CN109579994A - 基于微反射镜阵列的快照式光谱成像方法及其*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像方法及其***。来自于无穷远处的物体发出的光线通过前置成像物镜后，经位于其焦面位置的微反射镜阵列将图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，微反射镜阵列在光谱维方向具有周期性，单个周期由一系列呈矩形状的凹球面反射镜阵列组成，各凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，微反射镜阵列同时将入射的汇聚光束发散，再经准直镜将发散光束准直，产生光瞳阵列，对应每一个子光瞳，准直镜后方设置对应的分光成像镜组，在像面上得到物体的二维空间信息和光谱信息。本发明提供的光谱成像***实现了一次曝光即可获取物体完整的数据立方，适用于对快速变化和运动目标的监测。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，特别涉及一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像方法及其***，可应用于快速变化场景、运动目标的监测领域。
背景技术
光谱成像技术将传统的成像技术与光谱技术相结合，能够同时获取物体的空间信息和光谱信息，即物体的数据立方，目前已在对地遥感观测、食品安全、军事侦察、医疗诊断等领域得到了广泛的应用。
目前星载或机载的对地观测设备广泛使用的是推扫式的光谱成像仪器。这类仪器在单次曝光下获取一个方向空间维信息和光谱信息，或借助卫星平台的运动或飞机的沿轨飞行获取第二个方向上的空间维信息。这类仪器本身的扫描运动对其所处的运动平台或扫描部件的精度和稳定性都有很高的要求，容易受到外部环境的影响，加大了仪器研制的难度。由于需要推扫，仪器本身无法再单次曝光内获取完整的数据立方。这类仪器在针对快速变化场景以及运动目标的光谱信息以及图像获取时，推扫过程所需的时间使得其难以准确的获取目标的图像以及光谱信息。
2009年，美国莱斯大学生物工程学院的Tomasz S. Tkaczyk等人提出了一种像映射光谱成像技术，但是该技术采用的关键器件像映射器是由一系列的平面反射镜构成，且要求前置物镜是一个像方远心的***，不利于***体积的小型化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种无运动部件，能够准确获取快速变化场景或运动目标的图像信息和光谱信息的快照式光谱成像方法及其***。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像方法，包括如下步骤：
（1）来自于无穷远处的物体发出的光线经前置成像物镜到达其后焦平面上；
（2）在前置成像物镜的焦平面处设置微反射镜阵列，所述的微反射镜阵列在光谱维方向具有周期性，单个周期由若干个子反射镜组成阵列，子反射镜为矩形状的凹球面反射镜，凹球面反射镜长为10～30mm，宽为60μm～160μm；各凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，绕空间维方向的旋转角度为-10°～10°，绕光谱维方向的旋转角度为-10°～10°，单个周期内各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，不同周期内相对应的凹球面反射镜的二维旋转角度相同；微反射镜阵列将得到图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，同时将入射的汇聚光束发散；
（3）发散光束经准直镜准直后产生光瞳阵列；
（4）对应每一个子光瞳，在准直镜后方设置对应的分光元件阵列，将光束色散，产生不同波长的光束；
（5）成像镜阵列将色散后的光束成像于像平面上，得到物体的二维空间信息和光谱信息。
本发明技术方案还包括提供一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，它包括前置成像物镜、微反射镜阵列、准直镜、分光元件阵列、成像镜阵列和像平面；所述的微反射镜阵列在光谱维方向具有周期性，单个周期由若干个子反射镜组成阵列，子反射镜为矩形状的凹球面反射镜，凹球面反射镜长为10～30mm，宽为60μm～160μm；各凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，绕空间维方向的旋转角度为-10°～10°，绕光谱维方向的旋转角度为-10°～10°，单个周期内各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，不同周期内相对应的凹球面反射镜的二维旋转角度相同；所述光谱成像***的前置物镜的出瞳位于其镜组后方凹球面反射镜的焦点处，入射光线通过前置成像物镜后，经微反射镜阵列将图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，并同时将入射的汇聚光束发散，准直镜将发散光束准直，再经分光元件阵列将光束色散产生不同波长的光束，由成像镜阵列将色散后的光束成像于像平面。
