[发明专利]基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种成像光谱仪，更具体的说，本发明涉及一种基于微光机电系统制造的光栅平动式光调制器面阵的成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术就是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息。通常使用的成像光谱仪主要探测目标的两维空间与一维光谱信息，形成数据立方体。要想获得三维的数据，必须采用扫描技术或多通道探测技术。按穿轨成像方式分类，扫描型成像光谱仪又可分为光机扫描成像和推帚式成像。光机扫描成像通过扫描镜的机械运动使一个扫描行上各瞬时视场对应的目标辐射能量顺序通过光学系统进入探测器。推帚式成像对每条扫描行一次凝视成像。对于高光谱成像，前者的探测器采用线列器件，后者采用面阵器件。由于面阵焦平面器件加工工艺和成本的影响，推帚式高光谱成像的发展应用受到制约。

能否用一种器件对面阵器件所接收的信息的光谱维进行压缩，使得在推帚式成像光谱仪中可以用低成本、多像素、高分辨率的线阵探测器来提高信号质量，成为研究热点。常用的方法是使用空间光调制器。大致可以分为以下几类：传统机械移动和旋转型调制器；液晶空间光调制器；MOEMS(微光机电系统)光调制器。

传统机械移动和旋转式型调制器的优点是，接近理想的开和关的状态，而且杂散光的水平较低。但是它需要作间歇式的连续运动，导致运动部件容易产生机械疲劳、对准误差和不稳定，速度相对较低。液晶空间光调制器避免了机械可动部件产生的不良影响，但它的开关切换速度仍然较慢，对光的调制不能做到全开和全关，而且液晶的吸收光谱限制了其在可见光和近红外谱带的应用。使用新兴的微光机电系统MOEMS技术制造的光调制器具有体积小、编程灵活、扫描速度快、便于集成等突出优点。它克服了传统机械式调制器的振动和磨损容易引入误差的缺点，对光的调制速度、带宽和效率又明显优于液晶空间光调制器，是近年来的研究热点。如德州仪器公司生产的DMD就是典型代表。但是,DMD的微镜之间的间隙使得该模版在光学调制效果上产生了衍射杂散光的干扰，不能够达到理想光调制效果。

能否对传统推帚式成像光谱仪中面阵探测器件所接收的信息的光谱维进行压缩，使得可以用低成本、多像素、高分辨率的线阵探测器件来提高信号质量，而且即没有传统机械式成像光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，这成为我们发明基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪的初衷。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、价格便宜的成像光谱仪，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点；以光栅平动式光调制器GMLM为其光路选通元件，避免传统机械式成像光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶式成像光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS成像光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，实现高效率的光调制。

本发明的技术方案如下：

一种基于光栅平动式光调制器的成像光谱仪，包括接收光学系统、色散元件、成像镜、光栅平动式光调制器阵列、会聚镜、探测器。所述色散元件设置于接收光学系统的出射光路；成像镜、光栅平动式光调制器阵列依次设置于色散元件的出射光路上；会聚镜、探测器依次设置于光栅平动式光调制器阵列的出射光路。目标物的辐射信息通过所述接收光学系统按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程光栅平动式光调制器线阵上，通过对光栅平动式光调制器线阵编程逐行驱动，使不同波长的光分时顺序通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过数据合成得到目标物的空间维信息和光谱维信息。

本成像光谱仪的接收光学系统通过折射或反射形式接收以推帚工作模式获得的目标的辐射信息，并逐行准直到色散元件上。接收光学系统优选牛顿式、卡塞格林式或里奇－克莱琴式反射望远镜方式构成，以避免色像差的影响。

本发明所述的色散元件为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。本发明所述的成像镜和会聚镜为反射式或透射式镜子。