CN117470376A - 一种快速成像光谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速成像光谱测量系统及方法，测量系统包括成像物镜、微透镜面阵列、光纤束、光纤支架、透镜线阵列、柱面透镜线阵列、干涉光谱仪和数据处理系统。成像物镜对目标进行成像，微透镜面阵列将一次像面分割为N个子像面，透镜线阵列和柱面透镜线阵列对光纤线阵列的输出光线整形，并输出至干涉光谱仪得到相应干涉信息，每个柱面透镜线阵列对应一个干涉光谱仪，多个干涉光谱仪同时对相对应柱面透镜线阵列的输出光进行处理得到所有光纤的干涉信息，通过数据处理系统处理得到目标完整的光谱数据立方体。该系统利用光纤束与透镜阵列将像面拆分，将高维数据转换为低维数据，实现一次短曝光获得大信息量的数据立方体，提高成像光谱测量速度。

Description

一种快速成像光谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及成像光谱测量技术领域，尤其涉及一种快速成像光谱测量系统及方法。

背景技术

成像光谱仪可以获得目标随空间分布的二维图像信息和目标可分辨单元的一维光谱信息，从而得到目标完整的光谱数据立方体。不同的景物或目标，其光谱的分布形式具有较大差别，利用三维数据信息可以对探测目标进行识别、分类，或者对物质进行定量化分析。

现有滤光片型、色散型光谱仪、干涉型光谱仪均需要连续扫描获得目标完整的光谱数据立方体，并且成像速度较慢、时间上没有连续性，很难对高速运动的目标进行探测，使用场景受到了限制。

发明内容

本发明的目的是解决一种快速成像光谱测量系统及方法，能够通过一次曝光获得探测目标的光谱数据立方体，解决传统成像光谱仪成像速度慢的问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种快速成像光谱测量系统，包括成像物镜、微透镜面阵列、光纤束、光纤支架、透镜线阵列、柱面透镜线阵列、干涉光谱仪和数据处理系统，其中：

成像物镜用于对目标进行成像；

微透镜面阵列位于成像物镜的下游，包括N个微透镜，用于将成像物镜的一次像面分割为N个子像面，子像面的数量为测量系统的空间分辨率；

光纤束通过光纤支架支撑固定，光纤束由N根光纤组成，且入射端为面阵，N个微透镜分别用于汇聚N个子像面光线并传输入射至对应的N根光纤中，出射端拆分为M个光纤线阵列，每个所光纤线阵列对应一个透镜线阵列，每个光纤线阵列包括K根光纤，每个透镜线阵列包括K个透镜，光纤线阵列中的一根光纤对应一个透镜，用于将相对应的光纤的出射光整形为圆斑形状，每个柱面透镜线阵列对应一个透镜线阵列，且每个柱面透镜线阵列包括K个柱面透镜，每个柱面透镜线阵列的柱面透镜与透镜线阵列的透镜一一对应，用于将入射的圆斑形状光线整形为线形准直光束，K个柱面透镜的输出光入射至一个干涉光谱仪后进行干涉分光处理得到K个干涉信息；

每个柱面透镜线阵列对应一个干涉光谱仪，M个干涉光谱仪同时对相对应柱面透镜线阵列的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，数据处理系统用于对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体；

其中，N＝M×K，

可选地，干涉光谱仪采用干涉式静态光谱仪。

可选地，光纤支架包括多个长杆件，多个长杆件沿光纤的长度方向插入在相邻光纤的缝隙内。

可选地，相邻光纤的每个缝隙内插入三根长杆件。

可选地，长杆件为碳纤维材料制成。

第二方面，本发明还提供了一种快速成像光谱测量方法，采用第一方面中任一实现方式的快速成像光谱测量系统进行测量，步骤如下：

成像物镜对探测目标进行成像观测，并将目标的像以合适大小成像在系统焦平面处，作为系统的一次像面；

微透镜面阵列对成像物镜的一次像面进行处理，将一次像面分割为N个子像面，子像面的数量为测量系统的空间分辨率，N个微透镜分别汇聚N个子像面光线并传输入射至对应的N根光纤中；

