CN110823374A - 同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

为解决传统光谱成像体制中空间分辨率与光谱分辨率的相互制约而应用受限的技术问题，本发明提供了一种同时获取高空间、高光谱分辨率的光学成像方法和系统，采用多级级联的TDI探测器，实现了高空间分辨率成像；在多级级联的TDI探测器单元上镀制不同谱段的滤光膜或集成滤光片，实现谱段能量的多级累加，从而提高了单个谱段的光谱分辨率。

Description

同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法和 系统

技术领域

本发明属于光学和光谱成像技术领域，涉及一种同时获取高空间分辨率和高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法和系统。本发明所述的高空间分辨率和高光谱分辨率是指在瞬时视场角1μrad下能够实现的光谱分辨率在5nm甚至更窄。

背景技术

光谱成像技术即在光学成像的基础上加入光谱信息，所得到的最终数据是一个三维的数据立方体，其中两维是空间信息，一维是光谱信息，它在很多方面都有着重要的用途。

利用光谱成像技术可以对物质的特性进行识别或分类，可以区分出真假目标，揭露很多肉眼无法看到的东西。

随着光谱成像技术领域的拓展，对其光谱分辨率和空间分辨率同时提出了更高的要求，然而在现有体制的光谱成像技术中，如干涉型光谱成像仪，要同时实现高光谱分辨率和空间分辨率，则其干涉型光谱成像仪要做的体积非常大，精度非常高，无法加工；光栅型光谱成像仪则受其光栅分光的限制，在同等空间分辨率下，5nm光谱带宽所得到的图像信噪比非常低，无法提取有效目标。

上述体制的光谱成像系统的共有缺点是，空间分辨率和光谱分辨率受能量限制是相互约束的，即空间分辨率越高，高光谱成像中每个谱段上的能量越弱，最终得到的光谱图像信噪比也越低，致使仪器无法满足使用要求。因此，当空间分辨率和光谱分辨率同时要求非常高时，现有体制的光谱成像技术已无法满足，使得其在不同领域的应用受到了极大地限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同时获取高空间、高光谱分辨率的光学成像方法和系统，以解决传统光谱成像体制中空间分辨率与光谱分辨率的相互制约而应用受限的技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法，其特殊之处在于：

步骤1)制备多级TDI集成光谱分光探测器：

步骤1.1)根据成像谱段数确定所需TDI探测器单元的数目M；

步骤1.2)确定M个TDI探测器单元的级数，分别记为s1、s2、…、s_m，以及确定每一级的像元数p；

步骤1.3)在h个TDI探测器单元的感光面上分别镀制滤光膜，或者在h个TDI探测器单元的感光面上分别集成滤光片，要求不同TDI探测器单元对应的滤光膜或滤光片的谱段不同，其余M-h个TDI探测器单元不作任何处理；2≤h≤M；

步骤1.4)将M个TDI探测器单元级联，构成具有s1+s2+…+s_m级、每级p个像元的多级TDI集成光谱分光探测器；

步骤2)光谱成像系统装配：

在步骤1)制备的多级TDI集成光谱分光探测器前，放置前置成像镜头，并调整使得多级TDI集成光谱分光探测器位于前置成像镜头的成像焦面处；

步骤3)光谱成像：

利用步骤2)装配好的光谱成像系统，推扫待测目标，得到待测目标的图像信息和光谱信息。

本发明还提供了一种同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特殊之处在于：

包括依次设置在同一光轴上的前置成像镜头和多级TDI集成光谱分光探测器；

前置成像镜头用于将目标成像于所述多级TDI集成光谱分光探测器上；

多级TDI集成光谱分光探测器用于实现光谱分光、能量探测和图像生成；

多级TDI集成光谱分光探测器由M个像元尺寸相等的TDI探测器单元级联构成；M≥2；

第一个TDI探测器单元的级数为s1级，每级有p个像元；

第二个TDI探测器单元的级数为s2级，每级有p个像元；

以此类推；

第M个TDI探测器单元的级数为s_m级，每级有p个像元；

s1、s2、…s_m可以相等，也可以不相等；

M个TDI探测器单元同步工作；

级联构成的所述多级TDI集成光谱分光探测器有s1+s2+…+s_m级，每级有p个像元；

M个TDI探测器单元中，有h个TDI探测器单元的感光面上均镀制有矩形滤光膜或者在感光面前均设置有滤光片，2≤h≤M；不同TDI探测器单元对应的矩形滤光膜或者滤光片谱段不同。

