CN106017677B - 一种微型红外成像光谱仪及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型红外成像光谱仪，包括狭缝扫描红外光谱成像***和电气组件；所述的狭缝扫描红外光谱成像***包括前置光学***、狭缝、光谱色散***、数字微透镜阵列、光谱重构***，所述的电气组件包括红外探测器、微透镜编码解码***、狭缝运动控制***和图像处理***；还公开了光谱仪的成像方法；本发明采用紧凑型前置光学***实现目标场景红外辐射能量聚焦；采用精确狭缝扫描技术对场景中的每条线视场进行扫描，使得每次仅通过场景中的一条窄带进行成像；采用光谱散射***、数字微透镜阵列、光谱重构***、红外探测器实现线视场的光谱成像，具有分辨率高，结构紧凑，可靠性高，成本较低的优点，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱成像技术领域，具体涉及一种微型狭缝扫描红外成像光谱仪，以及其成像方法。
背景技术
成像光谱仪由于其“图谱合一”的特性，被广泛应用于特殊化学品的探测、成像、以及分析。
通常情况下，这些特殊的化学品在红外辐射波段都具有辐射/吸收特征，利用成像光谱仪采集这些光谱特征可以实现化学物质的分类鉴别。
然而，目前的成像光谱仪具有高昂的成本，这在很大程度上制约了成像光谱仪的应用。
发明内容
针对传统红外成像光谱仪具有成本高、体积大、稳定性差等缺点，本发明的目的之一在于提供一种微型红外成像光谱仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型红外成像光谱仪，包括狭缝扫描红外光谱成像***和电气组件；所述的狭缝扫描红外光谱成像***包括沿光轴方向设置在***前端的前置光学***和依次设置在前置光学***后侧的狭缝、光谱色散***、数字微透镜阵列和光谱重构***，所述的狭缝设置在前置光学***的后焦面上，所述狭缝的缝孔方向为水平；所述的电气组件包括设置在光谱重构***后方的红外探测器和与红外探测器连接的微透镜编码解码***，所述的微透镜编码解码***上分别连接有狭缝运动控制***和图像处理***，所述的狭缝运动控制***与狭缝相连接，所述的微透镜编码解码***与数字微透镜阵列连接。
本发明的目的之二在于提供一种微型红外成像光谱仪的成像方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型红外成像光谱仪的成像方法，包括以下步骤：a）、前置光学***将目标场景的红外辐射聚焦于狭缝所在的平面上；b）、狭缝选择性地透过不同水平位置的线视场；c）、光谱色散***将线视场的红外辐射光色散开来；d）、数字微透镜阵列对透过光谱色散***的光谱信息进行编码，并将编码信息传输给微透镜编码解码***；e）、光谱重构***对编码后的光谱辐射信息进行重构，并将其聚焦到红外探测器的焦平面上；f）、红外探测器将接收到的红外辐射转化为电信号并传输到微透镜编码解码***上，微透镜编码解码***同时接收数字微透镜阵列传输的编码信息；g）、狭缝运动控制***控制狭缝的扫描运动，并将狭缝的运动参数传输给微透镜编码解码***；h）、微透镜编码解码***根据狭缝运动控制***以及数字微透镜阵列传输过来的信息对红外探测器输出的信号进行解码，并将解码后的数据传输给图像处理***；i）、图像图像处理***对接收到的数据进行排序合成，最终输出红外光谱图像数据。
所述的微型红外成像光谱仪的成像方法，步骤g）中狭缝运动控制***控制狭缝在垂直于光轴的方向上来回扫描。
本发明的有益效果是：
（1）采用了精确狭缝扫描方法，避免了使用传统的大尺寸扫描反射镜，使得***具有更高的稳定性；
（2）采用了数字微透镜阵列编码技术，使得***具有更高的光谱分辨率；
（3）本发明结构紧凑，成本较低，可以适用于各种小型化的应用平台，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
各附图标记为：1—前置光学***，2—狭缝，3—光谱色散***，4—数字微透镜阵列，5—光谱重构***，6—红外探测器，7—狭缝运动控制***，8—微透镜编码解码***，9—图像处理***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种微型红外成像光谱仪，包括狭缝扫描红外光谱成像***和电气组件。
所述的狭缝扫描红外光谱成像***包括沿光轴方向设置在***前端的前置光学***1和依次设置在前置光学***1后侧的狭缝2、光谱色散***3、数字微透镜阵列4和光谱重构***5，前置光学***1用于将场景的红外辐射聚焦于狭缝2所在的平面上，狭缝2用于选择性地透过不同水平位置的线视场，光谱色散***3用于将线视场的红外辐射光色散开来，数字微透镜阵列4用于对透过光谱色散***3的光谱信息进行编码，并将编码信息传输至微透镜编码解码***8，光谱重构***5对编码后的光谱辐射信息进行重构，并将其聚焦到红外探测器6的焦平面上，所述的狭缝2设置在前置光学***1的后焦面上，所述狭缝2的缝孔方向为水平。