透镜线阵列对相对应光纤输出光线整形为圆斑形状，并入射至相对应的柱面透镜线阵列，柱面透镜线阵列对输入光线进行二次整形，使其输出光变为线形准直光束，K个柱面透镜的输出光入射至一个干涉光谱仪后进行干涉分光处理得到K个干涉条纹；

M个干涉光谱仪同时对相对应柱面透镜线阵列的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，数据处理系统对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体。

可选地，数据处理系统用于对干涉信息进行处理方法如下：通过光谱反演算法得到各个子像面的光谱信息，依据光纤的排列顺序，通过图像拼接合成算法得到目标完整的光谱数据立方体。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的快速成像光谱测量系统，包括成像物镜、微透镜面阵列、光纤束、光纤支架、透镜线阵列、柱面透镜线阵列、干涉光谱仪和数据处理系统。成像物镜对探测目标进行成像观测，微透镜面阵列用于将成像物镜的一次像面分割为N个子像面，透镜线阵列和柱面透镜线阵列对光纤线阵列的输出光线进行整形，输出线形准直光线至干涉光谱仪得到K个干涉信息，每个柱面透镜线阵列对应一个干涉光谱仪，M个干涉光谱仪同时对相对应柱面透镜线阵列的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，数据处理系统用于对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体。该测量系统利用光纤束与透镜阵列将像面拆分为多个子像面，将高维数据转换为低维数据，实现一次短曝光获得信息量较大的数据立方体，提高了成像光谱的测量速度。并且通过光纤支架对光纤束进行支撑固定，在光线传输的过程中，避免光纤的随意弯折对输出光线产生影响，造成输出光斑的强度分布不均匀，同时光纤输出光的稳定输出可以减少辐射定标的难度，提升定标的精度。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例一种快速成像光谱测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中光纤线阵列与透镜线阵列、柱面透镜线阵列以及干涉光谱仪的示意图；

图3是本发明实施例中一种光纤支架支撑光纤束的结构示意图；

图4是本发明实施例中干涉光谱仪后进行干涉分光处理后得到干涉信息示意图。

图中：

1：成像物镜；

2：微透镜面阵列；

3：光纤束；

31：光纤；

4：光纤支架；

41：长杆件；

5：透镜线阵列；

6：柱面透镜线阵列；

7：干涉光谱仪；

8：数据处理系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1～图3所示，本发明实施例提供的快速成像光谱测量系统，包括成像物镜1、微透镜面阵列2、光纤束3、光纤支架4、透镜线阵列5、柱面透镜线阵列6、干涉光谱仪7和数据处理系统8。成像物镜1用于对目标进行成像，作为测量系统的一次像面。微透镜面阵列2位于成像物镜1的下游，包括N个微透镜，用于将成像物镜1的一次像面分割为N个子像面，子像面的数量为测量系统的空间分辨率。

光纤束3通过光纤支架4支撑固定，保证光信号在光纤中传输的稳定性。光纤束3由N根光纤31组成，且入射端为面阵紧密排列，N个微透镜分别用于汇聚N个子像面光线并传输入射至对应的N根光纤31中，光纤束3的出射端拆分为M个光纤线阵列。参见图2所示，每个光纤线阵列包括K根光纤31。每个光纤线阵列对应一个透镜线阵列5，每个光纤线阵列中的一根光纤31对应透镜线阵列5中的一个透镜，用于将相对应的光纤31的出射光整形为圆斑形状，每个柱面透镜线阵列6对应一个透镜线阵列5。具体地，每个柱面透镜线阵列6包括K个柱面透镜，每个柱面透镜线阵列6的柱面透镜与相对的透镜线阵列5的透镜一一对应，用于将入射的圆斑形状光线整形为线形准直光束，K个柱面透镜的输出光入射至一个干涉光谱仪7后进行干涉分光处理得到K个干涉信息，即参见图4所示，在干涉光谱仪7的面阵探测器上形成K个区域的干涉条纹，对应于K根不同光纤入射光的干涉信息。每个光纤线阵列对应一个干涉光谱仪，M个干涉光谱仪同时对相对应柱面透镜线阵列6的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，数据处理系统用于对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体。其中，N＝M×K，