进一步地，单个TDI探测器单元的像元数p和级数s的确定原则如下：

p×空间分辨率为光谱成像系统的成像范围，而根据被测目标的几何尺寸，要求光谱成像系统会有相应的成像范围，从而能够确定p的值；

s的数值满足使所述光谱成像系统能够探测到目标的最低能量，同时又不饱和。

进一步地，单个TDI探测器单元的级数s具体由下述方法确定：

1)计算TDI探测器单元能够探测到的目标的最低能量

TDI探测器单元能够探测到目标是由TDI探测器单元的信噪比决定，信噪比SNR计算公式如下：

其中，N为TDI探测器单元探测到的到的目标的电子数，σ_d为噪声电子；σ_d由TDI探测器单元的性质决定；探测到的目标的电子数由下式决定：

其中，π为圆周率常数；D/f为前置成像镜头的相对孔径；d为单个TDI探测器单元的像元尺寸；

T_int为单个TDI探测器单元的积分时间；h为普朗克常数；c为真空中的光速；L为前置成像镜头入瞳处单个TDI探测器单元对应谱段的辐亮度；τ_opt为前置成像镜头的透过率；Q为单个TDI探测器单元的量子效率；λ为单个TDI探测器单元对应谱段。

2)根据下述公式计算s:

探测器的积分时间T_int与s有关，单级探测器的积分时间为T₁，则s级TDI探测器的积分时间可为s×T₁，则能量增加s倍，故可根据系统要求的信噪比确定s。

进一步地，h＝M-1。

进一步地，TDI探测器单元为TDI CMOS或TDI CCD。

进一步地，TDI探测器单元上镀膜可采用法布里-珀罗干涉滤光法、基于纳米结构的表面等离子体超表面滤光或纳米光栅结合导模共振滤光法。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用多级级联的TDI探测器，实现了高空间分辨率成像；在多级级联的TDI探测器单元上镀制滤光膜或集成滤光片，实现谱段能量的多级累加(即使得同一目标在同一谱段多次曝光)，从而提高了单个谱段的光谱分辨率。

2)本发明不同TDI探测器单元的级数s可以相同，也可以不同，通过级数s的灵活配置，不同探测器单元可以采集不同的能量，以避免高能量谱段过饱和而低能量谱段信噪比不够的问题，使得光谱成像系统的动态范围得到了极大的提高。

3)本发明中有一个或多个TDI探测器单元可以不镀膜或者不加滤光片，从而在一个探测器上实现了对全色图像和高光谱图像的同时获取，将全色相机与光谱成像系统有机集成。当仅一个探测器单元不镀膜/不设置滤光片时，可以在实现相同谱段的情况下，达到成本最低的效果。

4)本发明的光谱范围、谱段数以及光谱分辨率均可以根据具体应用场合和应用目标的光谱特征进行定制性设计。

5)结构简单、集成度高、体积小、重量轻。

附图说明

图1是本发明的原理示意图，图1中多级TDI集成光谱分光探测器上的不同图案的矩形条带代表不同的TDI探测器单元。

图2是本发明中多级TDI集成光谱分光探测器采集一帧图像的示意图。

图3是本发明的推扫工作示意图。

附图标记说明：1-前置成像镜头；2-多级TDI集成光谱分光探测器；21-TDI探测器单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明所提供的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，包括依次设置在同一光轴上的前置成像镜头1和多级TDI集成光谱分光探测器2；前置成像镜头1用于将目标成像于多级TDI集成光谱分光探测器2上；多级TDI集成光谱分光探测器2用于实现光谱分光、能量探测和图像生成。

多级TDI集成光谱分光探测器2由M个像元尺寸相等的TDI探测器单元21级联构成；M≥2；第一个TDI探测器单元的级数为s1级，每级有p个像元；第二个TDI探测器单元的级数为s2级，每级有p个像元；以此类推；第M个TDI探测器单元的级数为s_m级，每级有p个像元；s1、s2、…s_m可以相等，也可以不相等；单个TDI探测器单元可以是TDI CMOS或TDI CCD，可根据具体的应用需求选用；级联构成的多级TDI集成光谱分光探测器2有s1+s2+…+s_m级，每级有p个像元；级联后，M个TDI探测器单元21由同一控制信号控制实现同步工作。