本发明技术方案中，前置物镜可以是透射***或反射***；准直镜也可以是透射***或反射***。
所述的分光元件阵列由与微反射镜阵列中子反射镜的数量及阵列排布一致的分光元件组成，分光元件为棱镜或光栅；所述的成像镜阵列由与微反射镜阵列中子反射镜的数量及阵列排布一致的成像镜组成。
微反射镜阵列的单个周期中，组成阵列的子反射镜数量为16～100个；微反射镜阵列中的子反射镜数量为32～300个。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提供的技术方案能在单次曝光下获得物体的完整数据立方，适用于快速变化场景或运动物体的监测中。
2.光谱成像***无运动部件，避免了外界因素变化对***内部元件的影响。
3.光谱成像***像面上可直接得到物体的空间信息和光谱信息，无需利用算法进行二次结算。
4.与现有技术提出的像映射光谱成像技术相比，本发明提出的技术所采用的切分单元是具有光焦度的元件，且前置物镜是一个非远心***，上有利于降低***的体积。
附图说明
图1和图2是本发明实施例提供的基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***光路图；
图3是本发明实施例提供的前置成像镜的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的微反射镜阵列的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的准直镜的结构示意图。
图6时本发明实施例提供的光瞳阵列示意图。
图7是本发明实施例提供的基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***的调制传递函数曲线图。
图8时本发明实施例提供的基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***的点列图。
图中，1.前置成像物镜，1-1.前置成像镜中的双凸透镜，1-2. 前置成像镜中的正弯月透镜；2.微反射镜阵列；3.准直镜，3-1.第一块为双凹透镜，3-2.第二块双凸透镜，3-3.第三块正弯月形透镜，3-4.第四块双凸透镜，3-5.第五块负弯月透镜，3-6.第六块双凹透镜，3-7.第七块双凸透镜，3-8.第八块正弯月透镜；4.光瞳阵列，4-1.子瞳；5.分光元件阵列，5-1.分光元件；6.成像镜阵列，6-1.成像镜；7.像平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
在本实施例中，快照式光谱成像***主要参数如下：
光谱范围：450～650nm；
视场：2.38°×1.65°；
光谱分辨率：20nm；
焦距：80mm；
探测器像元：13.5um×13.5um。
参见附图1和2，它们是本发明提供的基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***光路图；光谱成像***包括前置成像物镜1、微反射镜阵列2、准直镜3、光瞳阵列4、分光元件阵列5、成像镜阵列6及像平面7。分光元件阵列5中，包括若干个分光元件5-1，为阿米西棱镜或光栅；成像镜阵列6中，包括若干个成像镜6-1，为双胶合透镜，其中包括若干个成像镜6-1。来自于无穷远处的物体发出的光线通过前置成像物镜1到达其后焦平面上；位于焦面位置的微反射镜阵列2将图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，同时将入射的汇聚光束变成了发散光束；准直镜3将发散光束准直，在焦面上产生了光瞳阵列4；阿米西棱镜5-1将光束色散产生不同波长的光束，成像镜6-1将色散后的光束成像至像平面7，实现光谱成像。
参见附图3，是本实施例提供的前置成像镜的结构示意图；前置成像镜1为透射***，由1块双胶合透镜组成，其中第一片是双凸透镜1-1，第二片是正弯月透镜1-2。前置成像镜也可为反射***。
微反射镜阵列2在光谱维方向具有周期性，单个周期由一系列子反射镜组成阵列，子反射镜为呈矩形状的凹球面反射镜，可由16～100个凹球面反射镜组成阵列；凹球面反射镜长为10～30mm，宽为60μm～160μm；凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，绕空间维方向的旋转角度为-10°～10°，绕光谱维方向的旋转角度为-10°～10°，单个周期内各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，不同周期内相对应的凹球面反射镜具有相同的二维旋转角度。分光元件阵列5中的分光元件5-1和成像镜阵列6中的成像镜6-1，与微反射镜阵列中子反射镜的数量及阵列排布对应一致。微反射镜阵列2可包括凹球面反射镜数量为32～300个。
参见附图4，是本实施例提供的微反射镜阵列示意图，微反射镜阵列中包括2个周期，单个周期内设有16块（4×4阵列）具有二维旋转角度不同的凹球面反射镜。
参见附图5，是本实施例提供的准直镜结构示意图；准直镜3共有8块球面透镜组成，第一块为双凹透镜3-1，第二块双凸透镜3-2、第三块正弯月形透镜3-3，第四块双凸透镜3-4，第五块负弯月透镜3-5，第六块双凹透镜3-6，第七块双凸透镜3-7，第八块正弯月透镜3-8。