本实施例的测量系统利用光纤束与透镜阵列将像面拆分为多个子像面，将高维数据转换为低维数据，实现一次短曝光获得信息量较大的数据立方体，提高了成像光谱的测量速度。并且通过光纤支架对光纤束进行支撑固定，在光线传输的过程中，避免光纤的随意弯折对输出光线产生影响，造成输出光斑的强度分布不均匀，同时光纤输出光的稳定输出可以减少辐射定标的难度，提升定标的精度。

在本实施例中，微透镜的像方孔径要与光纤的数值孔径相匹配，每个微透镜的光轴与光纤的光轴均重合。每个透镜线阵列5的透镜与光纤线阵列的光纤31一一对应，每个透镜与每根光纤31光轴重合。根据干涉光谱仪7的极限入射孔径角确定光谱仪物高，再根据光纤31的线芯直径可以确定光纤线阵列的光纤根数K。

在一优选实施方式中，干涉光谱仪7采用干涉式静态光谱仪。利用透镜线阵列和柱面透镜线阵列的组合将光纤输出光整形为线型光线，利用面阵探测器可一次对多根光纤的输出光进行光谱分析，再通过多个光谱仪的组合使用可以达到一次成像的目的，并且干涉式光谱仪具有较高的光通量，能进一步提升数据的信噪比。

参见图3所示，在一可选实施方式中，光纤支架4包括多个长杆件41，多个长杆件41沿光纤31的长度方向插入在相邻光纤31的缝隙内，形成多个长杆件41包围在光纤31的外层，各个光纤31与长杆件41之间互相支撑，形成稳定的支撑结构，使得光信号在光纤中传输时，其最终输出的光信号分布不会由于光纤的任意弯折发生变化，保证光信号的稳定传输。优选地，相邻光纤31的每个缝隙内插入三根长杆件41，使每个光纤31至少有十二根长杆件41固定，形成更稳定的支撑结构。优选地，长杆件41采用可塑性较高、强度较高、重量更轻的碳纤维材料。

本实施例提供了一种快速成像光谱测量方法，采用上述实施例中的快速成像光谱测量系统进行测量，步骤如下：

步骤一：成像物镜对探测目标进行成像观测，并将目标的像以合适大小成像在系统焦平面处，作为系统的一次像面。

步骤二：微透镜面阵列对成像物镜的一次像面进行处理，将整个像面分割为N个子像面，子像面个数N为系统的空间分辨率，即N个空间面元，微透镜对子像面进行二次成像至光纤束的入射端面，微透镜的像方孔径要与光纤的数值孔径相匹配，每个微透镜的光轴与光纤的光轴均重合，同时微透镜面阵列以紧密排列的方式分布，并与光纤一一对应。

步骤三：光纤束的入射端口与微透镜面阵列相匹配，每根光纤对应于一个微透镜，因此共有N根光纤组成光纤束，光纤束的出射端将N根光纤拆分为M个光纤线阵列，每个光纤线阵列一字排开，且每个光纤线阵列的光纤根数与透镜线阵列的透镜数量相同，光纤束用于将子像面的光信号传输至干涉光谱仪入射端口。

步骤四：透镜线阵列对光纤线阵列的输出光线进行整形，将光纤输出光以圆斑形状入射至柱面透镜，M个光纤线阵列对应M个透镜线阵列，透镜与光纤一一对应，且两者光轴重合，根据干涉光谱仪的极限入射孔径角确定光谱仪物高，再根据光纤的线芯直径可以确定光纤线阵列的光纤根数K，亦为透镜线阵列的透镜个数K。

步骤五：柱面透镜线阵列对输入光线进行二次整形，使其输出光变为线形准直光束，其光束的准直特性保证各个柱面透镜间的光束不会互相影响，柱面透镜线阵列与透镜线阵列一一对应，个数亦为K。

步骤六：K个柱面透镜输出的线形准直光线经过干涉光谱仪后，将探测器面阵均分为K个区域，形成不同的干涉条纹，每个区域的干涉条纹对应于每根光纤的干涉信息，即步骤一中一个空间面元的干涉信息，通过傅里叶变换可以得到该空间面元的光谱信息，干涉光谱仪与光纤线阵列一一对应，数量为M，M个干涉光谱仪同时使用，可以获得所有面元的光谱信息。

