。
当使用桥式光栅光调制器阵列为面阵，阿达玛编码模版按二维模版方式编码，对目标物的光谱维和空间维信息同时进行压缩，对应探测器为单点式探测器。
阿达玛二维编码模版相当于两个正交的阿达码一维模版的叠加，所以可以进行两个维度的压缩，此时桥式光栅光调制器面阵每个像素每次按照阿达玛二维编码模版中的序列中的一幅来进行加压驱动。
虽然这种方式需要更为复杂的处理算法和更多的阿达玛模版加载时间，会减少探测器的积分时间，但是其性噪比由于采用了二维阿达玛变换而增大。这样就进一步降低了探测器成本。可以采用性能更加优良的单点探测器，并避免了探测器阵列光谱响应性能不均匀造成的误差。此时成像分辨率取决于桥式光栅光调制器面阵的像元素。
本发明所述的色散元件为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。
本发明所述的成像镜和会聚镜为反射式或透射式镜子。
本发明的优点是：
1、光谱仪采用新型的MOEMS桥式光栅光调制器阵列，在用作阿达玛变换模版时，克服了机械模版式由于振动和磨损引入的误差的缺点，在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且在光栅衍射方向上没有DMD那样由于单元间隙造成的光学干扰。
2、新型器件的采用使得光谱仪整体体积小、重量轻。
3、新型成像光谱由于采用阿达玛变换方式，在具有性噪比高的优势同时，降低了探测器的维数，使得采用成本更低、性能更好的低维探测器进一步提高成像光谱仪的光谱分辨率和信号质量成为可能，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点。
这种阿达玛变换成像光谱仪具有加工简单，响应速度快，成本低、光调制效率高的优点，它用它的多个单元组成的面阵或线阵作为阿达玛变换编码模版，可以较好的避免上述阿达玛变换编码模板带来的问题。可广泛用于航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事目标的搜索与跟踪等领域。
附图说明
图1是本发明的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪结构图；
图2是单像素桥式光栅光调制器结构图；
图3是桥式光栅光调制器构成的线阵结构图；
图4是桥式光栅光调制器构成的面阵结构图；
图5是桥式光栅光调制器“0”和“1”状态示意图；
图6是工作在阿达玛变换模式下的桥式光栅光调制器阵列状态示意图。
图中：1.目标物，2.接收光学系统，3.色散元件，4.成像镜，5.桥式光栅光调制器阵列，6.会聚镜，7.探测器，21.硅衬底，22.氧化层， 23.底层反射面即下层光栅兼下电极 ， 24. 透明绝缘层，25.桥式弹性梁兼上电极，26. 顶层反射面即上层光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1显示了本发明的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪结构。其中，目标物1的辐射信息通过接收光学系统2按不同时间顺序逐行成像在色散元件3上，经色散元件3分光后再经过成像镜4成像到可编程桥式光栅光调制器阵列5上。通过对桥式光栅光调制器阵列5按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜6会聚到探测器7上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。
图2显示了本发明的单像素桥式光栅光调制器结构（专利号ZL200810232833.5）。其中，在硅衬底21上经过热氧化形成一层氧化层22；再溅射（或蒸镀）并图形化底层反射面23；再在底层反射面23上淀积透明绝缘层24；在透明绝缘层24上旋涂牺牲层，刻蚀出支撑柱；随后溅射（或蒸镀）桥式弹性梁25；通过淀积第二层牺牲层和溅射（或蒸镀）工艺，形成顶层反射面26，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为上电极；最后释放牺牲层就可以得到如图2所示结构。入射光线实际上接受到了上层光栅26和底层反射面形成的下层光栅23的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过对弹性梁25施加偏压来调节。其中，底层反射面23和顶层反射面26可以使用导电性能和反射性能俱佳的金属铝，而透明绝缘层24优选PECVD形成的二氧化硅。由于结构和工艺相对简单，完全可以用通用的IC表面加工工艺实现，解决了DMD工艺复杂，良品率低的问题。当上下反射面没有施加电压时，上下反射面距离为nλ/2（λ为入射光波长，n为正整数），此时相位差为0，±1的能量几乎为0，衍射能量集中在0级，光调制器相当于一个反射镜。当上下反射面之间施加了一定的电压差使得可动光栅在静电吸引力的作用下下拉λ/4距离，上下反射面距离为(2n-1)λ/4，此时光调制器相当于一个矩形槽相位光栅，相位差为л，理想情况下约81％衍射能量集中在±1级，而0级能量几乎为0。这样在0级或±1级放置会聚镜6，入射光随着光调制器的驱动电压不同，实现“开”和“关”的状态，也就是到达或者不能到达探测器7的状态。
图3是以图2所示结构的单像素光栅平动式光调制形成的线阵。由于矩形槽相位光栅的光学衍射原理，单元像素之间的间隙也通过覆盖其上的底层反射面25和顶层反射面光栅26一起充当有效光学衍射区域的一部分，所以在光学衍射方向上形成完全无缝的光学调制效果，有效地避免了DMD的反射镜式光调制器单元像素间隙造成的光学干扰。
图4以图2所示结构的单像素桥式光栅光调制器形成的面阵，由于隐藏的悬臂梁的结构和衍射原理，在光学衍射方向上形成完全无缝的光学调制效果，使像素间缝隙的光学干扰被大大减少，调制效果由于DMD。
