CN105157835A - 一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪，相关光谱成像仪包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构，其包括平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱镜穿插设置。本发明公开的快照式多谱段光谱成像仪，其输出图像无需后续数据处理任务，可以直接应用，同时，该成像仪原理简单，加工简单并且成本低，满足小型设计的要求。

Description

一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种快照式多谱段光谱成像仪。

背景技术

光谱成像仪能够同时获得探测目标的二维空间信息(x,y)和一维光谱信息(λ)，构建目标的三维数据立方体。获得数据立方体的方法通常有三种：时间扫描、空间扫描和快照(Snap-shot)，前两种可以统称为扫描方法。时间扫描型光谱仪需要在不同时间段设置不同的带通滤波器以获得待测谱段中的各谱段信息，但是带通滤波器有带宽限制，所以在重构成图像时存在误差；空间扫描型光谱仪需要空间移动或者光谱仪本身具有运动部件，这样容易引入对准和运动误差，并且扫描运动对扫描机构和推扫平台的运动精度和稳定性的要求很高，加大了运动部件的加工难度和成本。这两种扫描型光谱仪都是以某种扫描方式来获取目标场景的完整图像光谱信息，无法在一次曝光内同时获取空间和光谱信息，因而限制了成像光谱仪在快速目标探测等方面的应用。

计算光谱成像技术(computationalimagingspectrometry,CIS)是近年来提出的一种新型快照式光谱成像技术。该技术基于传统的色散型光谱成像技术，引入具有特殊数学形式的二维编码模板，编码模板和色散元件分别对目标的空间信息和光谱信息进行调制，并采用压缩感知理论对获取的二维图谱混叠图像进行三维图谱重构，一次曝光就能重构出目标的三维数据立方体信息，实现目标景物空间信息和光谱信息的快照式成像。但是，由于需要后续反演算法，不能实现动态目标实时光谱测量；同时，其原理复杂，加工工艺复杂，由此仪器的体积、重量等等不容易控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪，其输出图像无需后续数据处理任务，可以直接应用，同时，该成像仪原理简单，加工简单并且成本低，满足小型设计的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种快照式多谱段光谱成像仪，包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构。

所述分光结构包括：

平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱镜穿插设置。

一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，基于前述的快照式多谱段光谱成像仪实现，光束由物镜入射，经准直镜后平行入射分光结构，在分光结构中，光束被分光为N束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进行滤波与补偿光程差，最后在探测器上得到的是N个波段纯净且成像准确的像。

所述分光结构包含平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜，其中穿插设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成四个光束分离器，当光束射入分光结构后，被分束为2⁴＝16束光。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，结构中没有入射狭缝，光通量高，且没有运动部件，无需推扫和凝视成像，在面阵探测器一帧成像，不同光谱的二维空间信息成阵列组合成像在探测器上，在一次曝光就能同时获得目标的空间信息和光谱信息；同时，没有后续反演算法的需求，可实现动态目标实时光谱测量，在探测灵活变化目标方面，具有很大的优势；另外，加工工艺相对简单。由此仪器的体积、重量、功耗等等，都十分容易控制，满足各种小型设计需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种快照式多谱段光谱成像仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的16波段的分光结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的16波段成像示意图；

图4为本发明实施例提供的462.5nm、587.5nm、712.5nm和837.5nm四个光谱波段的点列图；

图5为本发明实施例提供的462.5nm、587.5nm、712.5nm和837.5nm四个光谱波段的MTF曲线图；

图6为本发明实施例提供的偏振片与波片联合光轴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种快照式多谱段光谱成像仪的结构示意图。如图1所示，其主要包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构。

本发明实施例中，所述分光结构为16波段的分光结构，如图2所示，其包括：平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱镜穿插设置。

本实施例中，图2所示的四个Wollaston棱镜为它们各自的一个侧面，由于它们的安装角度不同、厚度不同，因此，图示的四个Wollaston棱镜存在一定的区别；同上，四个波片也选用了厚度不同的波片。但需要强调的是，本发明实施例并不对Wollaston棱镜的安装角度与厚度进行限制，也不对波片的厚度进行限制，用户可以根据实际情况进行相应的设置与调节。本发明实施例所述的16波段的分光结构，可以在面阵探测器一帧内生成16个光谱波段各个独立、小幅同景、阵列式区域组合的图像，在一次曝光就能同时获得目标的空间信息和光谱信息，成像速度快。

示例性的，如图3所示，为光谱仪成4×4阵列的像，子图像彼此之间有序、整齐得排列在探测器上，每个子图像所对应的波长值如表1所示。图3中，每5个点(呈十字形排布)代表一个子图像，故探测器上得到4×4＝16个子图像，每个子图像所对应的波长值如表1所示。5个点表示全视场在探测器上成像，这五个视场分别为：(x＝0.00,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝1.25)，(x＝1.25,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝-1.25)和(x＝-1.25,y＝0.00)。由此可见，其可以准确实现16波段成像，成像清晰准确，无成像重叠或成像模糊现象，满足总体指标要求，成像质量良好。

表116个子图像对应的波长

另外，评价该光学系统的成像质量主要考虑点列图、调制传递函数(MTF)值两个指标。由于系统采用Wollaston棱镜进行分光，将整幅图像在空间上分为16个准单色区域，因此，为分析各单色光成像质量，本发明实施例中，选取462.5nm、587.5nm、712.5nm和837.5nm四个光谱波段进行点列图和MTF值分析。

