[發(fā)明專(zhuān)利]一種高光譜成像系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010137402.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111380612A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易飛;侯銘銘;張恒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01J3/28
• 分類(lèi)號(hào): G01J3/28;G01J3/02;G01J3/06
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開(kāi)了一種高光譜成像系統(tǒng)，包括：光譜掃描驅(qū)動(dòng)組件，以及沿入射光方向依次放置的超表面透鏡和CMOS探測(cè)器；其中，超表面透鏡和CMOS探測(cè)器的中心點(diǎn)均位于光軸線(xiàn)上，且CMOS探測(cè)器的位置固定；光譜掃描驅(qū)動(dòng)組件與超表面透鏡的兩端相連；本發(fā)明利用超表面透鏡實(shí)現(xiàn)入射光線(xiàn)的軸向色散，由于超表面透鏡的亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)具有高效調(diào)控能力，且通過(guò)掃描方式成像，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各光譜通道的衍射極限成像功能，相比實(shí)時(shí)快照式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，空間分辨率高。另外，由于CMOS探測(cè)器結(jié)構(gòu)位置固定，利用便攜的光譜掃描驅(qū)動(dòng)組件對(duì)超表面透鏡進(jìn)行軸向移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)各光譜分量的軸向掃描及共軸成像，顯著提高了系統(tǒng)的成像質(zhì)量和光譜線(xiàn)性度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高光譜成像與微納光子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高光譜成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

高光譜成像技術(shù)是成像光學(xué)領(lǐng)域近年來(lái)熱門(mén)的研究方向之一，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、刑事偵查、產(chǎn)品分揀、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感測(cè)繪、航空航天等領(lǐng)域。

常用的高光譜成像技術(shù)主要通過(guò)色散型或干涉型光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜信息的獲取，其中，色散型高光譜成像技術(shù)不可避免地引入了狹縫結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光通量及信噪比低；而干涉型光譜成像技術(shù)調(diào)節(jié)精度要求高，同時(shí)，較高的光譜分辨率需要較大光程差，從而需要較大的移動(dòng)量，使得系統(tǒng)體積較大，另外，在空間調(diào)制干涉型系統(tǒng)中也存在狹縫，降低了系統(tǒng)的光通量及信噪比。在對(duì)光譜進(jìn)行掃描時(shí)，常規(guī)的高光譜成像系統(tǒng)的光譜掃描驅(qū)動(dòng)組件通常與探測(cè)器結(jié)構(gòu)連接，對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向移動(dòng)，但是探測(cè)器結(jié)構(gòu)除前端的窗口與探測(cè)器陣列外，還包含后端電路等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得光譜掃描驅(qū)動(dòng)組件負(fù)荷較大，光譜掃描時(shí)間較長(zhǎng)。

近年來(lái)，為了適應(yīng)光照變化、大氣擾動(dòng)等復(fù)雜條件，實(shí)時(shí)快照式的高光譜成像系統(tǒng)也逐漸受到關(guān)注，文章Review of snapshot spectral imaging technologies中公開(kāi)了一種分孔徑共軸式的高光譜成像系統(tǒng)，通過(guò)加入透鏡陣列、濾光片陣列和探測(cè)器陣列，實(shí)現(xiàn)高光譜信息的實(shí)時(shí)探測(cè)，但是該系統(tǒng)由于不同頻段的探測(cè)器緊密排列，對(duì)于大視場(chǎng)的入射光線(xiàn)，容易發(fā)生信號(hào)串?dāng)_。另一類(lèi)實(shí)時(shí)快照式系統(tǒng)則是基于重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)，如計(jì)算層析、壓縮編碼、積分視場(chǎng)、離散采樣等，但是由于高光譜重構(gòu)算法較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)時(shí)探測(cè)，并且算法處理速度依賴(lài)于探測(cè)數(shù)據(jù)，因此也限制了實(shí)時(shí)快照式系統(tǒng)的分辨率，目前這類(lèi)系統(tǒng)只適用于對(duì)分辨率要求不高的場(chǎng)合。綜上所述，目前實(shí)時(shí)快照式高光譜成像系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在較多的限制。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高光譜成像系統(tǒng)需要向小型化與低成本的方向發(fā)展。高光譜成像技術(shù)目前仍主要作為科學(xué)研究工具，用于實(shí)驗(yàn)室光譜分析或航空航天等遙感領(lǐng)域，但是，現(xiàn)有的高光譜成像系統(tǒng)較大的體積與較高的成本，限制了高光譜成像技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為了縮小科研與產(chǎn)業(yè)之間的差距，簡(jiǎn)化高光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和降低高光譜成像系統(tǒng)的成本已十分必要。

在工程光學(xué)不斷發(fā)展的同時(shí)，電磁超表面作為該領(lǐng)域中一個(gè)新穎的研究方向，也受到越來(lái)越多的關(guān)注，從結(jié)構(gòu)上講，電磁超表面是亞波長(zhǎng)或波長(zhǎng)尺度電磁諧振單元的二維陣列；從功能上講，它可以在整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)調(diào)控電磁波的強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參量。基于電磁超表面的成像技術(shù)(超表面透鏡)作為其中的一個(gè)分支，相比傳統(tǒng)光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)輕便、成本低廉、更加適應(yīng)平面加工工藝，能夠有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)光譜成像系統(tǒng)的衍射結(jié)構(gòu)和色散結(jié)構(gòu)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景，若把超表面透鏡用于高光譜成像，則有利于減小體積、降低成本和提高像質(zhì)。

目前，將超表面透鏡用于高光譜成像的研究相對(duì)較少，常見(jiàn)的方案是單孔徑離軸型系統(tǒng)(如專(zhuān)利CN207263300U)，在該系統(tǒng)中，超表面透鏡對(duì)入射的光束實(shí)現(xiàn)色散，將不同頻率的光分別投射到設(shè)置于軸外的不同探測(cè)器表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)各光譜分量的成像，但是對(duì)于這種離軸結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)裝調(diào)比較困難，而且光線(xiàn)被投射到軸外，增大了成像的像方視場(chǎng)角，限制了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，另外，軸外各光譜分量對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)并非線(xiàn)性排列，系統(tǒng)的光譜線(xiàn)性度較差。

綜合上述內(nèi)容，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有的高光譜成像系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：