[發(fā)明專利]一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置

在審

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• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107436194A
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃華;王立志;付瑩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光譜成像技術(shù)，具體涉及一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，屬于計算攝像學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

光譜成像技術(shù)是一種能同時獲取目標(biāo)空間信息特征和連續(xù)光譜信息特征的成像技術(shù)，它獲取的圖像通常包含數(shù)十到數(shù)百個波段，光譜分辨率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)彩色圖像?；诠庾V成像技術(shù)可以從光譜維度上揭示不同物質(zhì)的本質(zhì)，因此在諸多軍用和民用領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的光譜成像儀器普遍采用時序掃描技術(shù)，核心思想是通過犧牲時間和空間分辨率換取光譜信息，實(shí)現(xiàn)了光譜采集在光譜維度上的性能提升。擺掃式光譜成像設(shè)備使用單點(diǎn)掃描、線陣探測的方式，采用可擺動的反光鏡將場景光反射到探測器，每次只對一個像素點(diǎn)進(jìn)行光譜采集；反光鏡的掃描方向與搭載裝置的飛行器的前進(jìn)方向垂直，先后采集場景全部區(qū)域的光譜信息。

推掃式光譜儀使用狹縫掃描、面陣探測的方式，設(shè)計合適的狹縫使得探測器每次只接受場景中某一行的光信息，使用的探測器方向與搭載該儀器的飛行器的前進(jìn)方向垂直，通過向前推進(jìn)該儀器，達(dá)到覆蓋整個場景的目的。

光譜掃描式光譜儀通過帶通濾光片輪換選擇當(dāng)前獲取的光譜信息，將三維光譜圖像拆分成單一譜帶灰度圖像進(jìn)行采集，從而得到當(dāng)前譜帶的場景信息。

上述三種傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)的問題在于忽略了多維光譜信息之間存在的自相關(guān)性，時序掃描的方法無法應(yīng)用于動態(tài)場景，裝置運(yùn)動部件難以保持長時間穩(wěn)定，因此光譜信息精度易受影響。此外，帶通濾光片的設(shè)計使得光通量降低，再加上色散元件帶來的光通量損失，使得探測器上最終獲取的光電信號較弱。要解決弱光電信號的問題，一種方法是增加像素的面積，但是會降低裝置的空間分辨率；另一種方法是增加曝光時間，但是會降低裝置的時間分辨率，同時也容易受到噪聲的影響。因此，上述方法均無法同時實(shí)現(xiàn)高光通量和實(shí)時采集。

在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)還存在以下的問題：空間分辨率依賴傳感器密度，硬件造價昂貴；掃描數(shù)據(jù)量大，采樣效率低；裝置難以小型化、輕型化等。這些問題都有待進(jìn)一步解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中光譜維度信息損失較大且無法實(shí)時獲取的缺點(diǎn)，提出一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，提供一種只需要單次曝光且不使用帶通濾光片的成像方法，具有步驟簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不需要昂貴設(shè)備、適用于多種場景，且在存在一定噪聲的情況下依然能保持采集精度的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開的一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，使用的光學(xué)器件包括：成像物鏡、透射式衍射光柵、中繼透鏡、微透鏡陣列、CCD探測器；

成像物鏡用于對要獲取的目標(biāo)成像；

透射式衍射光柵用于對成像物鏡成像的光譜信息進(jìn)行色散，光束色散成連續(xù)的譜帶；其位置在成像物鏡的像面上；

中繼透鏡用于將透射式衍射光柵色散后的光在軸線上無損的向前傳遞到所需位置；

微透鏡陣列用于將入射光會聚，經(jīng)會聚后來自原始場景某個空間局部內(nèi)相同波長的光會聚在同一個像素點(diǎn)上；其由尺度小、集成度高的柱面透鏡排列而成；柱面透鏡可以對光束進(jìn)行一維整形；每個柱面透鏡的形狀和位置都具有良好的一致性；

CCD探測器用于對光信號進(jìn)行感光和光電轉(zhuǎn)換，然后傳輸給計算機(jī)；其位置在微透鏡陣列的像面上；

連接關(guān)系：

成像物鏡的像面與透射式衍射光柵的光柵平面重合，微透鏡陣列放置在中繼透鏡的像面上，微透鏡陣列的像面與CCD探測器平面重合。

有益效果：

1、現(xiàn)有基于時序掃描的光譜成像技術(shù)，往往都需要多次曝光，采用點(diǎn)陣或者面陣去采集光譜信息，極大地?fù)p失了時間和空間分辨率；本發(fā)明公開的一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，只需要單次曝光即可成像，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也為拍攝動態(tài)場景提供了可能性。

2、相比傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)采用的復(fù)雜光路設(shè)計，本發(fā)明公開的一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，光路簡單，不需要昂貴的硬件設(shè)備，為今后的輕型化、小型化提供了可能性。

3、相比采用帶通濾光片選擇進(jìn)入成像裝置的光的譜段的設(shè)計，本發(fā)明公開的一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置，可以一次性獲取所有譜段的光譜信息，減少了光信號在光路中的損失。高光通量的光路設(shè)計，使得探測器采集到的光電信號強(qiáng)度大大提高，對光譜圖像的質(zhì)量起到了優(yōu)化作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種高光通量實(shí)時光譜成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。