CN112067128A - 一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法 - Google Patents

一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法，该装置包括沿光轴顺次放置的前端成像物镜、第一色散分光系统、DMD数字微镜阵列、第二色散分光系统、面阵探测器及控制系统；探测场景发出的光束经过前端成像物镜成像，然后经过第一准直物镜后形成平行光束，通过第一色散分光元件发生色散调制，然后由第一成像物镜在其后焦面位置的数字微镜阵列面上生成色散场景图像；数字微镜阵列将色散场景图像中每一列逐一反射，进入第二准直物镜形成平行光束，经过第二色散元件色散解调后，最后经过第二成像物镜在面阵探测器靶面上逐一得到场景三维光谱立方体的每一个斜切面；经过重组后可以重构出场景三维光谱立方体。

Description

一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法。
背景技术
成像光谱技术是上世纪80年代发展起来的光学探测技术，集合了照相机和光谱仪的特点，可以同时获得探测场景的二位图像信息和各点的光谱曲线，即场景的三维数据立方体。成像光谱仪在多个领域应用广泛，在工业、农业、军事侦察、大气探测等领域发挥重要价值。目前主要的市场售卖的成像光谱仪包括滤光片型、色散型和干涉型三类，其中色散型具有较高的光谱分辨率，且原理简单，是可见光和近红外谱段最常用的成像光谱仪。
传统的色散光谱仪采用入射狭缝对目标场景进行空间滤波，采用单个色散元件获取光谱信息，然后通过系统推扫获取整个场景的光谱信息，该方法主要用于遥感探测；在室内探测或者显微探测时，由于无法直接获取探测场景的图像，而需要辅助的分光元件和成像系统协助对焦，仪器复杂，使用繁琐。且最终光谱图像由每列像素拼接而成，容易引起图像畸变，且可能有明显条带噪声，因而获取的光谱图像空间分辨率不高，且图像质量一般。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法以克服现有技术中存在的不足，通过采用凝视成像方法，可直接对探测场景成像，图像空间分辨率高，且方便系统对焦；系统内部无运动部件，可靠性高；采用DMD数字微镜阵列，探测速度高。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种高速静态色散成像光谱装置包括在同一光轴顺次放置的前端成像物镜、第一色散分光系统、DMD数字微镜阵列、第二色散分光系统、面阵探测器，控制系统通过导线与面阵探测器和DMD数字微镜阵列相连；其中第一色散分光系统由第一准直物镜、第一色散元件和第一成像物镜组成；第二色散分光系统由第二准直物镜、第二色散元件和第二成像物镜组成；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；前端成像物镜的像面与第一准直物镜的前焦面重合；DMD数字微镜阵列位于第一成像物镜的后焦面，该面也是第二准直物镜的前焦面；探测器的靶面位于第二成像物镜的后焦面位置；DMD数字微镜阵列的每一行像元方向与第一色散元件色散方向相同，也与第二色散元件色散方向相同。
作为一种优选方案，本发明一种高速静态色散成像光谱装置中光路走向如下：探测场景发出的光束经过前端物镜1确定目标视场，消除杂散光；随后进入第一准直物镜，形成准直光束后入射到第一色散元件发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜后，在DMD数字微镜阵列所在平面上形成色散场景图像；透过DMD数字微镜阵列每列微镜逐一反射的光束首先经过第二准直物镜后，形成平行光束进入第二色散元件进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜的成像作用，在面阵探测器的靶面上生成场景的光谱滤波图像。
作为一种优选方案，本发明一种高速静态色散成像光谱装置中的第一准直物镜、第一成像物镜、第二准直物镜和第二成像物镜具有相同的焦距；第一色散元件可以为透射式色散光栅、反射式色散光栅、色散分光棱镜等色散元件；且第一色散元件和第二色散元件规格相同。
作为一种优选方案，本发明一种高速静态色散成像光谱装置中的DMD数字微镜阵列由控制系统控制匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证探测器拍摄的单帧图像中只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件。
基于上述一种高速静态色散成像光谱装置的探测方法包括以下步骤：
第一步，探测场景发出的光束经过前端物镜后成像在其像面位置，并且确定目标视场，消除杂散光；
第二步，光束进入第一准直物镜，形成准直光束后入射到第一色散元件发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜后，在DMD数字微镜阵列所在平面上形成色散场景图像；
第三步，控制系统控制DMD数字微镜阵列匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证探测器拍摄的单帧图像中只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件，使得色散场景图像中的每一列光信息依次反射进入第二色散分光元件；
