CN104359555B - 一种基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器，包括：分光器，所述的分光器将进入系统的光按不同波长分光并输出；通道选择器，所述的通道选择器不同空间通道控制着不同波长汇聚光斑的传输，并可自由选择哪些通道的光斑能够进入后续系统；光汇聚器，所述的光汇聚器将不同通道的光斑汇聚成一个极小的光斑并输出。该重构器可预先利用标准光源和大型高精度谱仪对每个通道进行高精度光谱定标，然后结合实际测得的样品光谱曲线重构出突破系统自身光谱分辨极限的光谱数据，从而提升便携式光谱系统的光谱分辨能力。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域，尤其涉及到一种可以有效的提高光谱分辨率的便携式高光谱重构器。
背景技术
光谱分光技术在空间探测、军事侦察、地球资源勘探、天气预报、环境污染检测、生物医学和食品安全检测等各个领域有着广泛的应用。无论是在军事还是民生方面，光谱分辨率都是光谱仪系统的核心指标。光谱技术发展至今已经出现一些理论上可有效提高光谱分辨率的重构算法，这些重构算法主要是通过对每个探测元进行分辨率更高的光谱响应定标进而反演出突破系统自身分辨极限的光谱数据。在这个过程中光谱响应定标越准确、越精细，反演出的光谱数据也越可靠。但在实际定标过程中每个探测元，如CCD单个像元，不可避免的会受到相邻单元光学或电学信号的串扰，从而严重影响了光谱重构算法在实际光谱技术中的运用。
数字微反射镜(DMD)是由德州仪器公司开发的MEMS空间光调制器，最初应用在投影技术中，由于可对每个微镜单元进行自主控制，目前它也开始被应用于数字光谱技术领域。基于数字微反射镜的数字光谱技术有效结合了色散型光谱技术高机械稳定性和干涉型光谱技术高通量高灵敏度的特点，但为满足便携式要求，其复杂的光学系统和相对来说较大尺寸的微镜单元导致光谱分辨率比传统的光谱技术分辨率要低，这一缺陷极大的限制了数字光谱技术的推广和实际运用。
发明内容
本发明提出一种基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器，用以解决现代数字变换光谱技术中光谱分辨率低和光谱响应定标不准的问题。
所述的便携式高光谱重构器，包括：分光器1，所述的分光器1具有入射狭缝101、准直镜102、光栅103和聚焦镜104，其中准直镜102将通过入射狭缝101的光束准直为平行光束并入射到光栅103表面，准直光束经光栅分光后经聚焦镜104聚焦输出；通道选择器2，通道选择器2由数字微反射镜201构成，不同微镜单元可自由控制不同波长汇聚光斑的传输；光汇聚器3，所述的光汇聚器3具有准直镜301、光栅302、聚焦镜303、柱面镜304和出射口305，其中所述的准直镜301将不同通道的光斑的发散光束准直为不同方向的平行光束并入射到光栅302表面，准直光束经光栅补偿光程差后由聚焦镜303和柱面镜304汇聚成一个极小的光斑并从出射口305输出。
所述的基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器光谱重构过程由以下部件实现：首先利用重构器的分光器1将已知标准光源的入射光分光并聚焦到通道选择器2的不同通道处(总数为N)，然后扫描通道选择器2让每个通道上的光斑依次进入光汇聚器3并输出，在扫描每个通道的同时利用大型高精密光谱仪在输出口305处测试光谱响应从而得到每一个通道的光谱响应曲线，定标时需要尽可能高的光谱分辨率以满足定标采样点M＞＞N，此时可得到系统的二维光谱响应矩阵T(N×M)。在实际的外场测试中，可在输出口305配备单点探测器测试每个通道的强度值从而得到测试样本实际的光谱曲线(N×1)，然后将此光谱曲线和预先定标好的光谱响应矩阵T相关联，通过非负矩阵满秩分解算法重构出光谱分辨率更高的光谱数据(M×1)。
本发明的优越性在于：可以通过对便携式高光谱重构器每个通道进行预先高精度的光谱定标重构出突破系统自身光谱分辨极限的光谱数据，该重构结果有望达到大型高精度谱仪的光谱分辨率；同时系统在扫描测试实际光谱信号时若采用多通道技术，可以极大的提高系统灵敏度，有利于其在食品、航天等微弱信号探测领域得到应用。
附图说明
图1示出了高光谱重构器的方框图；
图2示出了高光谱重构器一种具体实施方案的Zemax设计图；
图3A示出了在重构器的一个实施方案中分光器的棱镜分光系统替代实施方案的图示，图3B示出了在重构器的一个实施方案中分光器的凹面光栅替代实施方案的图示；
图4示出了在重构器的一个实施方案中光汇聚器的凹面光栅替代实施方案的图示；
图5示出了通道选择器打开某一通道的光谱定标曲线；
图6示出了系统重构出的532nm激光笔光谱数据相对于系统自身光谱分辨率的提高。
具体实施方式
结合以下具体附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。应理解，为了例示的简便和清楚，在认为适合时，各个附图中附图标记可重复，以指示相应的或类似的元件或步骤。此外，提出了一些具体细节，以提供对此处描述的实施方案的彻底理解。然而，本领域的技术人员会理解，此处描述的实施方案可在没有这些具体细节的情况下实施。
