CN115235629A - 超光谱分辨率成像***及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超光谱分辨率成像***及其设计方法，其中的成像***包括：光源***、窄带复色光形成***、色散***和探测器***；光源***用于发出宽带复色光束，经第一平面光栅后发生色散得到宽波段光谱，对宽波段的中心波长λ进行选定；宽波段光谱经过第二正透镜的汇聚后入射至电动狭缝，电动狭缝用于对中心波长λ±5nm范围内的光谱波段再次进行选通，得到窄波段光谱；窄波段光谱经过第三正透镜的准直后入射至第二平面光栅，第二平面光栅用于将窄波段光谱合成窄带复色光束；窄带复色光束经色散***产生色散光束后入射至探测器***中得到超光谱图像。本发明在保证宽波段的前提下，实现pm级别的光谱分辨率成像。
Description
技术领域
本发明涉及光谱设备技术领域，特别涉及一种超光谱分辨率成像***及其设计方法。
背景技术
成像光谱仪是一种有效的定量探测工具，得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力，使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。超光谱成像技术可以用于生物医学上建立精确的超光谱数据库；在军事方面的应用包括地面复杂背景中的军事目标探测、战场生化战剂和弹药库探测、弹药损伤效果评估以及导弹防御***。
现有技术trwis-3包括两个电气盒和一个含有一对视轴相互平行的光栅光谱仪的传感器。可见光/近红外(vnir)光谱仪的波段范围是400nm～1000nm，短波红外(swir)光谱仪的波段范围是900nm～2500nm。每个光谱仪都含有一套将景物成像到狭缝的折射式前置光学***。通过狭缝的光被一个平面光栅在狭缝垂直的方向进行色散，然后成像在一个两维焦平面阵列上。沿狭缝方向的阵列提供空间景物信息，另一方向的阵列(狭缝光沿此阵列方向色散)提供光谱信息。但是现有技术无法实现宽波段探测的同时完成超光谱分辨率成像。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种超光谱分辨率成像***及其设计方法，通过将采样的光谱波段窄到足以分辨物质狭窄的特征峰，对物质的分辨能力极强，具有足够数量的光谱波段且各波段尽量相互邻接，还应具有一定宽的光谱范围以实现光谱图线的整体性。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种超光谱分辨率成像***，包括：光源***、窄带复色光形成***、色散***和探测器***；窄带复色光束形成***包括：第一平面光栅、第二正透镜、电动狭缝、第三正透镜和第二平面光栅；
光源***用于发出宽带复色光束，经第一平面光栅后发生色散得到宽波段光谱，对宽波段的中心波长λ进行选定；
宽波段光谱经过第二正透镜的汇聚后入射至电动狭缝，电动狭缝用于对中心波长λ±5nm范围内的光谱波段再次进行选通，得到窄波段光谱；
窄波段光谱经过第三正透镜的准直后入射至第二平面光栅，第二平面光栅用于将窄波段光谱合成窄带复色光束；
窄带复色光束经色散***产生色散光束后入射至探测器***中得到超光谱图像。
优选地，光源***包括：光源、入射狭缝和第一正透镜；
光源采用宽波段高功率卤素光源，光源发出的宽带复色光束经过入射狭缝后入射至第一正透镜中，经过第一正透镜的折射后进入窄带复色光形成***。
优选地，色散***包括：折转镜、准直镜和中阶梯光栅；
窄带复色光经过折转镜的反射后和准直镜的准直后入射至中阶梯光栅；
窄带复色光经中阶梯光栅发生窄带色散后形成色散光束入射至成像***。
优选地，成像***包括：成像镜和探测器；
色散光束经过成像镜的汇聚后入射至探测器，得到超光谱图像。
优选地，探测器为imperx面阵CMOS。
本发明还提供一种超光谱分辨率成像***的设计方法，包括以下步骤：
S1、光源发出宽带复色光束经入射狭缝入射至第一正透镜，经第一正透镜的准直后入射至第一平面光栅；
S2、宽带复色光束在第一平面光栅中发生色散变为宽波段光谱，选定宽波段光谱的待测中心波长λ；
S3、宽波段光谱经过第二正透镜的汇聚后入射至电动狭缝，选择待测中心波长λ±5nm内的窄波段光谱进行通过；
S4、窄波段光谱经过第三正透镜的准直后入射至第二平面光栅，第二平面光栅将窄波段光谱合束为窄带复色光束；
S5、窄带复色光束依次经过折转镜的反射和准直镜的准直后入射至中阶梯光栅，窄带复色光束经中阶梯光栅发生色散得到色散光束；
S6、色散光束经过成像镜的折射后在探测器中得到超光谱图像。
优选地，通过在步骤S2中选定不同的中心波长和在步骤S3中选定不同的窄波段光谱，并重复步骤S2-S6，最终依次实现400-2500nm波长范围的宽波段超光谱成像。