所述的电气组件包括设置在光谱重构***5后方的红外探测器6和与红外探测器6连接的微透镜编码解码***8，光谱重构***5将重构的信息聚焦到红外探测器6的焦平面上，红外探测器6将接收到的红外辐射转化为电信号并传输到微透镜编码解码***8上，微透镜编码解码***8用于接收数字微透镜阵列4传输的编码信息，所述的微透镜编码解码***8上分别连接有狭缝运动控制***7和图像处理***9，所述的狭缝运动控制***7与狭缝2相连接，用于控制狭缝2的扫描运动并将狭缝2的运动参数传输给微透镜编码解码***8，所述的微透镜编码解码***8与数字微透镜阵列4连接，微透镜编码解码***8根据狭缝运动控制***7以及数字微透镜阵列4传输过来的信息对红外探测器6输出的信号进行解码，并将解码后的数据传输给图像处理***9，图像处理***9将接收到的数据进行排序合成，最终输出红外光谱图像数据。
在上述实施方式的基础上，红外光学***I的安装方式如下所述。
前置光学***1沿着***光轴安装在最前方；狭缝2沿着***光轴安装在前置光学***1的后焦面的位置，狭缝的方向沿着水平方向；在狭缝2后方沿着光轴依次安装光谱色散***3、数字微透镜阵列4、光谱重构***5、以及红外探测器6。
本发明的工作原理及获得红外光谱图像数据的方法如下所述。
场景的红外辐射经前置光学***1聚焦在后焦面上。
狭缝运动控制***7控制狭缝在同时垂直狭缝2和光轴的方面进行来回扫描运动，假设狭缝2的扫描路程为-L—L，每当运动d的距离，红外探测器6采集一次数据。
假设狭缝2运动到位置x处，此时前置光学***1后焦面只有x处可以通过红外辐射信号，该辐射信号经过光谱色散***3后，目标场景中通过狭缝2的辐射信号被色散到数字微透镜阵列4上。
微透镜编码解码***8对数字微透镜阵列4进行编码，使得数字微透镜阵列4可以透过特定区域特定波段的辐射信号，进而实现对辐射信号的波前进行编码，编码后的辐射信号经过光谱重构***5后辐射到红外探测器6的焦平面上。
红外探测器6将接收到的辐射信号转化为电信号，并将其传输给微透镜编码解码***8，微透镜编码解码***8根据编码信息对电信号进行解码，最终可以输出前置光学***1后焦面x处一条线视场的光谱数字图像，并将该信号传输给图像处理***9。
当狭缝2从-L运动到L，图像处理***9可以接收到目标场景若干条线视场的光谱图像，图像处理***9根据线视场的几何位置，对这些光谱图像进行整合，最终可以得到整个目标场景的光谱图像数据立方。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种微型红外成像光谱仪，其特征在于：包括狭缝扫描红外光谱成像***和电气组件；所述的狭缝扫描红外光谱成像***包括沿光轴方向设置在该狭缝扫描红外光谱成像***前端的前置光学***（1）和依次设置在前置光学***（1）后侧的狭缝（2）、光谱色散***（3）、数字微透镜阵列（4）和光谱重构***（5），所述的狭缝（2）设置在前置光学***（1）的后焦面上，所述狭缝（2）的缝孔方向为水平；所述的电气组件包括设置在光谱重构***（5）后方的红外探测器（6）和与红外探测器（6）连接的微透镜编码解码***（8），所述的微透镜编码解码***（8）上分别连接有狭缝运动控制***（7）和图像处理***（9），所述的狭缝运动控制***（7）与狭缝（2）相连接，所述的微透镜编码解码***（8）与数字微透镜阵列（4）连接。
2.一种如权利要求1所述微型红外成像光谱仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）、前置光学***（1）将目标场景的红外辐射聚焦于狭缝（2）所在的平面上；
b）、狭缝（2）选择性地透过不同水平位置的线视场；
c）、光谱色散***（3）将线视场的红外辐射光色散开来；
d）、数字微透镜阵列（4）对透过光谱色散***（3）的光谱信息进行编码，并将编码信息传输给微透镜编码解码***（8）；
e）、光谱重构***（5）对编码后的光谱辐射信息进行重构，并将其聚焦到红外探测器（6）的焦平面上；
f）、红外探测器（6）将接收到的红外辐射转化为电信号并传输到微透镜编码解码***（8）上，微透镜编码解码***（8）同时接收数字微透镜阵列（4）传输的编码信息；
g）、狭缝运动控制***（7）控制狭缝（2）的扫描运动，并将狭缝（2）的运动参数传输给微透镜编码解码***（8）；
h）、微透镜编码解码***（8）根据狭缝运动控制***（7）以及数字微透镜阵列（4）传输过来的信息对红外探测器（6）输出的信号进行解码，并将解码后的数据传输给图像处理***（9）；
i）、图像图像处理***（9）对接收到的数据进行排序合成，最终输出红外光谱图像数据。
3.根据权利要求2所述的微型红外成像光谱仪的成像方法，其特征在于，所述步骤g）中狭缝运动控制***（7）控制狭缝（2）在垂直于光轴的方向上来回扫描。
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