一种光谱成像方法和装置制造方法及图纸

本申请提供了一种光谱成像方法和装置，所述方法包括：将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样；通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出；对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。该方案能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱成像方法和装置
本专利技术涉及光谱
，特别涉及一种光谱成像方法和装置。
技术介绍
成像光谱仪具有“图谱合一”的特性，能够同时提供图像的二维空间信息和光谱信息，达到对目标场景的探测。目前的光谱成像系统基本采用物镜系统和准直系统来改变光路传播方向，使得经过前端系统后的光路能够尽可能的平行入射到色散系统，经过色散系统的光谱傅里叶变换，每一个点光源在空间中按照一定的分布入射到成像系统，通过成像系统对每个点光源的聚焦实现了光谱信息的获取。目前的光谱成像仪在光谱分辨率、视场角度、成像速度各方面均有一定的提高，但要想同时实现三者进一步的提高具有一定的难度。因单孔径成像光谱仪将大视场的物像转变成平行光入射到色散系统比较困难，而现有的多孔径成像光谱仪虽然能够扩大一定视场角、提高光谱分辨率，但存在结构复杂，调试困难的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种光谱成像方法和装置，能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。为解决上述技术问题，本申请的技术方案是这样实现的：在一个实施例中，提供了一种光谱成像装置，所述装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。在另一个实施例中，提供了一种光谱成像方法，所述方法包括：将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；通过光束采样器对所述焦面上的物方空间的点进行离散下采样；通过透镜阵列将采样后的光线平行发射出；对平行发射出的所述光线进行色散、聚焦在像面生成光谱图像。由上面的技术方案可见，上述实施例中从物理光学的角度对结构组合进行分析，克服了传统光谱仪受视场角度变大影响而导致光谱分辨率下降的问题；采用光束采样器对大视场下的物点进行下采样、利用透镜阵列对光束进行准直的简单方式来实现更高的光谱分辨率；提供的光谱成像装置具有简单的结构，更小的尺寸和更轻的重量，为航天等特殊要求的应用提供实现可能。因此，该方案能够实现大视场、高分辨率的光谱成像，且光谱成像装置结构简单、易实现。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例中光谱成像装置结构示意图；图2为光路通过光束采样器和透镜阵列的集合光路示意图；图3为本申请实施例中光路通过不同孔径的光束采样器的衍射图；图4为本申请实施例中大视场高分辨率的光谱成像的工作原理示意图；图5为本申请实施例中光谱成像流程示意图。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。下面以具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。下面几个具体实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。本申请实施例中提供一种光谱成像装置，该成像装置结构简单，且能够实现大视场、高分辨率的光谱成像。参见图1，图1为本申请实施例中光谱成像装置结构示意图。所述成像装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。其中，所述光束采样器位于所述焦平面上，或所述焦平面与透镜阵列之间。所述透镜阵列，进一步用于使焦点对准焦平面；使阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，其中，每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。本申请实施例中具体实现时，不同单元膜板的焦距、直径满足下述关系，具体为：所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为等于0时候的位置坐标。下面分别给出获得上述关系的具体过程：参见图2，图2为光路通过光束采样器和透镜阵列的集合光路示意图。图2中虚线对应1视场光线传播，实现对应0视场光线传播。对于由三棱镜和光栅构成的色散系统，入射光线的准直度将很大程度上影响光谱分辨率的精度。因此，将对由光束采样器和透镜阵列组成的结构加入约束条件使得整体光路既能满足大视场成像又能达到高分辨率成像。如图2中透镜阵列的焦距f'，每一个像元的直径D'，光线入射到像元的半角ω'，以及像高为y”可以得到如下公式：当从焦平面出射的光线不在焦点时，从透镜阵列出射的光线将会和光轴有一定的夹角α，定义光束采样器到透镜阵列主截面的距离为l'，光束采样器的每一个孔径的直径为d'，则可以得到公式：...

【技术保护点】
1.一种光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；/n所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；/n所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；/n所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；/n所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；/n所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括：像方远心镜头、光束采样器、透镜阵列、色散单元和成像单元；
所述像方远心镜头，用于将不同视场角的物点发出的主光线通过像方远心镜头平行地聚焦到焦面上；
所述光束采样器，用于将通过所述像方远心镜头聚焦到焦面上的物方空间的点进行离散下采样；
所述透镜阵列，用于将所述光束采样器采样后的光线平行发射出；
所述色散单元，用于对所述透镜阵列平行发射出的所述光线进行色散；
所述成像单元，用于将通过所述色散单元的光线聚焦在像面生成光谱图像。


2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光束采样器位于所述焦平面上，或所述焦平面与透镜阵列之间。


3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述透镜阵列，进一步用于使焦点对准焦平面；使阵列像元的大小和焦距与通过像方远心镜头的光线出射角匹配，其中，每个像元的焦点与所述光束采样器的对应孔径对准。


4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述像方远心镜头的焦距f1、所述光束采样器的每个子孔径的直径d'，以及所述透镜阵列的焦距f'和每一个像元的直径D'满足下述关系：












其中，ω'为光线入射到透镜阵列的像元的半角，(x1,y1)为光束采样器上每一个子孔径的横纵坐标；(x,y)为所述透镜阵列上每一个子像元的横纵坐标；为在透镜阵列上的光线在坐标点(x,y)的能量复振幅分布；为通过光束采样器前的光的能量复振幅分布，k为波矢量；z1为所述光束采样器与所述透镜阵列之间的距离，λ为波长，A(x1,y1)为孔径函数，i为虚数符号。(xmax,ymax)为等于0时候的位置坐标。


5.根据权利要求1所述的装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宾，韩焱，曾朝斌，潘晋孝，王黎明，陈平，魏交统，苏新彦，孙鹏，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14