单个TDI探测器的像元数p和级数s的确定原则为：

p×空间分辨率为光谱成像系统的成像范围，而根据被测目标的几何尺寸，光谱成像系统会要求有成像的范围，从而能够确定TDI探测器单元的像元数p的值。

TDI探测器单元的级数s的数值满足使该TDI探测器单元能够探测到目标的最低能量，同时又不饱和；s的具体确定方法为：

1)计算TDI探测器单元能够探测到的目标的最低能量

单个TDI探测器单元能够探测到目标是由TDI探测器单元的信噪比决定，信噪比SNR计算公式如下：

其中，N为TDI探测器单元探测到的目标的电子数，σ_d为噪声电子；σ_d由TDI探测器单元的性质决定；探测到的目标的电子数由下式决定：

其中，π为圆周率常数；D/f为前置成像镜头的相对孔径；d为单个TDI探测器单元的像元尺寸；

T_int为单个TDI探测器单元的积分时间；h为普朗克常数；c为真空中的光速；L为前置成像镜头入瞳处单个TDI探测器单元对应谱段的辐亮度；τ_opt为前置成像镜头的透过率；Q为单个TDI探测器单元的量子效率；λ为单个TDI探测器单元对应谱段。

除了TDI探测器单元的积分时间T_int，其它参数均由硬件自身特性决定。

2)根据下述公式计算级数s：

TDI探测器单元的积分时间T_int与级数s有关，单级探测器单元的积分时间为T₁，则s级TDI探测器单元的积分时间可为s×T₁，则能量增加s倍，故可根据系统要求的信噪比SNR确定s。

本发明M个TDI探测器单元21中，有h个TDI探测器单元的感光面上均镀制有矩形滤光膜或者在感光面前均设置有滤光片，2≤h≤M；不同TDI探测器单元对应的矩形滤光膜或者滤光片谱段不同。

在TDI探测器单元的感光面上镀膜可以采用法布里-珀罗干涉滤光法，也可以采用基于纳米结构的表面等离子体超表面滤光，或者纳米光栅结合导模共振滤光等多种方法。

TDI探测器单元像元上集成的滤光膜/滤光片可以在特定的谱段范围内实现极高光谱分辨率的光谱分离，谱段数可根据需求从几个到几十个甚至几百个，每个谱段的带宽典型地可以从1nm到几十纳米，这些谱段可以是分立的，各个谱段的半高宽也可以不同，从而可实现定制化的多光谱、高光谱甚至超光谱成像仪器。

随着光谱成像技术的发展，很多应用场合要求高光谱图像可与全色图像进行融合，传统的方法都是采用两台分立的单机或者两台单机共口径来实现，而本发明可以仅对M个TDI探测器单元中的一部分TDI探测器单元镀滤光膜/集成滤光片，而其余TDI探测器单元不镀膜也不集成滤光片，这样未镀膜/滤光片的TDI探测器单元可探测到全色图像，镀膜/集成滤光片的TDI探测器可实现光谱分光，从而使得本发明中多级TDI集成光谱分光探测器，兼具高光谱分光、全色图像获取的能力；由于每一个TDI探测单元都可以实现单独的像元尺寸和积分级数，即使所需的全色相机与高光谱成像仪空间分辨率不同，也可以共用一个前置光学镜头1，从而能够实现全色图像与高光谱图像不同空间分辨率的同时采集，使得前置光学镜头1得到极大的简化。

如图2所示，本发明光谱成像系统采用推扫工作模式，在同一时刻获得目标不同空间、不同谱段的信息(采集一帧的图像如图3所示)，通过推扫完成对目标所有空间信息和光谱信息的采集。不同时刻得到的目标光谱信息需要经过后续匹配、校正、处理才能得到完整的光谱图像。后续的匹配、校正、处理算法可采用现有通用的滤光片型高光谱成像技术的处理方法。

Claims (7)

