CN108444601A - 一种小型快照成像光谱仪及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种小型快照成像光谱仪及其成像方法，属于快照式成像光谱技术领域。技术要点：依次设置起偏器，微透镜阵列，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，检偏器，光电探测器及信号处理部件，其中光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列按长度差顺序排列，每个双折射晶体柱不通光面涂覆吸光材料，起到光阑作用。目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。本发明不仅可以快速捕捉目标图像和光谱信息，并且结构紧凑，重量轻，可以在快速侦察、监测等领域中应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像光谱仪及其成像方法，具体涉及一种小型快照成像光谱仪及其成像方法，属于快照式成像光谱技术领域。
背景技术
傅里叶变换成像光谱仪是以迈克尔逊干涉仪或其他光程差产生原件为核心的干涉型成像光谱仪可以获得目标的干涉强度分布，通过傅里叶变换获得目标光谱信息，一般通过扫描方式获得二维空间信息。
随着光谱技术的发展，对成像光谱仪提出了快速实时地获取目标图像和光谱信息的研究。针对傅里叶变换型成像光谱仪，在上世纪九十年代由日本学者Akiko Hirai等人发表的论文“Application of Multiple-Image Fourier Transform Spectral Imaging toMeasurement of Fast Phenomena，OPTICAL REVIEW Vol.1，No.2(1994)205-207”中首次提出一种基于透镜阵列的快照式成像光谱系统，可以捕捉处于30r/m转速物体的图像和光谱信息，但该系统体积比较庞大，抗干扰能力差。此后，美国亚利桑那大学的MichaelW.Kudenov等人在发表的论文“Compact real-time birefringent imagingspectrometer，OPTICS EXPRESS 17973/Vol.20，No.16/30July 2012”中提出了一种基于微透镜阵列和Nomarski棱镜的小型化的快照式成像光谱仪，可以快速捕捉运动物体的图像和光谱信息。
该系统虽属于紧凑型实时快照成像光谱仪，但整体结构依然较大，不利于隐蔽及小型飞行器携带侦察及监测。并且由Nomarski棱镜或Wollaston棱镜所产生的光程差是连续变化的，透镜阵列每个子透镜产生的像包含了一段连续变化的光程差信息，理想情况下，每个子透镜仅对应一个光程差信息利于进行复原计算。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为了解决上述问题，本发明设计了一种小型快照成像光谱仪，与现有快照型傅里叶变换成像光谱仪相比本发明不仅可以实现快速信息获取，并且结构更加紧凑，易于在侦察和检测等领域中应用，并且透镜阵列没个透镜产生的图像对应一个光程差，易于进行后续处理。
方案一：本发明提供了一种小型快照成像光谱仪，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器，微透镜阵列，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，检偏器，光电探测器及信号处理部件，所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的非通光面涂覆吸光材料；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱和第二子晶体柱，第一子晶体柱和第二子晶体柱按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱和第二子晶体柱的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长。
其中：通过在晶体柱外围涂覆吸光材料限制了透镜阵列子透镜的视场，起到视场光阑作用，防止不同子透镜间成像产生串扰。
进一步地：所述微透镜阵列的子透镜的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱和第二子晶体柱的数量相等且一一对应。
进一步地：起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
方案二：本发明提供了一种小型快照成像光谱仪成像方法，其依托方案一所述小型快照成像光谱仪实现的，具体为：
来自目标物的光线经过起偏器、微透镜阵列、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列和检偏器在光电探测器及信号处理部件表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
方案三：本发明提供了一种小型快照成像光谱仪，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，微透镜阵列，熔融石英玻璃柱阵列，检偏器，光电探测器及信号处理部件；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱和第二子晶体柱，第一子晶体柱和第二子晶体柱按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱和第二子晶体柱的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长；在熔融石英玻璃柱阵列的不通光表面涂覆吸光材料。
进一步地：所述微透镜阵列的子透镜的数量、熔融石英玻璃柱阵列的子石英玻璃柱的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱和第二子晶体柱的数量相等且一一对应。
进一步地：起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
方案四：本发明提供了一种小型快照成像光谱仪成像方法，其依托方案三所述小型快照成像光谱仪实现的，具体为：
来自目标物的光线经过起偏器、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列、微透镜阵列和检偏器在光电探测器及信号处理部件表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
有益效果：
本发明与现有技术的不同在于，利用双折射晶体柱阵列产生等间距离散分布光程差信息，透镜阵列每个子透镜仅对应一个光程差信息，易于后续处理。通过在晶体柱非通光面表面涂覆吸光材料，起到视场光阑作用，可以不用引入前置光学系统限制视场光阑，缩小了结构整体体积，便于侦察和检测及小型飞行器携带。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种小型快照成像光谱仪结构图；
图2是本发明实施例2的一种小型快照成像光谱仪结构图；
图中：1-起偏器，2-微透镜阵列，3-第一子晶体柱，4-吸光材料，5-第二子晶体柱，6-检偏器，7-光电探测器及信号处理部件，8-熔融石英玻璃柱阵列。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如图1所示，本实施例的一种小型快照成像光谱仪，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器1，微透镜阵列2，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，检偏器6，光电探测器及信号处理部件7，所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的非通光面涂覆吸光材料；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱3和第二子晶体柱5，第一子晶体柱3和第二子晶体柱5按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱3和第二子晶体柱5的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长；起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