步骤七；数据处理系统对步骤六中获得的干涉信息进行处理，经过光谱反演算法可以得到各个空间面元的光谱信息，依据光纤的排列顺序，通过图像拼接合成算法得到目标完整的光谱数据立方体。

本实施例的快速成像光谱测量方法，利用光纤束与透镜阵列将像面拆分为多个子像面，将高维数据转换为低维数据，可实现一次短曝光获得信息量较大的数据立方体，提高了成像光谱的测量速度。

本发明未详细说明之处为现有技术或本领域公知常识。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种快速成像光谱测量系统，其特征在于：包括成像物镜、微透镜面阵列、光纤束、光纤支架、透镜线阵列、柱面透镜线阵列、干涉光谱仪和数据处理系统，其中：

所述成像物镜用于对目标进行成像；

所述微透镜面阵列位于所述成像物镜的下游，包括N个微透镜，用于将所述成像物镜的一次像面分割为N个子像面，所述子像面的数量为测量系统的空间分辨率；

所述光纤束通过光纤支架支撑固定，所述光纤束由N根光纤组成，且入射端为面阵，N个所述微透镜分别用于汇聚N个子像面光线并传输入射至对应的N根光纤中，出射端拆分为M个光纤线阵列，每个所述光纤线阵列对应一个所述透镜线阵列，每个所述光纤线阵列包括K根所述光纤，每个所述透镜线阵列包括K个透镜，所述光纤线阵列中的一根光纤对应透镜线阵列中的一个所述透镜，用于将相对应的所述光纤的出射光整形为圆斑形状，每个柱面透镜线阵列对应一个透镜线阵列，且每个所述柱面透镜线阵列包括K个柱面透镜，每个所述柱面透镜线阵列的柱面透镜与所述透镜线阵列的透镜一一对应，用于将入射的圆斑形状光线整形为线形准直光束，K个所述柱面透镜的输出光入射至一个所述干涉光谱仪后进行干涉分光处理得到K个干涉信息；

每个所述柱面透镜线阵列对应一个所述干涉光谱仪，M个所述干涉光谱仪同时对相对应所述柱面透镜线阵列的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，所述数据处理系统用于对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体；

其中，N＝M×K，

2.根据权利要求1所述的快速成像光谱测量系统，其特征在于：所述干涉光谱仪采用干涉式静态光谱仪。

3.根据权利要求1所述的快速成像光谱测量系统，其特征在于：所述光纤支架包括多个长杆件，所述多个长杆件沿光纤的长度方向插入在相邻光纤的缝隙内。

4.根据权利要求3所述的快速成像光谱测量系统，其特征在于：相邻光纤的每个缝隙内插入三根所述长杆件。

5.根据权利要求3或4所述的快速成像光谱测量系统，其特征在于：所述长杆件为碳纤维材料制成。

6.一种快速成像光谱测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-5任一项所述的快速成像光谱测量系统进行测量，步骤如下：

成像物镜对探测目标进行成像观测，并将目标的像以合适大小成像在系统焦平面处，作为系统的一次像面；

微透镜面阵列对成像物镜的一次像面进行处理，将所述一次像面分割为N个子像面，所述子像面的数量为测量系统的空间分辨率，N个所述微透镜分别汇聚N个子像面光线并传输入射至对应的N根光纤中；

透镜线阵列对相对应光纤输出光线整形为圆斑形状，并入射至相对应的柱面透镜线阵列，柱面透镜线阵列对输入光线进行二次整形，使其输出光变为线形准直光束，K个所述柱面透镜的输出光入射至一个所述干涉光谱仪后进行干涉分光处理得到K个干涉条纹；

M个所述干涉光谱仪同时对相对应所述柱面透镜线阵列的输出光进行干涉分光处理得到每根光纤的干涉信息，所述数据处理系统对干涉信息进行处理得到目标完整的光谱数据立方体。

7.根据权利要求6所述的快速成像光谱测量方法，其特征在于：

所述数据处理系统用于对干涉信息进行处理方法如下：通过光谱反演算法得到各个子像面的光谱信息，依据光纤的排列顺序，通过图像拼接合成算法得到目标完整的光谱数据立方体。