CN106154379A - 微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列 - Google Patents

微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列，该方法包括以下步骤：根据快照式成像光谱仪指标要求，确定微反射镜阵列的参数；根据微反射镜阵列的参数，对微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对微反射镜阵列进行排布，以使经微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。本发明能够较大程度地降低子孔径间的串扰，改善光谱成像探测数据质量。

Description

微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列
技术领域
本发明涉及快照式光谱成像技术领域，特别涉及一种微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列。
背景技术
基于像面分割和孔径投影的快照式成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪，其探测过程无需扫描，可以一次曝光成像得到目标完整的三维数据立方体，包含二维空间信息和一维光谱信息。同时具有高通量、结构紧凑和数据处理简单等优点。近年来在生物医学、安全生产监测和遥感探测等领域获得了广泛的应用。
该新型成像光谱仪是一种分像面型快照式成像光谱仪，其利用微反射镜阵列将目标的一次像分割成数百个区域，并投射到不同的方向，再利用棱镜分光，从而将目标的空间信息和光谱信息同时调制成像在面阵探测器上。其中，微反射镜阵列是该新型成像光谱仪的关键器件。
由于该成像光谱仪的结构特点，由微反射镜阵列和准直镜形成的子孔径阵列面上的光强分布，相邻子孔径间会发生光线的串扰(Cross Talk)。该串扰是由于微反射镜狭长的形状所引起的衍射现象和子孔径间较小的间距造成的，会对探测数据的准确性造成影响，影响重构单谱段图像的图像质量和目标点光谱信息的准确性。所以，有必要优化系统设计以减小相邻子孔径间的串扰。
根据文献[1]Liang Gao and et al,"Snapshot Image Mapping Spectrometer(IMS)with high sampling density for hyperspectral microscopy,"Opt.Express 18,14330-14344,2010；[2]Robert T.Kester and et al,"Development of image mappersfor hyperspectral biomedical imaging applications,"Appl.Opt.49,1886-1899,2010；[3]T.Nguyen and et al,"Snapshot 3D Optical Coherence Tomography Systemusing Image Mapping Spectrometer,"in Biomedical Optics and 3-D Imaging,2012.常见的方法主要是增大相邻子孔径的间距；改善加工方法，完善微反射镜面的加工精度，使得镜面更平整；子孔径阵列面添加光阑阵列，挡住部分串扰光线。以上方法均具有局限性，受限于系统整体尺寸，无法将相邻子孔径间距做的足够大。另外，由于精密加工工艺的限制，微反射镜镜面会形成一定的面型误差，造成更大的衍射弥散。在实际的系统中，该串扰的量值在6％～10％左右，严重影响成像探测数据质量。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种微反射镜阵列设计方法，该方法能够较大程度地降低子孔径间的串扰，改善成像探测数据质量。
本发明的另一个目的在于提出一种微反射镜阵列设计系统。
本发明的第三个目的在于提出一种微反射镜阵列。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种微反射镜阵列设计方法，包括以下步骤：根据快照式成像光谱仪指标要求，确定所述微反射镜阵列的参数；根据所述微反射镜阵列的参数，对所述微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对所述微反射镜阵列进行排布，以使经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
另外，根据本发明上述实施例的微反射镜阵列设计方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述微反射镜阵列的参数包括：所述微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
在一些示例中，所述预设排布规律为错层排布。
根据本发明实施例的微反射镜阵列设计方法，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种微反射镜阵列设计系统，包括：参数确定模块，所述参数确定模块用于根据快照式成像光谱仪指标要求，确定所述微反射镜阵列的参数；排布模块，所述排布模块用于根据所述微反射镜阵列的参数，对所述微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对所述微反射镜阵列进行排布，以使经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
另外，根据本发明上述实施例的微反射镜阵列设计系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述微反射镜阵列的参数包括：所述微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
在一些示例中，所述预设排布规律为错层排布。
根据本发明实施例的微反射镜阵列设计系统，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
为了实现上述目的，本发明第三方面的实施例还提出了一种微反射镜阵列，经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
另外，根据本发明上述实施例的微反射镜阵列还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述预设排布规律为错层排布。