第四步，依次透过DMD数字微镜阵列反射的每列光束首先经过第二准直物镜后，形成平行光束进入第二色散元件进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜的成像作用，在面阵探测器的靶面上依次生成DMD数字微镜阵列每列反射光束对应的场景光谱图像；控制系统控制面阵探测器依次采集DMD数字微镜阵列每列反射光束对应场景的光谱图像，经过重组后可以得到场景的三维光谱立方体。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明一种高速静态色散成像光谱装置及其使用方法，可直接对探测场景成像，图像空间分辨率高，且方便系统对焦；内部无运动部件，系统结构牢固可靠；采用DMD数字微镜阵列逐行扫描，探测速度快。
附图说明
图1为本发明一种高速静态色散成像光谱装置的结构示意图。
图2为当本发明装置探测器靶面获取的探测目标场景单帧示意图，其中(a)为目标场景，(b)为传统狭缝型色散成像光谱仪获取的单帧图像，(c)为本发明中面阵探测器获取的单帧图像。
其中：1-前端成像物镜，2-第一色散分光系统：21-第一准直物镜，22-第一色散元件，23-第一成像物镜；3-DMD数字微镜阵列；4-第二色散分光系统：41-第二准直物镜，42-第二色散元件，43-第二成像物镜；5-面阵探测器；6-控制系统。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种高速静态色散成像光谱装置，包括在同一光轴顺次放置的前端成像物镜1、第一色散分光系统2、DMD数字微镜阵列3、第二色散分光系统4、面阵探测器5，控制系统6通过导线与面阵探测器5和DMD数字微镜阵列3相连；其中第一色散分光系统2由第一准直物镜21、第一色散元件22和第一成像物镜23组成；第二色散分光系统由第二准直物镜41、第二色散元件42和第二成像物镜43组成；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；前端成像物镜1的像面与第一准直物镜21的前焦面重合；DMD数字微镜阵列3位于第一成像物镜23的后焦面，该面也是第二准直物镜41的前焦面；探测器5的靶面位于第二成像物镜43的后焦面位置；DMD数字微镜阵列3的每一列微镜方向与第一色散元件22色散方向相同，也与第二色散元件42色散方向相同。
装置中光路走向如下：探测场景发出的光束经过前端物镜1确定目标视场，消除杂散光；随后进入第一准直物镜21，形成准直光束后入射到第一色散元件22发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜23后，在DMD数字微镜阵列3所在平面上形成色散场景图像；经过DMD数字微镜阵列3每列微镜逐一反射的光束首先经过第二准直物镜41后，形成平行光束进入第二色散元件42进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜43的成像作用，在面阵探测器5的靶面上生成场景的光谱滤波图像。
第一准直物镜21、第一成像物镜23、第二准直物镜41和第二成像物镜43具有相同的焦距；第一色散元件22可以为透射式色散光栅、反射式色散光栅、色散分光棱镜等色散元件；且第一色散元件22和第二色散元件42规格相同。
DMD数字微镜阵列3由控制系统6控制控制匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证单帧只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件4。
实施例2
一种用于实时探测的偏振差分多光谱成像方法，包括以下步骤：
第一步，探测场景发出的光束经过前端物镜1后成像在其像面位置，并且确定目标视场，消除杂散光；
第二步，光束进入第一准直物镜21，形成准直光束后入射到第一色散元件22发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜23后，在DMD数字微镜阵列3所在平面上形成色散场景图像；
第三步，控制系统6控制DMD数字微镜阵列3匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证单帧只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件4，即使得色散场景图像中的每一列光信息依次反射进入第二色散分光元件4；
第四步，依次透过DMD数字微镜阵列3反射的每列光束首先经过第二准直物镜41后，形成平行光束进入第二色散元件42进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜43的成像作用，在面阵探测器5的靶面上依次生成DMD数字微镜阵列3每列反射光束对应的场景光谱图像；控制系统6控制面阵探测器5依次采集DMD数字微镜阵列3每列反射光束对应场景的光谱图像，经过重组后可以得到场景的三维光谱立方体。
如图2所示，设目标场景如图2(a)所示，传统狭缝式色散成像光谱仪单帧无法获取目标场景的完整的图像，只能获取探测场景中一列物点的图像，如图2(b)所示，因此进行近距离显微成像探测或者显微成像探测时需要其他分光设备和面阵探测器协助。本发明单帧能够获取探测目标完整的图像，如图2(c)所示，方便系统对探测探测场景对焦。
本发明采用凝视成像方法，可直接对探测场景成像，图像空间分辨率高，且方便系统对焦；内部无运动部件，系统结构牢固可靠；采用DMD数字微镜阵列逐行扫描，探测速度快。

