[發明專利]一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器

有效

• 申請號: 201410546472.7
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104359555A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 袁小文;陳飛良;王玘;孫聊新;王少偉;張波;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明屬于光譜分析技術領域，尤其涉及到一種可以有效的提高光譜分辨率的便攜式高光譜重構器。

背景技術

光譜分光技術在空間探測、軍事偵察、地球資源勘探、天氣預報、環境污染檢測、生物醫學和食品安全檢測等各個領域有著廣泛的應用。無論是在軍事還是民生方面，光譜分辨率都是光譜儀系統的核心指標。光譜技術發展至今已經出現一些理論上可有效提高光譜分辨率的重構算法，這些重構算法主要是通過對每個探測元進行分辨率更高的光譜響應定標進而反演出突破系統自身分辨極限的光譜數據。在這個過程中光譜響應定標越準確、越精細，反演出的光譜數據也越可靠。但在實際定標過程中每個探測元，如CCD單個像元，不可避免的會受到相鄰單元光學或電學信號的串擾，從而嚴重影響了光譜重構算法在實際光譜技術中的運用。

數字微反射鏡(DMD)是由德州儀器公司開發的MEMS空間光調制器，最初應用在投影技術中，由于可對每個微鏡單元進行自主控制，目前它也開始被應用于數字光譜技術領域。基于數字微反射鏡的數字光譜技術有效結合了色散型光譜技術高機械穩定性和干涉型光譜技術高通量高靈敏度的特點，但為滿足便攜式要求，其復雜的光學系統和相對來說較大尺寸的微鏡單元導致光譜分辨率比傳統的光譜技術分辨率要低，這一缺陷極大的限制了數字光譜技術的推廣和實際運用。

發明內容

本發明提出一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器，用以解決現代數字變換光譜技術中光譜分辨率低和光譜響應定標不準的問題。

所述的便攜式高光譜重構器，包括：分光器1，所述的分光器1具有入射狹縫101、準直鏡102、光柵103和聚焦鏡104，其中準直鏡102將通過入射狹縫101的光束準直為平行光束并入射到光柵103表面，準直光束經光柵分光后經聚焦鏡104聚焦輸出；通道選擇器2，通道選擇器2由數字微反射鏡201構成，不同微鏡單元可自由控制不同波長匯聚光斑的傳輸；光匯聚器3，所述的光匯聚器3具有準直鏡301、光柵302、聚焦鏡303、柱面鏡304和出射口305，其中所述的準直鏡301將不同通道的光斑的發散光束準直為不同方向的平行光束并入射到光柵302表面，準直光束經光柵補償光程差后由聚焦鏡303和柱面鏡304匯聚成一個極小的光斑并從出射口305輸出。

所述的基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器光譜重構過程由以下部件實現：首先利用重構器的分光器1將已知標準光源的入射光分光并聚焦到通道選擇器2的不同通道處(總數為N)，然后掃描通道選擇器2讓每個通道上的光斑依次進入光匯聚器3并輸出，在掃描每個通道的同時利用大型高精密光譜儀在輸出口305處測試光譜響應從而得到每一個通道的光譜響應曲線，定標時需要盡可能高的光譜分辨率以滿足定標采樣點M＞＞N，此時可得到系統的二維光譜響應矩陣T(N×M)。在實際的外場測試中，可在輸出口305配備單點探測器測試每個通道的強度值從而得到測試樣本實際的光譜曲線(N×1)，然后將此光譜曲線和預先定標好的光譜響應矩陣T相關聯，通過非負矩陣滿秩分解算法重構出光譜分辨率更高的光譜數據(M×1)。

本發明的優越性在于：可以通過對便攜式高光譜重構器每個通道進行預先高精度的光譜定標重構出突破系統自身光譜分辨極限的光譜數據，該重構結果有望達到大型高精度譜儀的光譜分辨率；同時系統在掃描測試實際光譜信號時若采用多通道技術，可以極大的提高系統靈敏度，有利于其在食品、航天等微弱信號探測領域得到應用。

附圖說明

圖1示出了高光譜重構器的方框圖；

圖2示出了高光譜重構器一種具體實施方案的Zemax設計圖；

圖3A示出了在重構器的一個實施方案中分光器的棱鏡分光系統替代實施方案的圖示，圖3B示出了在重構器的一個實施方案中分光器的凹面光柵替代實施方案的圖示；

圖4示出了在重構器的一個實施方案中光匯聚器的凹面光柵替代實施方案的圖示；

圖5示出了通道選擇器打開某一通道的光譜定標曲線；

圖6示出了系統重構出的532nm激光筆光譜數據相對于系統自身光譜分辨率的提高。

具體實施方式

結合以下具體附圖和實施例，對本發明作進一步的詳細說明。應理解，為了例示的簡便和清楚，在認為適合時，各個附圖中附圖標記可重復，以指示相應的或類似的元件或步驟。此外，提出了一些具體細節，以提供對此處描述的實施方案的徹底理解。然而，本領域的技術人員會理解，此處描述的實施方案可在沒有這些具體細節的情況下實施。