与现有的技术相比，通过将采样的光谱波段窄到足以分辨物质狭窄的特征峰，对物质的分辨能力极强，具有足够数量的光谱波段且各波段尽量相互邻接，还应具有一定宽的光谱范围以实现光谱图线的整体性。本发明在保证宽波段的前提下，实现pm级别的光谱分辨率成像。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的平面光栅的结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的中阶梯光栅的结构示意图。
图4是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的流程示意图。
图5是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的成像流程图。
图6是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的光路示意图。
图7是根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的色散相减示意图。
其中的附图标记包括：入射狭缝1、第一正透镜2、第一平面光栅3、第二正透镜4、电动狭缝5、第三正透镜6、第二平面光栅7、折转镜8、准直镜9、中阶梯光栅10、成像镜11和探测器12。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***包括：光源***、窄带复色光形成***、色散***和探测器***。
光源***包括光源、入射狭缝1和第一正透镜2。光源采用宽波段高功率卤素光源，光源发出的宽带复色光束经过入射狭缝1后入射至第一正透镜2中，经过第一正透镜2的折射后进入窄带复色光形成***中。
窄带复色光形成***包括：第一平面光栅3、第二正透镜4、电动狭缝5、第三正透镜6和第二平面光栅7。
图2示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的平面光栅的结构示意图。
如图2所示为本发明的第一平面光栅3和第二平面光栅7；第一平面光栅3和第二平面光栅7的结构相同。
宽带复色光束经过第一平面光栅3后发生色散形成入射狭缝1的二维单色像，即得到宽波段光谱，并对宽波段光谱的待测中心波长λ进行选定。
宽波段光谱经过第二正透镜4的汇聚后入射至电动狭缝5，电动狭缝5用于对宽波段光谱中心波长λ±5nm范围再次进行光谱波段的选择，得到窄波段光谱。
窄波段光谱经过第三正透镜6的准直后入射至第二平面光栅7中。第二平面光栅7用于将窄波段光谱合成窄带复色光束。
窄带复色光束入射至色散***中。
色散***包括：折转镜8、准直镜9和中阶梯光栅10。
图3示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***的中阶梯光栅的结构示意图。
如图3所示，中阶梯光栅10利用其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次，每一级的自由光谱区较窄，因此需将宽波段复色光变成窄带复色光后再通过中阶梯光栅10进行色散以免造成光谱混叠等问题。
窄带复色光束经过折转镜8的反射后和准直镜9的准直后入射至中阶梯光栅10中。窄带复色光束经中阶梯光栅10发生窄带色散后形成色散光束入射至成像***中。
成像***包括：成像镜11和探测器12。
色散光束经过成像镜11的汇聚后入射至探测器12中，得到超光谱图像。探测器12为imperx面阵CMOS。
图4示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的流程示意图。
图5示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的成像流程图。
图6示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的光路示意图。
如图4-6所示，本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法包括以下步骤：
S1、光源发出宽带复色光束经入射狭缝入射至第一正透镜，经第一正透镜的准直后入射至第一平面光栅。
S2、宽带复色光束在第一平面光栅中发生色散变为宽波段光谱，选定宽波段光谱的待测中心波长λ。
S3、宽波段光谱经过第二正透镜的汇聚后入射至电动狭缝，选择待测中心波长λ±5nm内的窄波段光谱进行通过。
S4、窄波段光谱经过第三正透镜的准直后入射至第二平面光栅，第二平面光栅将窄波段光谱合束为窄带复色光束。
图7示出了根据本发明实施例提供的超光谱分辨率成像***设计方法的色散相减示意图。
如图7所示，色散相减的过程由第一平面光栅、第二平面光栅、第二正透镜、第三正透镜以及电动狭缝共同完成。第一平面光栅和第二平面光栅的衍射级次共轭以及光路可逆性，可以将宽带复色光束变成窄带复色光束。