参见图1，其示出了光谱重构器的一个图示，该重构器包括分光器1、通道选择器2和光汇聚器3。分光器1接收输入光斑并按波长展开形成输出光斑；该输出光斑不同波长部分位于通道选择器即数字微反射镜2的不同通道，通过自由选择一个或多个通道来选择特定波长的光斑；最后将这些不同通道的光斑通过光汇聚器3汇聚并输出。该光谱重构器由于可以自由控制某一特定通道的光进入后续系统，因此可以独立、精确的对每一个通道进行高精度光谱定标，从而可结合实际测量的光谱重构出突破自身系统分辨极限的光谱数据。
参见图2，其示出了高光谱重构器一种具体实施方案的Zemax设计图；分光器1包括入射狭缝101、准直镜102、光栅103和聚焦镜104部件，准直镜102将通过入射狭缝101的光束准直为平行光并入射到光栅103表面，准直光束经光栅103分光后经聚焦镜104将不同波长的光束展开并聚焦。通道选择器2由数字微反射镜201构成，通过自由选择微镜翻转状态从而完成对特定通道的选择，其中数字微反射镜以45度角放置以保证光束通过通道选择器后光轴在竖直方向不被偏转。光汇聚器3包括准直镜301、光栅302、聚焦镜303、柱面透镜304和出射口305，其中准直镜301将不同通道的光斑准直为不同方向的平行光束并入射到光栅302表面，准直光束经光栅补偿光程差后由聚焦镜303和柱面镜304汇聚至出射口305。
图2所出的高光谱重构器具体实施方案的主要器件具体参数如下:
分光器的凹面反射准直镜焦距为150mm，口径D为25mm；
分光器的凹面反射聚焦镜焦距为150mm，口径为25mm×35mm；
光汇聚器的凹面反射准直镜焦距为150mm，口径为25mm×35mm；
光汇聚器的凹面反射聚焦镜焦距为150mm，口径D为25mm；
反射光栅的光栅常数为300g/mm，尺寸为25mm×25mm；
二维数字微反射镜的微镜单元尺寸为13.9um，单元数为1024*768，不同状态偏转角为±12°；
柱面透镜尺寸为16mm×25mm，焦距为25.4mm；
所述的基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器可预先利用已知标准光源和大型高精度光谱仪对每个通道进行高分辨率的光谱响应定标，从而得到系统的二维光谱响应矩阵。在实际的外场测试中，每次测得的样本实际光谱曲线都可和预先测量好光谱响应矩阵相关联，通过特定的数学算法如非负矩阵满秩分解法重构出突破系统自身分辨极限的光谱数据。
参见图3A，其示出了分光器1的棱镜分光系统替代实施方案。分光器1具有狭缝111、准直镜112、棱镜113和聚焦镜114。准直镜112将经过狭缝111的入射光准直为平行光并入射到棱镜113表面，经棱镜113分光后聚焦镜114将不同波长的光聚焦在通道选择器2的不同通道上。
参见图3B，其示出了分光器1的凹面光栅替代实施方案。分光器1具有狭缝121和凹面光栅122。凹面光栅122直接将经过狭缝121的入射光分光并将不同波长的光聚焦在通道选择器2的不同通道上。
参见图4，其示出了光汇聚器3的凹面光栅替代实施方案。光汇聚器3具有凹面光栅311，柱透镜312和出口313。凹面光栅311对来自不同通道光斑的发散光束补偿光程差并结合柱透镜312聚焦至出口313。
Claims (1)
1.一种基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器，它包括分光器(1)、通道选择器(2)和光汇聚器(3)，其特征在于：
所述的分光器(1)具有入射狭缝(101)、准直镜(102)、光栅(103)和聚焦镜(104)，其中分光器准直镜(102)将通过入射狭缝(101)的光束准直为平行光束并入射到光栅(103)表面，准直光束经光栅分光后经聚焦镜(104)聚焦输出；
所述的通道选择器(2)由数字微反射镜构成(201)，不同微镜单元可自由控制不同波长汇聚光斑的传输；
所述的光汇聚器(3)具有光汇聚器准直镜(301)、光栅(302)、聚焦镜(303)、柱面镜(304)和出射口(305)，其中所述的光汇聚器准直镜(301)将不同通道的光斑的发散光束准直为不同方向的平行光束并入射到光栅表面(302)，准直光束经光栅补偿光程差后由聚焦镜(303)和柱面镜(304)汇聚成一个极小的光斑通过出射口(305)输出；
所述的基于数字微反射镜的便携式高光谱重构器光谱重构过程由以下步骤实现：首先利用重构器的分光器(1)将已知标准光源的入射光分光并聚焦到通道选择器(2)的总数为N的不同通道处，然后扫描通道选择器(2)让每个通道上的光斑依次进入光汇聚器(3)并输出，在扫描每个通道的同时利用大型高精密光谱仪在出射口(305)处测试光谱响应从而得到每一个通道的光谱响应曲线，定标时需要尽可能高的光谱分辨率以满足定标采样点M＞＞N，此时可得到系统的N×M二维光谱响应矩阵T；在实际的外场测试中，在出射口(305)配备单点探测器测试每个通道的强度值从而得到测试样本实际的N×1光谱曲线，然后将此光谱曲线和预先定标好的光谱响应矩阵T相关联，通过非负矩阵满秩分解算法重构出光谱分辨率更高的M×1光谱数据。
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