图4为各个视场在像平面上的点列图，包含如下五个个视场：(x＝0.00,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝1.25)，(x＝1.25,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝-1.25)和(x＝-1.25,y＝0.00)，图中的圆表示光学系统的艾里斑大小。各个视场光线所成像点的RMS半径均小于4.5μm(探测器像元尺寸9μm)，从而保证系统具有良好成像质量。

图5为优化设计得到系统的MTF曲线，包含如下五个视场：(x＝0.00,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝1.25)，(x＝1.25,y＝0.00)，(x＝0.00,y＝-1.25)和(x＝-1.25,y＝0.00)，在焦平面等效像元尺寸对应的奈奎斯特频率56lp/mm处，除837.5nm这一谱线的传递函数值大于0.7外，其余各单色光MTF值均在0.8以上，其成像质量接近衍射极限。

本发明实施例所提供的快照式多谱段光谱成像仪，并没有入射狭缝，光通量高，且没有运动部件，无需推扫和凝视成像，在面阵探测器一帧成像，不同光谱的二维空间信息成阵列组合成像在探测器上，在一次曝光就能同时获得目标的空间信息和光谱信息；同时，没有后续反演算法的需求，可实现动态目标实时光谱测量，在探测灵活变化目标方面，具有很大的优势；另外，加工工艺相对简单。由此仪器的体积、重量、功耗等等，都十分容易控制，满足各种小型设计需求。

本发明实施例还提供一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，该方法基于前述的快照式多谱段光谱成像仪实现，成像过程如下：光束由物镜入射，经准直镜后平行入射分光结构，在分光结构中，光束被分光为N束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进行滤波与补偿光程差，最后在探测器上得到的是N个波段纯净且成像准确的像。

本发明实施例中，所述分光结构可以让一平行光束随光波长不同分别折射成不同角度输出到探测器上，通过多次双折射的方法实现光谱和图像同时快照式一次成像。具体来说，所述分光结构包含平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜，其中穿插设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成四个光束分离器，当光束射入分光结构后，被分束为2⁴＝16束光。

分光结构是快照式多谱段光谱成像仪的核心器件，输入景物图像复制、分离的数量和质量，主要依赖于光束分离器的数量，换句话说，每增加一个光束分离器(即设置光谱数量2倍增多)，意味着光束被双折射复制、分离的次数越多，其输出的各个光谱波段就存在波峰的偏移。

而且光束分离器中的核心器件---Wollaston棱镜的棱镜角度、材料选择的不同都会引起棱镜自身的双折射率、色散、像差等发生变换。多个Wollaston棱镜的联合使用下多次分光，会造成明显的色差，影响最终输入图谱的光谱信息；以及多路分光光束在一个共同探测器面阵成像时，各自复分图像区域混叠的情况，需要重点分析和设计Wollaston棱镜，消除这类情况。

下面重点分析分光结构。如图6所示光束分离器结构，其中波片选用二分之一波片，假设二分之一波片(相位延迟器)的厚度为d，偏振片的偏振轴与波片快轴成45°角，则入射线偏振光进入波片后相位延迟差δ(λ)，写为公式(1)：

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\mathrm{\π}B\left(\mathrm{\λ}\right)d}{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\π}\mathrm{\κ}B\left(\mathrm{\κ}\right)d---\left(1\right)$

其中B(λ)表示波长λ下的双折射率，这里波数用Jones表示法表示入射偏振光的传输过程，用P表示起偏器Jones矩阵，用R表示波片Jones矩阵，E表示光波电磁场矢量，则

W(λ)E(λ)＝PR(λ)PE(λ)(2)

$P=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{2}{e}^{i\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}+\frac{1}{2}& \frac{1}{2}{e}^{i\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2}{e}^{i\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}-\frac{1}{2}& \frac{1}{2}{e}^{i\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right)}+\frac{1}{2}\end{array}\right]---\left(4\right)$

$E=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

E矩阵中只有快轴的光，并忽略吸收光。因此，这个起偏器和波片组成的光束分离系统的传输函数Γ(κ)可以表示为

Γ(κ)＝E^TW^TWE＝cos²(κl)(6)

其中l＝πBd，如果系统有M组个光束分离器数量，则多组光束分离器的分光结构传输函数Γ(κ)

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\κ}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Π}}{\cos }^2\left({\mathrm{\κl}}_m\right)---\left(7\right)$

Wollaston棱镜有起偏和分束特性，利用它可以获得两束振动方向互相垂直、按一定角度分开的平面偏振光。本发明实施例中用它代替有起偏作用的偏振片，与波片构成光束分离器，如图2所示的分光结构中，其包含了4个Wollaston棱镜，与穿插设置的波片共同组成了四个光束分离器。设置do_θ和de_θ分别是o、e光在Wollaston棱镜中传输距离，其传输函数应为

Γ(κ)＝cos²(κBπdo_θ-κBπde_θ)(8)

因此，本发明系统成像传输函数应该为

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\κ}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Π}}{\cos }^2\left({\mathrm{\κl}}_m\right)\·{\cos }^2({\mathrm{\κB\πdo}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\κB\πde}}_{\mathrm{\θ}})---\left(9\right)$

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种快照式多谱段光谱成像仪，其特征在于，包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构。

2.根据权利要求1所述的快照式多谱段光谱成像仪，其特征在于，所述分光结构包括：

平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱镜穿插设置。

3.一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一项所述的快照式多谱段光谱成像仪实现，光束由物镜入射，经准直镜后平行入射分光结构，在分光结构中，光束被分光为N束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进行滤波与补偿光程差，最后在探测器上得到的是N个波段纯净且成像准确的像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分光结构包含平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜，其中穿插设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成四个光束分离器，当光束射入分光结构后，被分束为2⁴＝16束光。