S5、窄带复色光束依次经过折转镜的反射和准直镜的准直后入射至中阶梯光栅，窄带复色光束经中阶梯光栅发生色散得到色散光束。
S6、色散光束经过成像镜的折射后在探测器中得到超光谱图像。
S7、通过在步骤S2中选定不同的中心波长和在步骤S3中选定不同的窄波段光谱，并重复步骤S2-S6，同时切换不同自由光谱区的中阶梯光栅，最终依次实现400-2500nm波长范围的宽波段超光谱成像。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种超光谱分辨率成像***，其特征在于，包括：光源***、窄带复色光形成***、色散***和探测器***；所述窄带复色光束形成***包括：第一平面光栅、第二正透镜、电动狭缝、第三正透镜和第二平面光栅；
所述光源***用于发出宽带复色光束，经所述第一平面光栅后发生色散得到宽波段光谱，对所述宽波段的中心波长λ进行选定；
所述宽波段光谱经过所述第二正透镜的汇聚后入射至所述电动狭缝，所述电动狭缝用于对所述中心波长λ±5nm范围内的光谱波段再次进行选通，得到窄波段光谱；
所述窄波段光谱经过所述第三正透镜的准直后入射至所述第二平面光栅，所述第二平面光栅用于将所述窄波段光谱合成窄带复色光束；
所述窄带复色光束经所述色散***产生色散光束后入射至所述探测器***中得到超光谱图像。
2.根据权利要求1所述的超光谱分辨率成像***，其特征在于，所述光源***包括：光源、入射狭缝和第一正透镜；
所述光源采用宽波段高功率卤素光源，所述光源发出的宽带复色光束经过所述入射狭缝后入射至所述第一正透镜中，经过所述第一正透镜的折射后进入窄带复色光形成***。
3.根据权利要求2所述的超光谱分辨率成像***，其特征在于，所述色散***包括：折转镜、准直镜和中阶梯光栅；
所述窄带复色光经过所述折转镜的反射后和所述准直镜的准直后入射至所述中阶梯光栅；
所述窄带复色光经所述中阶梯光栅发生窄带色散后形成色散光束入射至所述成像***。
4.根据权利要求3所述的超光谱分辨率成像***，其特征在于，所述成像***包括：成像镜和探测器；
所述色散光束经过所述成像镜的汇聚后入射至所述探测器，得到超光谱图像。
5.根据权利要求4所述的超光谱分辨率成像***，其特征在于，所述探测器为imperx面阵CMOS。
6.一种如权利要求5所述的超光谱分辨率成像***的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述光源发出宽带复色光束经所述入射狭缝入射至所述第一正透镜，经所述第一正透镜的准直后入射至所述第一平面光栅；
S2、所述宽带复色光束在所述第一平面光栅中发生色散变为宽波段光谱，选定所述宽波段光谱的待测中心波长λ；
S3、所述宽波段光谱经过所述第二正透镜的汇聚后入射至所述电动狭缝，选择所述待测中心波长λ±5nm内的所述窄波段光谱进行通过；
S4、所述窄波段光谱经过所述第三正透镜的准直后入射至所述第二平面光栅，所述第二平面光栅将所述窄波段光谱合束为窄带复色光束；
S5、所述窄带复色光束依次经过所述折转镜的反射和所述准直镜的准直后入射至所述中阶梯光栅，所述窄带复色光束经中阶梯光栅发生色散得到色散光束；
S6、所述色散光束经过所述成像镜的折射后在所述探测器中得到超光谱图像。
7.根据权利要求6所述的超光谱分辨率成像***设计方法，其特征在于，通过在所述步骤S2中选定不同的中心波长和在所述步骤S3中选定不同的窄波段光谱，并重复所述步骤S2-S6，最终依次实现400-2500nm波长范围的宽波段超光谱成像。
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| CN116625508A (zh) * | 2023-07-19 | 2023-08-22 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于光纤阵列的多目标超光谱探测*** |
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2022
- 2022-07-27 CN CN202210888796.3A patent/CN115235629A/zh active Pending
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| CN116625508B (zh) * | 2023-07-19 | 2023-10-20 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于光纤阵列的多目标超光谱探测*** |
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