CN112013955A - 一种光谱成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种光谱成像方法和装置，所述方法包括：将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样；通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出；对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。该方案能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。

Description

一种光谱成像方法和装置
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种光谱成像方法和装置。
背景技术
成像光谱仪具有“图谱合一”的特性，能够同时提供图像的二维空间信息和光谱信息，达到对目标场景的探测。目前的光谱成像系统基本采用物镜系统和准直系统来改变光路传播方向，使得经过前端系统后的光路能够尽可能的平行入射到色散系统，经过色散系统的光谱傅里叶变换，每一个点光源在空间中按照一定的分布入射到成像系统，通过成像系统对每个点光源的聚焦实现了光谱信息的获取。
目前的光谱成像仪在光谱分辨率、视场角度、成像速度各方面均有一定的提高，但要想同时实现三者进一步的提高具有一定的难度。因单孔径成像光谱仪将大视场的物像转变成平行光入射到色散系统比较困难，而现有的多孔径成像光谱仪虽然能够扩大一定视场角、提高光谱分辨率，但存在结构复杂，调试困难的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种光谱成像方法和装置，能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。
为解决上述技术问题，本申请的技术方案是这样实现的：
在一个实施例中，提供了一种光谱成像装置，所述装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；
所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；
所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；
所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。
在另一个实施例中，提供了一种光谱成像方法，所述方法包括：
将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出；
对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。
由上面的技术方案可见，上述实施例中从物理光学的角度对结构组合进行分析，克服了传统光谱仪受视场角度变大影响而导致光谱分辨率下降的问题；采用光束采样器对大视场下的物点进行下采样、利用透镜阵列对光束进行准直的简单方式来实现更高的光谱分辨率；提供的光谱成像装置具有简单的结构，更小的尺寸和更轻的重量，为航天等特殊要求的应用提供实现可能。因此，该方案能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中光谱成像装置结构示意图；
图2为光路通过光束采样器和透镜阵列的集合光路示意图；
图3为本申请实施例中光路通过不同孔径的光束采样器的衍射图；
图4为本申请实施例中大视场高分辨率的光谱成像的工作原理示意图；
图5为本申请实施例中光谱成像流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
下面以具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面几个具体实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
本申请实施例中提供一种光谱成像装置，该成像装置结构简单，且能够实现大视场、高分辨率的光谱成像。
参见图1，图1为本申请实施例中光谱成像装置结构示意图。所述成像装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；
所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；
所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；
所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。
其中，
所述光束采样器位于所述焦平面上，或所述焦平面与透镜阵列之间。
所述透镜阵列，进一步用于使焦点对准焦平面；使阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，其中，每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。
本申请实施例中具体实现时，不同单元膜板的焦距、直径满足下述关系，具体为：
所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：
Figure BDA0002675267230000041
Figure BDA0002675267230000042
Figure BDA0002675267230000043
Figure BDA0002675267230000044
其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；
Figure BDA0002675267230000045
为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；
Figure BDA0002675267230000046
为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为
Figure BDA0002675267230000047
等于0时候的位置坐标。
下面分别给出获得上述关系的具体过程：