参见附图6，它是快照式光谱成像***的光瞳阵列，对应于凹球面反射镜共有16个子瞳4-1，呈4×4阵列。
本发明提供的光谱成像***，由于前置物镜1的出瞳位于镜组后方的凹球面反射镜的焦点处，因此，微反射阵列2作为场镜将前置物镜出瞳成像到无穷远，准直镜3对出瞳成像到其后焦面上，由于微反射镜阵列2上各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，反射镜对光线的反射方向不同，最终经准直镜3后在焦面上产生了光瞳阵列4，再经分光元件阵列5和成像镜阵列6，成像至像平面7，实现光谱成像。
其成像方法为：来自于无穷远处的物体发出的光线通过前置成像物镜1到达其后焦平面上；位于焦面位置的微反射镜阵列2将图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，同时将入射的汇聚光束发散；准直镜3将发散光束准直，分光元件5-1将光束色散，产生不同波长的光束，成像镜6-1将色散后的光束成像至像平面7，得到物体的二维空间信息和光谱信息。
参见附图7，它是本实施例提供的快照式光谱成像***的调制函数传递曲线图，在奈奎斯特评率37.04lp/mm处，各视场传函接近衍射极限，最低值高于0.3，成像质量良好。
参见附图8，它是本实施例提供的快照式光谱成像***的点列图。从图中可以看出，在各个视场下，***的点列图均在单个探测器像元以内，且位于艾里斑以内，***成像质量良好。
Claims (8)
1.一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）来自于无穷远处的物体发出的光线经前置成像物镜到达其后焦平面上；
（2）在前置成像物镜的焦平面处设置微反射镜阵列，所述的微反射镜阵列在光谱维方向具有周期性，单个周期由若干个子反射镜组成阵列，子反射镜为矩形状的凹球面反射镜，凹球面反射镜长为10～30mm，宽为60μm～160μm；各凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，绕空间维方向的旋转角度为-10°～10°，绕光谱维方向的旋转角度为-10°～10°，单个周期内各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，不同周期内相对应的凹球面反射镜的二维旋转角度相同；微反射镜阵列将得到图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，同时将入射的汇聚光束发散；
（3）发散光束经准直镜准直后产生光瞳阵列；
（4）对应每一个子光瞳，在准直镜后方设置对应的分光元件阵列将光束色散，产生不同波长的光束；
（5）成像镜阵列将色散后的光束成像于像平面上，得到物体的二维空间信息和光谱信息。
2.一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：它包括前置成像物镜（1）、微反射镜阵列（2）、准直镜（3）、分光元件阵列（5）、成像镜阵列（6）和像平面（7）；所述的微反射镜阵列（2）在光谱维方向具有周期性，单个周期由若干个子反射镜组成阵列，子反射镜为矩形状的凹球面反射镜，凹球面反射镜长为10～30mm，宽为60μm～160μm；各凹球面反射镜具有绕空间维方向和光谱维方向的二维旋转角度，绕空间维方向的旋转角度为-10°～10°，绕光谱维方向的旋转角度为-10°～10°，单个周期内各凹球面反射镜的二维旋转角度不同，不同周期内相对应的凹球面反射镜的二维旋转角度相同；所述光谱成像***的前置物镜（1）的出瞳位于其镜组后方凹球面反射镜的焦点处，入射光线通过前置成像物镜（1）后，经微反射镜阵列（2）将图像切分为一系列长且窄的矩形子图像，并同时将入射的汇聚光束发散，准直镜（3）将发散光束准直，再经分光元件阵列（5）将光束色散产生不同波长的光束，由成像镜阵列（6）将色散后的光束成像于像平面（7）。
3.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：前置物镜（1）为透射***或反射***。
4.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：准直镜（3）为透射***或反射***。
5.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：所述的分光元件阵列（5）由与微反射镜阵列（2）中子反射镜的数量及阵列排布一致的分光元件（5-1）组成，分光元件（5-1）为棱镜或光栅。
6.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：所述的成像镜阵列（6）由与微反射镜阵列（2）中子反射镜的数量及阵列排布一致的成像镜（6-1）组成。
7.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：微反射镜阵列（2）的单个周期中，组成阵列的子反射镜数量为16～100个。
8.根据权利要求2所述的一种基于微反射镜阵列的快照式光谱成像***，其特征在于：微反射镜阵列（2）中的子反射镜数量为32～300个。
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