图5是桥式光栅光调制器“0”和“1”状态示意图。采用线阵桥式光栅光调制器实现被色散元件分光后的光谱面的空间调制，每个像素对应一个光通道。“1”表示像素状态为“开”，“0”表示像素状态为“关”。如图6所示，像素状态为“开”时，经过该光通道的光可以达到探测器件；像素状态为“关”时，经过该光通道的光不能达到探测器件，被衍射到了其他空间位置。若将一维阿达玛变换模版编码中的“1”和“0”的序列与光栅光调制器线阵中的每个像素开关状态相对应，则用桥式光栅光调制器线阵可以实现一维阿达玛变换模版。对于二维的阿达玛变换模版，其加载在桥式光栅光调制器面阵上的原理是一样的。
以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims (7)

1.一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：它由接收光学系统（1）、色散元件（2）、成像镜（3）、桥式光栅光调制器阵列（4）、会聚镜（5）、探测器（6）组成；所述色散元件（2）设置于接收光学系统（1）的出射光路上；成像镜（3）、桥式光栅光调制器阵列（4）依次设置于色散元件（2）的出射光路上；会聚镜（5）、探测器（6）依次设置于桥式光栅光调制器阵列（4）的出射光路上；目标物的辐射信息通过所述接收光学系统（1）按不同时间顺序逐行成像在色散元件（2）上，经色散元件（2）分光后再经过成像镜（3）成像到桥式光栅光调制器阵列（4）上，通过对桥式光栅光调制器阵列（4）按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜（5）会聚到探测器（6）上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。
2.根据权利要求1所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于，所述对桥式光栅光调制器阵列（4）按照阿达玛编码模版编程驱动的方式是：当桥式光栅光调制器阵列工作在阿达玛变换方式下时，只要对其阵列中的每个单元像素进行独立的电压驱动即可，阿达玛变换原理如式（1）所示：
Figure 2011100338211100001DEST_PATH_IMAGE001
                                      （1）
Figure 557607DEST_PATH_IMAGE002
为信号光经色散元件分光后，入射到桥式光栅光调制器阵列上，被光调制器离散采样后第j个光通道的光强；
Figure 910091DEST_PATH_IMAGE004
为信号光经光调制器编码后，成为按时间顺序第j个次序入射到探测器上的多通道光合成光强；
Figure 2011100338211100001DEST_PATH_IMAGE005
为空间调制器上第i个离散采样光通道，第j个时刻所处于的光调制状态；第i个光通道第j个时刻为开态时，经过该通道的光可以顺利达到探测器，编码为“1”，即
Figure 226541DEST_PATH_IMAGE006
=1；第i个光通道第j个时刻为关态时，经过该通道的光被光调制器衍射到其他位置，零级光不能顺利到达探测器，编码为“0”，即
Figure 664475DEST_PATH_IMAGE006
=0；
（1）式写成矩阵形式为
Figure 2011100338211100001DEST_PATH_IMAGE007
                                           (2)
此为阿达玛正变换；
根据阿达玛变换原理，按一定规律进行N次N通道合成光强的采集，就可以通过矩阵逆运算求出合成前的各光通道的原始光强
Figure 960459DEST_PATH_IMAGE008
，最后得到向量X即是被测量物的光谱，这个矩阵逆运算就是阿达玛反变换，运算公式为
Figure 2011100338211100001DEST_PATH_IMAGE009
                                           (3)
（2）式中的A就是阿达玛变换模版；
采用桥式光栅光调制器阵列实现被分光元件色散后的光谱面的空间调制，每个像素对应一个光通道；像素状态为“开”，经过该光通道的光可以经过该像素达到后续探测器件，对应阿达玛变换模版的1；像素状态为“关”，经过该光通道的光不能经过该像素达到探测器件，被衍射到了其他空间位置，此时对应阿达玛变换模版的0；将阿达玛变换编码中的1和0的序列与桥式光栅光调制器阵列中的每个像素开关状态相对应，则用桥式光栅光调制器阵列实现了阿达玛变换编码模版。
3.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：桥式光栅光调制器阵列（4）为线阵，阿达玛编码模版按一维模版方式编码，对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器（6）为线阵探测器。
4.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：桥式光栅光调制器阵列（4）为面阵，阿达玛编码模版按二维模版方式编码，对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器（6）为单点式探测器。
5.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：所述接收光学系统选用牛顿式、卡塞格林式或里奇－克莱琴式反射望远镜方式构成。
6.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：所述色散元件为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。
7.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于：所述成像镜和会聚镜为反射式或透射式镜子。
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