参见图2，图2为光路通过光束采样器和透镜阵列的集合光路示意图。图2中虚线对应1视场光线传播，实现对应0视场光线传播。
对于由三棱镜和光栅构成的色散系统，入射光线的准直度将很大程度上影响光谱分辨率的精度。因此，将对由光束采样器和透镜阵列组成的结构加入约束条件使得整体光路既能满足大视场成像又能达到高分辨率成像。
如图2中透镜阵列的焦距f'，每一个像元的直径D'，光线入射到像元的半角ω'，以及像高为y”可以得到如下公式：
Figure BDA0002675267230000051
当从焦平面出射的光线不在焦点时，从透镜阵列出射的光线将会和光轴有一定的夹角α，定义光束采样器到透镜阵列主截面的距离为l'，光束采样器的每一个孔径的直径为d'，则可以得到公式：
Figure BDA0002675267230000052
Figure BDA0002675267230000053
根据公式(2)和公式(3)，可以得到公式(4)如下：
Figure BDA0002675267230000054
将公式(3)代入到公式(4)，可以得到公式(5)如下：
Figure BDA0002675267230000055
为了使通过光束采样器和透镜阵列的光线尽可能的平行，利用夹逼准则让α≈0，我们可以得到公式6的约束条件表达式：
Figure BDA0002675267230000056
从公式(6)可以得到，孔径的直径d'越小，透镜阵列的焦距f'越长，这能够使α变得更小，但d'越小f'越长，光线容易发生衍射且透镜阵列的每个像元的尺寸也会更大，这会造成空间分辨率的下降，所以光束采样器孔径的大小和透镜阵列的焦距对成像结果会造成很大的影响，且彼此是相互制约的。
孔径直径d'太小，产生衍射的现象对光路的具有一定影响，从菲涅尔衍射角度对光路进行分析。设光波的复振幅的透射系数为
Figure BDA0002675267230000061
孔径函数为A(x1,y1)，f1为像方远心物镜的焦距，x1和y1是光束采样器上的坐标，波矢量为k＝2π/λ，波长为λ，透射函数的可以由下式表示：
Figure BDA0002675267230000062
假设
Figure BDA0002675267230000063
为通过光束采样器前的光的复振幅分布，
Figure BDA0002675267230000064
是通过光束采样器后的光的复振幅的分布，可以得到公式(8)如下：
Figure BDA0002675267230000065
在菲涅尔近似条件下，可以得到成像屏(这里指透镜阵列)上的光线的能量的分布：
Figure BDA0002675267230000066
其中，x和y是透镜阵列上的坐标，z1为光束采样器到成像屏之间的间距。当衍射屏(这里指光束采样器)的大小远小于z1是，公式9可以表达为：
Figure BDA0002675267230000067
其中，*为卷积符号。
将公式(7)和(8)代入公式(10)，可以得到：
Figure BDA0002675267230000068
当
Figure BDA0002675267230000069
取零时，存在xmax和ymax，我们加入下列约束条件来满足系统的指标要求：
Figure BDA0002675267230000071
参见图3，图3为本申请实施例中光路通过不同孔径的光束采样器的衍射图。
光线通过小孔会产生衍射现象，当小孔的大小与光线波长可比拟时，会产生明显的衍射现象，本光路在尽量避免衍射现象所带来的光路偏折，也要尽可能的缩小孔径的大小，避免其他视场角度的入射光线降低准直效果的质量，进而提高光谱分辨率，图3(a)、图3(b)、图3(c)分别在小孔孔径为150um、80um、40um的衍射情况。
其中，所述光束采样器为数字微镜器件(DMD)或掩膜版。
所述色散单元由三棱镜和闪耀光栅组成；
所述成像单元为凹面反射镜。
参见图4，图4为本申请实施例中大视场高分辨率的光谱成像的工作原理示意图。
图4中的光束采样器使用掩膜版实现。
使用变焦的像方远心镜头作为光谱成像装置的物镜，可将不同视场角的物点发出的光线的主光线平行地聚焦到焦面上；
再在焦平面上，或焦平面与透镜阵列之间放置掩膜版，通过使用掩膜版对物方空间的点进行离散的采样，掩膜版的孔径大小与系统波长可比拟时会产生明显的衍射效应，导致光路没按照几何光路的计算方向传播；掩膜版的孔径太大会导致较多的光线通过，进而产生光谱重叠、光谱分辨率下降的问题。因此，计算好合适的掩膜版的孔径大小将会对结构产生较好的效果。
然后将透镜阵列的焦点对准焦平面，通过掩膜版的光线直接进入透镜阵列，透镜阵列像元的大小与焦距需要与前端系统的光线出射角度进行匹配，透镜阵列每一个像元的焦点需与光束采样器的每一个孔径对准，保证每一个物点的所有光线能够平行的出射到色散系统。
最后通过三棱镜和闪耀光栅组成的色散单元对光谱进行色散；
通过凹面反射镜对整体光谱进行聚焦，在像面上生成光谱图像。
本申请实施例中从几何光学和物理光学的角度对结构组合进行分析，克服了传统光谱仪受视场角度变大影响而导致光谱分辨率下降的问题。
采用光束采样器对大视场下的物点进行下采样、利用透镜阵列对光束进行准直的简单方式来实现更高的光谱分辨率。
本申请实施例中由三棱镜和闪耀光栅组合实现色散功能，能够保证光谱均匀分布，使得每一个像元探测的波长数尽可能的一致，均匀的光谱为光谱成像带来更多的光谱信息。
本申请实施例中提供的光谱成像装置具有简单的结构，更小的尺寸和更轻的重量，为航天等特殊要求的应用提供实现可能。
下面结合附图，详细说明本申请实施例中实现光谱成像的过程。
参见图5，图5为本申请实施例中光谱成像流程示意图。具体步骤为：
步骤501，将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上。
步骤502，通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样。
所述光束采样器位于焦平面上，或焦平面与透镜阵列之间。
步骤503，通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出。
所述透镜阵列的焦点对准焦平面；
所述透镜阵列的阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，所述透镜阵列的每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。
步骤504，对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。