Claims (5)

1.一种高速静态色散成像光谱装置，其特征在于，包括在同一光轴顺次放置的前端成像物镜(1)、第一色散分光系统(2)、DMD数字微镜阵列(3)、第二色散分光系统(4)、面阵探测器(5)，控制系统(6)通过线缆与面阵探测器(5)和DMD数字微镜阵列(3)相连；其中第一色散分光系统(2)由第一准直物镜(21)、第一色散元件(22)和第一成像物镜(23)组成；第二色散分光系统(4)由第二准直物镜(41)、第二色散元件(42)和第二成像物镜(43)组成；所有光学元件相对于光学平台或仪器底座同轴等高；前端成像物镜(1)的像面与第一准直物镜(21)的前焦面重合；DMD数字微镜阵列(3)位于第一成像物镜(23)的后焦面，该面也是第二准直物镜(41)的前焦面；探测器(5)的靶面位于第二成像物镜(43)的后焦面位置；DMD数字微镜阵列(3)的每一行像元方向与第一色散元件(22)色散方向相同，也与第二色散元件(42)色散方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种高速静态色散成像光谱装置，其特征在于，光路走向如下：探测场景发出的光束经过前端物镜(1)确定目标视场，消除杂散光；随后进入第一准直物镜(21)，形成准直光束后入射到第一色散元件(22)发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜(23)后，在DMD数字微镜阵列(3)所在平面上形成色散场景图像；经DMD数字微镜阵列(3)每列微镜逐一反射的光束首先经过第二准直物镜(41)后，形成平行光束进入第二色散元件(42)进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜(43)的成像作用，在面阵探测器(5)的靶面上生成场景的光谱滤波图像。
3.根据权利要求1所述的一种高速静态色散成像光谱装置，其特征在于，第一准直物镜(21)、第一成像物镜(23)、第二准直物镜(41)和第二成像物镜(43)具有相同的焦距；第一色散元件(22)为透射式色散光栅或反射式色散光栅或色散分光棱镜；且第一色散元件(22)和第二色散元件(42)规格相同。
4.根据权利要求1所述的一种高速静态色散成像光谱装置，其特征在于DMD数字微镜阵列(3)由控制系统(6)控制匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证探测器(5)拍摄的单帧图像中只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件(4)。
5.权利要求1中的一种高速静态色散成像光谱装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，探测场景发出的光束经过前端物镜(1)后成像在其像面位置，并且确定目标视场，消除杂散光；
第二步，光束进入第一准直物镜(21)，形成准直光束后入射到第一色散元件(22)发生色散调制，色散光束随后经过第一成像物镜(23)后，在DMD数字微镜阵列(3)所在平面上形成色散场景图像；
第三步，控制系统(6)控制DMD数字微镜阵列(3)匀速逐一改变每列微镜的反射方向，保证探测器(5)拍摄的单帧图像中只有一列微镜反射的光束能够进入第二色散元件(4)，即使得色散场景图像中的每一列光信息依次反射进入第二色散分光元件(4)；
第四步，依次经DMD数字微镜阵列(3)反射的每列光束首先经过第二准直物镜(41)后，形成平行光束进入第二色散元件(42)进行色散解调，出射光束经过第二成像物镜(43)的成像作用，在面阵探测器(5)的靶面上依次生成DMD数字微镜(3)每列反射光束对应场景的光谱图像；控制系统(6)控制面阵探测器(5)依次采集DMD微镜阵列(3)每列反射光束生成场景的光谱图像，经过重组后可以得到场景的三维光谱立方体。
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