其中：通过在晶体柱外围涂覆吸光材料4限制了透镜阵列子透镜的视场，起到视场光阑作用，防止不同子透镜间成像产生串扰。
所述微透镜阵列2的子透镜的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱3和第二子晶体柱5的数量相等且一一对应。
成像方法具体为：
来自目标物的光线经过起偏器1、微透镜阵列2、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列和检偏器6在光电探测器及信号处理部件7表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
实施例2：如图2所示，本实施例的一种小型快照成像光谱仪，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器1，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，微透镜阵列2，熔融石英玻璃柱阵列8，检偏器6，光电探测器及信号处理部件7；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱3和第二子晶体柱5，第一子晶体柱3和第二子晶体柱5按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱3和第二子晶体柱5的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长；在熔融石英玻璃柱阵列8的不通光表面涂覆吸光材料4，起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
所述微透镜阵列2的子透镜的数量、熔融石英玻璃柱阵列8的子石英玻璃柱的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱3和第二子晶体柱5的数量相等且一一对应。
本实施例与实施例1的不同在于，将光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列置于透镜阵列前，该阵列相较与实施例一中的阵列削去双折射晶体多于部分，并且不需要在晶体阵列不通光表面涂覆吸光材料。在透镜阵列后，利用不通光面表面涂覆吸光材料的熔融石英玻璃柱阵列充当光阑阵列。
成像方法具体为：
来自目标物的光线经过起偏器1、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列、微透镜阵列2和检偏器6在光电探测器及信号处理部件7表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
在上述实施例实施前，通过多个单波长激光器对子图进行光程差标定。对激光器进行扩束充当目标物进行成像，提取成像后的子图阵列，每个子图光强即该子图在该光程差条件下的干涉光强。通过设计参数及获得的不同激光器在该光程差条件下产生的光强信息可以计算具体的光程差信息。
实施中对目标成像，提取子图后对子图进行配准。对配准后的子图逐点进行傅里叶变换获取目标光谱信息。由于已经获得了每个子图的光程差信息，可以进行非均匀傅里叶变换减小由于加工误差带来的光程差不均匀影响。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器(1)，微透镜阵列(2)，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，检偏器(6)，光电探测器及信号处理部件(7)，所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的非通光面涂覆吸光材料；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)，第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱3和第二子晶体柱(5)的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长。
2.根据权利要求1所述的一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，所述微透镜阵列(2)的子透镜的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)的数量相等且一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
4.一种小型快照成像光谱仪成像方法，其依托权利要求1-3任一所述的小型快照成像光谱仪实现的，其特征在于，具体为：
来自目标物的光线经过起偏器(1)、微透镜阵列(2)、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列和检偏器(6)在光电探测器及信号处理部件(7)表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
5.一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置的起偏器(1)，光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列，微透镜阵列(2)，熔融石英玻璃柱阵列(8)，检偏器(6)，光电探测器及信号处理部件(7)；所述光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列包括第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)，第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)按长度差顺序均匀分布成阵列并胶合在一起，第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)的长度差之差所能产生的光程差之差满足奈奎斯特采样定律，所产生的光程差之差小于二分之一最小测量波长；在熔融石英玻璃柱阵列(8)的不通光表面涂覆吸光材料(4)。
6.根据权利要求5所述的一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，所述微透镜阵列(2)的子透镜的数量、熔融石英玻璃柱阵列(8)的子石英玻璃柱的数量与光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列的第一子晶体柱(3)和第二子晶体柱(5)的数量相等且一一对应。
7.根据权利要求5所述的一种小型快照成像光谱仪，其特征在于，起偏器和检偏器的偏振方向与双折射晶体光轴均成45°夹角。
8.一种小型快照成像光谱仪成像方法，其依托权利要求5-7任一所述的小型快照成像光谱仪实现的，其特征在于，具体为：
来自目标物的光线经过起偏器(1)、光轴相互垂直的双折射晶体柱阵列、微透镜阵列(2)和检偏器(6)在光电探测器及信号处理部件(7)表面产生干涉；目标通过微透镜阵列成像，经过双折射晶体柱阵列产生光程差等间距分布的图像信息，每个子图包含的光程差信息相同，通过对光程差等间距分布的图像信息进行相应的傅里叶变换光谱复原获得目标图像的光谱信息。
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