其中，
所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：
Figure BDA0002675267230000081
Figure BDA0002675267230000082
Figure BDA0002675267230000091
Figure BDA0002675267230000092
其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；
Figure BDA0002675267230000093
为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；
Figure BDA0002675267230000094
为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为
Figure BDA0002675267230000095
等于0时候的位置坐标。
本申请实施例中采用像方远心镜头作为光谱成像装置的前端，可将不同视场角的物点发出的光线平行地聚焦到焦面上。再在焦平面上放置光束采样器，通过使用光束采样器对物方空间的点进行下采样，光束采样器的孔径大小与系统波长可比拟时会产生明显的衍射效应，这会导致光路不按照几何光路的计算方向传播；而光束采样器的孔径太大会导致通过较多的光线，进而导致光谱重叠，光谱分辨率下降的问题。因此，计算好合适的光束采样器的孔径大小将会对结构产生较好的效果。然后将透镜阵列的焦点对准焦平面，通过光束采样器的光线直接进入透镜阵列，透镜阵列像元的大小与焦距需要与前端系统的光线出射角度进行匹配，透镜阵列每一个像元的焦点需与光束采样器的每一个孔径对准，保证每一个物点的所有光线能够平行的出射，对出射的光线进行色散、聚焦生成光谱图像。
该方案能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；
所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；
所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；
所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光束采样器位于所述焦平面上，或所述焦平面与透镜阵列之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述透镜阵列，进一步用于使焦点对准焦平面；使阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，其中，每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个子孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：
Figure FDA0002675267220000011
Figure FDA0002675267220000012
Figure FDA0002675267220000013
Figure FDA0002675267220000014
其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；
Figure FDA0002675267220000021
为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；
Figure FDA0002675267220000022
为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为
Figure FDA0002675267220000023
等于0时候的位置坐标。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光束采样器为数字微镜器件DMD或掩膜版。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，
所述色散单元由三棱镜和闪耀光栅组成；
所述成像单元为凹面反射镜。
7.一种光谱成像方法，其特征在于，所述方法包括：
将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出；
对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述光束采样器位于焦平面上，或焦平面与透镜阵列之间。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述透镜阵列的焦点对准焦平面；
所述透镜阵列的阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，所述透镜阵列的每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。
10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，
所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：
Figure FDA0002675267220000031
Figure FDA0002675267220000032
Figure FDA0002675267220000033
Figure FDA0002675267220000034
其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；
Figure FDA0002675267220000035
为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；
Figure FDA0002675267220000036
为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为
Figure FDA0002675267220000037
等于0时候的位置坐标。
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