[發明專利]基于反向雙光路的光譜重建方法

有效

• 申請號: 201310583197.1
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103604499A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 柏連發;張毅;岳江;韓靜;湯茂飛;陳錢;顧國華;吉莉
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于光譜測量和光譜成像技術領域，具體涉及一種基于反向雙光路的光譜重建方法。

背景技術

成像光譜儀是一種能將連續光譜的目標光譜分割成多份狹窄譜段的分光儀器，通過對目標光譜的分析可以測量物品含有的元素。因此，成像光譜儀是對物質結構、成分處理進行分析的常用設備，廣泛應用于冶金、地質、化工、醫藥和環境等領域。

目前，最常見的成像光譜儀是基于狹縫的光譜儀，其光譜分辨率與狹縫寬度直接相關。為了達到理想的高分辨率，其狹縫的縫寬要足夠窄，而過窄的狹縫嚴重限制了進入系統的光源能量，無法獲得理想的信噪比，有時甚至根本無法探測出信號，這就造成了光譜分辨率與系統通光量成了一對矛盾量，限制了其在弱光下的應用。

吳從均等在《光譜學與光譜分析[J]》.2013,33(8)發表的“基于Offner結構分視場成像光譜儀光學設計”一文中，通過分析現有Offner成像光譜儀，給出了一種簡單的采用凸面光柵設計成像光譜儀的方法，該方法雖然提高了分辨率，滿足了大視場的要求，但仍然沒有克服通過一個狹窄的狹縫實現在成像器件上直接獲得光譜的不足，其應用范圍有限。

申請號為201210085114.1中國專利申請公開了一種“光柵成像光譜儀”，該方案由于沒有克服現有成像光譜儀中多為通過在前端放置較窄的狹縫實現在色散后直接獲得光源光譜的不足，所以為了直接獲得光源光譜，狹縫就必須較窄，造成后端能量較低，進而對探測器件探測能力要求較高，或者需要所測光源能量較強，無法在光線較弱的夜視、生物醫學等場合使用。

如何克服上述現有技術的不足，已成為當今光譜測量和光譜成像技術領域亟待解決的關鍵難題之一。

發明內容

本發明針對現有基于狹縫的成像光譜儀在弱光下探測能力受限的關鍵問題，提出一種基于反向雙光路的光譜重建方法，解決了傳統狹縫光譜儀在光源能量較弱和光線較弱情況下難以獲得具有高光譜分辨率目標場景光譜的問題。

解決上述技術問題的技術方案為：基于反向雙光路獲取正向色散后的目標光譜像和逆向色散后的目標光譜像，然后依據正向色散后的目標光譜像和逆向色散后的目標光譜像重建目標光譜，

所述反向雙光路結構包括目標物鏡（1）、狹縫（2）、準直鏡（3）、分束鏡（4）、第一色散元件（5）、第一匯聚鏡頭（6）、第一CCD相機（7）、第二色散元件（8）、第二匯聚鏡頭（9）和第二CCD相機（10）；

目標物鏡（1）、狹縫（2）、準直鏡（3）、分束鏡（4）、第一色散元件（5）、第一匯聚鏡頭（6）、第一CCD相機（7）依次放置組成正向光路，目標物鏡（1）和準直鏡（3）的焦點均在狹縫（2）上且為同光軸，狹縫（2）的寬度方向與第一色散元件（5）的色散方向一致，狹縫（2）的縫寬小于準直鏡（3）的有效聚焦寬度，分束鏡（4）與準直鏡（3）以及第一色散元件（5）的光軸夾角均為45°，第一匯聚鏡頭（6）的焦平面與第一色散元件（5）的表面垂直；

第二色散元件（8）、第二匯聚鏡頭（9）和第二CCD相機（10）依次放置并與標物鏡（1）、狹縫（2）、準直鏡（3）、分束鏡（4）組成反向光路，第二色散元件（8）與分束鏡（4）的光軸夾角為45°、而與第一色散元件（5）的光軸夾角為90°，第二匯聚鏡頭（9）的焦平面與第二色散元件（8）的表面垂直；

目標光譜經過目標物鏡（1）匯聚到狹縫（2）上，通過狹縫（2）的光經過準直鏡（3）后變成平行光并入射到分束鏡（4）上，一部分光透過分束鏡（4）后垂直入射到第一色散元件（5）上，經色散后的光被第一匯聚鏡頭（6）匯聚到第一CCD相機（7）上形成正向色散的目標光譜像；另一部分光經分束鏡（4）反射后垂直入射到第二色散元件（8）上，經色散后的光被第二匯聚鏡頭（9）匯聚到第二CCD相機（10）上形成逆向色散的目標光譜像；

所述依據正向色散的目標光譜像和逆向色散的目標光譜像重建目標光譜的方法，是按行進行光譜重建，對目標光譜每一行依次進行光譜重建后即可獲得目標場景完整的光譜，每一行的光譜重建的過程為：

步驟一：通過推帚掃描在所述反向雙光路中實現狹縫的移動及疊加作用，狹縫寬度為m個像元，狹縫移動n次，在第一CCD相機（7）上獲得n幅正向色散后的目標光譜像，在第二CCD相機（10）上獲得n幅逆向色散后的目標光譜像；取每幅正向色散后的目標光譜像的第一行組成目標場景第一行像元的正向色散光譜數據矩陣L⁺，取每幅逆向色散后的目標光譜像的第一行組成目標場景第一行像元的逆向色散光譜數據矩陣L^-；