1.同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像方法，其特征在于：

步骤1)制备多级TDI集成光谱分光探测器：

步骤1.1)根据成像谱段数确定所需TDI探测器单元的数目M；

步骤1.2)确定M个TDI探测器单元的级数，分别记为s1、s2、…、s_m，以及确定每一级的像元数p；

步骤1.3)在h个TDI探测器单元的感光面上分别镀制滤光膜，或者在h个TDI探测器单元的感光面上分别集成滤光片，要求不同TDI探测器单元对应的滤光膜或滤光片的谱段不同，其余M-h个TDI探测器单元不作任何处理；2≤h≤M；

步骤1.4)将M个TDI探测器单元级联，构成具有s1+s2+…+s_m级、每级p个像元的多级TDI集成光谱分光探测器；

步骤2)光谱成像系统装配：

在步骤1)制备的多级TDI集成光谱分光探测器前，放置前置成像镜头，并调整使得多级TDI集成光谱分光探测器位于前置成像镜头的成像焦面处；

步骤3)光谱成像：

利用步骤2)装配好的光谱成像系统，推扫待测目标，得到待测目标的图像信息和光谱信息。

2.同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：

包括依次设置在同一光轴上的前置成像镜头和多级TDI集成光谱分光探测器；

前置成像镜头用于将目标成像于所述多级TDI集成光谱分光探测器上；

多级TDI集成光谱分光探测器用于实现光谱分光、能量探测和图像生成；

多级TDI集成光谱分光探测器由M个像元尺寸相等的TDI探测器单元级联构成；M≥2；

第一个TDI探测器单元的级数为s1级，每级有p个像元；

第二个TDI探测器单元的级数为s2级，每级有p个像元；

以此类推；

第M个TDI探测器单元的级数为s_m级，每级有p个像元；

s1、s2、…s_m可以相等，也可以不相等；

M个TDI探测器单元同步工作；

级联构成的所述多级TDI集成光谱分光探测器有s1+s2+…+s_m级，每级有p个像元；

M个TDI探测器单元中，有h个TDI探测器单元的感光面上均镀制有矩形滤光膜或者在感光面前均设置有滤光片，2≤h≤M；不同TDI探测器单元对应的矩形滤光膜或者滤光片谱段不同。

3.根据权利要求2所述的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：

单个TDI探测器单元的像元数p和级数s的确定原则如下：

p×空间分辨率为光谱成像系统的成像范围，而根据被测目标的几何尺寸，要求光谱成像系统会有相应的成像范围，从而能够确定p的值；

s的数值满足使所述光谱成像系统能够探测到目标的最低能量，同时又不饱和。

4.根据权利要求3所述的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：

单个TDI探测器单元的级数s具体由下述方法确定：

1)计算TDI探测器单元能够探测到的目标的最低能量

TDI探测器单元能够探测到目标是由TDI探测器单元的信噪比决定，信噪比SNR计算公式如下：

其中，N为TDI探测器单元探测到的到的目标的电子数，σ_d为噪声电子；σ_d由TDI探测器单元的性质决定；探测到的目标的电子数由下式决定：

其中，π为圆周率常数；D/f为前置成像镜头的相对孔径；d为单个TDI探测器单元的像元尺寸；

T_int为单个TDI探测器单元的积分时间；h为普朗克常数；c为真空中的光速；L为前置成像镜头入瞳处单个TDI探测器单元对应谱段的辐亮度；τ_opt为前置成像镜头的透过率；Q为单个TDI探测器单元的量子效率；λ为单个TDI探测器单元对应谱段；

2)根据下述公式计算s:

探测器的积分时间T_int与s有关，单级探测器的积分时间为T₁，则s级TDI探测器的积分时间可为s×T₁，则能量增加s倍，故可根据系统要求的信噪比确定s。

5.根据权利要求4所述的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：h＝M-1。

6.根据权利要求5所述的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：TDI探测器单元为TDI CMOS或TDI CCD。

7.根据权利要求6所述的同时获取高空间、高光谱分辨率光谱图像的光谱成像系统，其特征在于：TDI探测器单元上镀膜可采用法布里-珀罗干涉滤光法、基于纳米结构的表面等离子体超表面滤光或纳米光栅结合导模共振滤光法。

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