專利名稱：一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)及包含該衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)成像技術(shù)，尤其涉及一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)及包含該衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜成像技術(shù)是將光學(xué)成像技術(shù)和光譜分析技術(shù)相結(jié)合而得到的一種成像技術(shù)， 利用光譜成像技術(shù)可以獲得目標(biāo)的二維空間圖像和一維光譜曲線。獲取的二維空間圖像和一維光譜曲線能綜合反映出被測物體的幾何影像和理化屬性，所以利用光譜成像技術(shù)可以對目標(biāo)的特征進(jìn)行精確感知和識(shí)別，該技術(shù)在在航空航天遙感、工農(nóng)業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測和資源探測等領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。根據(jù)分光原理的不同，可以將成像光譜儀分為色散型光譜儀、干涉型光譜儀和濾光型光譜儀三個(gè)種類。目前，常用的色散型成像光譜儀一般利用棱鏡或光柵對光線的橫向色散作用，將不同波長的光線沿著焦平面中的一個(gè)方向進(jìn)行分離?，F(xiàn)有技術(shù)中有利用衍射光學(xué)元件的軸向色散功能進(jìn)行光譜成像的方法，衍射光學(xué)元件是一種兼具成像和色散功能的器件，它將不同波長的光線沿著光軸方向進(jìn)行分離， 分離后的光線分別會(huì)聚到不同焦距位置的焦平面上，利用探測器沿著光軸進(jìn)行移動(dòng)掃描成像，在每個(gè)焦距位置獲得的圖像是某個(gè)波段的在焦圖像和其他波段的離焦圖像的疊加。利用信號(hào)處理技術(shù)，去除離焦波段圖像的混疊，就可以得到在焦波段的目標(biāo)圖像。因此，衍射光學(xué)成像光譜儀需要利用機(jī)械調(diào)焦和多次曝光成像的方式，獲取目標(biāo)的包含完整二維圖像信息和一維光譜信息的三維數(shù)據(jù)立方體。由上可見，上述光譜成像技術(shù)要求該光譜成像系統(tǒng)的機(jī)械調(diào)焦結(jié)構(gòu)中必須包含運(yùn)動(dòng)部件，才能將探測器沿著光軸移動(dòng)進(jìn)行掃描成像，這樣必然增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，且該運(yùn)動(dòng)部件的引入降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得該光譜成像技術(shù)難以運(yùn)用在手持環(huán)境和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中。此外，要對所有會(huì)聚到不同焦距位置的焦平面上的光線進(jìn)行掃描成像，需要多次調(diào)整機(jī)械調(diào)焦結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行多次掃描成像，需要較長的掃描成像時(shí)間，該光譜成像技術(shù)難以準(zhǔn)確探測高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者形態(tài)屬性發(fā)生瞬變的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，用于降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明實(shí)施例提供一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，包括衍射透鏡、透鏡陣列和探測器，
其中所述衍射透鏡、透鏡陣列和探測器之間的位置滿足如下關(guān)系^~+|=.，其中，5為
透鏡陣列和衍射透鏡之間的距離，S為透鏡陣列和探測器之間的距離，f是所述透鏡陣列中每個(gè)單元透鏡的焦距。
在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述透鏡陣列為微透鏡陣列或者針孔透鏡陣列。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述探測器為電荷耦合元件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體或膠片。本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種包括上述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像光譜儀，包括上述的衍射光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像轉(zhuǎn)換模塊、像平面位置確定模塊、像平面圖像獲取模塊、離焦圖像去除模塊、光譜圖像縮放模塊和三維數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊，其中所述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，用于對目標(biāo)物體進(jìn)行成像，得到探測器圖像；所述圖像轉(zhuǎn)換模塊，用于從所述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)獲取所述探測器圖像，將所述探測器圖像轉(zhuǎn)換為四維光束分布矩陣；所述像平面位置確定模塊，用于計(jì)算各波長所對應(yīng)的像平面位置；所述像平面圖像獲取模塊，用于從所述圖像轉(zhuǎn)換模塊獲取所述四維光束分布矩陣，從所述像平面位置確定模塊獲取所述各波長對應(yīng)的像平面位置，在所述各波長所對應(yīng)的像平面位置處對所述四維光束分布矩陣進(jìn)行求和，得到各波長的像平面圖像；所述離焦圖像去除模塊，用于從所述像平面圖像獲取模塊接收各波長的像平面圖像，依次對每一波長的像平面圖像進(jìn)行卷積處理，去除當(dāng)前波長之外的其他波長的離焦圖像，得到所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像；所述光譜圖像縮放模塊，用于從所述離焦圖像去除模塊獲取所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像，對所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像進(jìn)行放大或縮小處理，將其歸一化為具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像；所述三維數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊，用于從所述光譜圖像縮放模塊獲取所述具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像，并將所述具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像合成為三維數(shù)據(jù)立方體。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述圖像轉(zhuǎn)換模塊，用于根據(jù)如下公式將所述探測器圖像轉(zhuǎn)換為所述四維光束分布矩陣L (p, q, x，y) = I(Nx+p, Ny+q), ρ, q = 0，1，2，· · ·，N_1 ;x，y = 0，1，2，· · ·，M-I, 其中，L(p，q，X，y)為所述四維光束分布矩陣，為所述探測器記錄下的由每個(gè)(x，y)采樣和每個(gè)(P，q)采樣之間分布的光束的強(qiáng)度，I (Nx+p，Ny+q)為所述探測器圖像的表達(dá)式，(x,y) 為所述透鏡陣列所在平面的坐標(biāo)系，(P，q)為所述衍射透鏡光瞳面所在平面的坐標(biāo)系，所述透鏡陣列中單元透鏡的數(shù)量為MXM，所述衍射透鏡光瞳面的子像覆蓋NXN個(gè)像元，M和N 為自然數(shù)。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述像平面位置確定模塊計(jì)算出的各波長所對應(yīng)的像