根据本发明实施例的微反射镜阵列，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的微反射镜阵列设计方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的微反射镜阵列设计方法得到的微反射镜阵列与现有技术得到的微反射阵列在系统子孔径阵列面产生的光强分布对比示意图；以及
图3是根据本发明实施例的微反射镜阵列设计系统的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的微反射镜阵列设计方法、系统及微反射镜阵列。
图1是根据本发明一个实施例的微反射镜阵列设计方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：根据快照式成像光谱仪指标要求，确定微反射镜阵列的参数。
具体地，微反射镜阵列的参数例如包括：微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
步骤S2：根据微反射镜阵列的参数，对微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对微反射镜阵列进行排布，以使经微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。具体地，预设排布规律为错层排布。
结合图2所示，该方法的主要流程可描述为：首先，根据快照式成像光谱仪指标要求，初步确定微反射镜阵列整体尺寸、各个微反射镜的宽度、各个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目；然后根据上述确定的这些参数，设计微反射镜阵列偏转角度值和其排布规律，使得经微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布规律如图2(b)所示，即形成一种错层排布的现象，从而降低相邻子孔径间的光线串扰，改善成像质量。
具体地说，图2展示了子孔径阵列面光强度分布规律。图2(a)展示了未按本发明实施例的设计方法得到的微反射镜阵列所产生的光强度分布示意图，图2(b)展示了按照本发明实施例的设计方法得到的微反射镜阵列所产生的光强度分布示意图。对比图2(a)和图2(b)可知，本发明在不增加系统整体尺寸、无需提高镜面加工工艺的情况下，能够较大程度地降低子孔径间的串扰，并且通过仿真实验方法验证，该方法可以将串扰降低60％左右，从而大大地改善了成像探测数据质量。
综上，根据本发明实施例的微反射镜阵列设计方法，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
本发明的进一步实施例还提出了一种微反射镜阵列设计系统。
图3是根据本发明一个实施例的微反射镜阵列设计系统的结构框图。如图3所示，该系统100包括：参数确定模块110和排布模块120。
其中，参数确定模块110用于根据快照式成像光谱仪指标要求，确定微反射镜阵列的参数。
具体地，微反射镜阵列的参数例如包括：微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
排布模块120用于根据微反射镜阵列的参数，对微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对微反射镜阵列进行排布，以使经微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。具体地，预设排布规律为错层排布。
需要说明的是，本发明实施例的微反射镜阵列设计系统的具体实现方式与本发明实施例的微反射镜阵列设计方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
综上，根据本发明实施例的微反射镜阵列设计系统，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
本发明的进一步实施例还提出了一种微反射镜阵列，经该微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。其中，预设排布规律为错层排布。
具体地说，该微反射镜阵列例如由本发明上述实施例所描述的微反射镜阵列设计系统或微反射镜阵列设计方法设计生成。
因此，根据本发明实施例的微反射镜阵列，具有以下优点：
1)在不增加系统整体尺寸的前提下，使得相邻子孔径间距增大一倍，这样有效地减少了相邻子孔径间的串扰，有助于改善成像质量和重构的光谱信息的准确性。
2)降低了对微反射镜镜面加工工艺的要求，在相同的加工工艺条件下，产生相同的弥散光斑情况下，能够有效降低系统的串扰。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种微反射镜阵列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据快照式成像光谱仪指标要求，确定所述微反射镜阵列的参数；
根据所述微反射镜阵列的参数，对微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对所述微反射镜阵列进行排布，以使经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
2.根据权利要求1所述的微反射镜阵列设计方法，其特征在于，所述微反射镜阵列的参数包括：所述微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
3.根据权利要求1所述的微反射镜阵列设计方法，其特征在于，所述预设排布规律为错层排布。
4.一种微反射镜阵列设计系统，其特征在于，包括：
参数确定模块，所述参数确定模块用于根据快照式成像光谱仪指标要求，确定所述微反射镜阵列的参数；
排布模块，所述排布模块用于根据所述微反射镜阵列的参数，对所述微反射镜阵列的偏转角度值进行设置及对所述微反射镜阵列进行排布，以使经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
5.根据权利要求4所述的微反射镜阵列设计系统，其特征在于，所述微反射镜阵列的参数包括：所述微反射镜阵列整体尺寸、每个微反射镜的宽度、每个微反射镜的偏转角度和总共的偏转角度数目。
6.根据权利要求4所述的微反射镜阵列设计系统，其特征在于，所述预设排布规律为错层排布。
7.一种微反射镜阵列，其特征在于，经所述微反射镜阵列反射后的光波场，通过系统准直镜后，在子孔径阵列面形成的光强度分布按照预设排布规律排布。
8.根据权利要求7所述的微反射镜阵列，其特征在于，所述预设排布规律为错层排布。
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