平面位置為
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，包括衍射透鏡1、透鏡陣列2和探測器3，其中所述衍射透鏡1、透鏡陣列2和探測器3之間的位置滿足如下關(guān)系t + |=|，其中，5λ為透鏡陣列2和衍射透鏡1之間的距離，s為透鏡陣列2利探測器3之間的距離，f是所述透鏡陣列2中每個(gè)單元透鏡的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述透鏡陣列2為微透鏡陣列或者針孔透鏡陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述探測器3為電荷耦合元件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體或膠片。
4.一種包括權(quán)1所述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像光譜儀，其特征在于，包括權(quán)1所述的衍射光學(xué)成像系統(tǒng)501、圖像轉(zhuǎn)換模塊502、像平面位置確定模塊503、像平面圖像獲取模塊 504、離焦圖像去除模塊505、光譜圖像縮放模塊506和三維數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊507，其中所述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)501，用于對目標(biāo)物體進(jìn)行成像，得到探測器圖像；所述圖像轉(zhuǎn)換模塊502，用于從所述衍射光學(xué)成像系統(tǒng)501獲取所述探測器圖像，將所述探測器圖像轉(zhuǎn)換為四維光束分布矩陣；所述像平面位置確定模塊503，用于計(jì)算各波長所對應(yīng)的像平面位置；所述像平面圖像獲取模塊504，用于從所述圖像轉(zhuǎn)換模塊502獲取所述四維光束分布矩陣，從所述像平面位置確定模塊503獲取所述各波長對應(yīng)的像平面位置，在所述各波長所對應(yīng)的像平面位置處對所述四維光束分布矩陣進(jìn)行求和，得到各波長的像平面圖像；所述離焦圖像去除模塊505，用于從所述像平面圖像獲取模塊504接收各波長的像平面圖像，依次對每一波長的像平面圖像進(jìn)行卷積處理，去除當(dāng)前波長之外的其他波長的離焦圖像，得到所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像；所述光譜圖像縮放模塊506，用于從所述離焦圖像去除模塊505獲取所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像，對所述目標(biāo)物體在各波長下的光譜圖像進(jìn)行放大或縮小處理，將其歸一化為具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像；所述三維數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊507，用于從所述光譜圖像縮放模塊506獲取所述具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像，并將所述具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像合成為三維數(shù)據(jù)立方體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像光譜儀，其特征在于，所述圖像轉(zhuǎn)換模塊502，用于根據(jù)如下公式將所述探測器圖像轉(zhuǎn)換為所述四維光束分布矩陣L(p，q，x，y) = I (Nx+p，Ny+q)，ρ，q = 0，1，2，··. , N-I ；χ, y = 0，1，2，··.，M—1，其中， L(p，q，x，y)為所述四維光束分布矩陣，為所述探測器3記錄下的由每個(gè)(x，y)采樣和每個(gè) (P，q)采樣之間分布的光束的強(qiáng)度，I (Nx+p, Ny+q)為所述探測器圖像的表達(dá)式，(x，y)為所述透鏡陣列2所在平面的坐標(biāo)系，(p，q)為所述衍射透鏡1光瞳面所在平面的坐標(biāo)系，所述透鏡陣列2中單元透鏡的數(shù)量為MXM，所述衍射透鏡1光瞳面的子像覆蓋NXN個(gè)像元， M和N為自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像光譜儀，其特征在于，所述像平面位置確定模塊503計(jì)算出的各波長所對應(yīng)的像平面位置為:Sa = ^其中，Sx表示波長Sa對應(yīng)的像平面位置，λ ^是所述衍射透鏡1的中心波長，^是所述衍射透鏡1的中心波長λ。對應(yīng)的焦距，5λ。是所述透鏡陣列2和所述衍射透鏡1之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像光譜儀，其特征在于，所述像平面圖像獲取模塊504，用于在各波長所對應(yīng)的像平面位置處對所述四維光束分布矩陣進(jìn)行求和，得到各波長的像平面圖像J^其中
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像光譜儀，其特征在于，所述光譜圖像縮放模塊506，用于選取λ ^處的光譜圖像作為參考圖像，對波長為λ的光譜圖像通過插值處理的方法，按照縮放系數(shù)為Sa/&。進(jìn)行放大或縮小，將其歸一化為具有相同放大倍數(shù)的光譜圖像，其中， λ ο是所述衍射透鏡1的中心波長，Sa為波長λ所對應(yīng)的像平面位置。是所述透鏡陣列 2和所述衍射透鏡1之間的距離。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供一種衍射光學(xué)成像系統(tǒng)及包含該衍射光學(xué)成像系統(tǒng)的成像光譜儀，其中，該衍射光學(xué)成像系統(tǒng)包括衍射透鏡、透鏡陣列和探測器，其中所述衍射透鏡、透鏡陣列和探測器之間的位置滿足如下關(guān)系其中，為透鏡陣列和衍射透鏡之間的距離，s為透鏡陣列和探測器之間的距離，f是所述透鏡陣列中每個(gè)單元透鏡的焦距。采用該衍射光學(xué)成像系統(tǒng)，經(jīng)過透鏡陣列中單元透鏡的二次會(huì)聚作用可以將透過衍射透鏡光瞳面的光線一次成像在探測器的像元上，無需沿光軸移動(dòng)探測器進(jìn)行掃描成像。這樣，無需包括運(yùn)動(dòng)部件即可對目標(biāo)物體進(jìn)行成像，減少了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01J3/28GK102494771SQ20111042089
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者呂群波, 周志良, 相里斌, 胡亮, 袁艷 申請人:中國科學(xué)院光電研究院