[发明专利]紧凑微型快照式光谱成像探测装置及探测方法

说明书

本发明公开紧凑微型快照式光谱成像探测装置及探测方法，包括光谱图像复制模块和数据采集处理显示系统；光谱图像复制模块包含沿入射光向依次设置的微透镜阵列、线性渐变滤光片和面阵探测器；线性渐变滤光片紧靠在面阵探测器感光面上，面阵探测器的感光面置于微透镜阵列的像面上，并与数据采集处理显示系统相连；微透镜阵列中每一行透镜的排列方向与线性渐变滤光片中相同波长滤光的波线方向有夹角。本发明的装置适用于探测动态或快变目标的光谱图像信息、能有效地避免由目标变化、抖动噪声、或环境变化等因素所带来的负面影响，在天文观测、空间探测、地球遥感、机器视觉及生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于光学遥感探测领域，特别涉及一种用于光谱辐射探测的光谱成像装置及探测方法。

背景技术

物体辐射的电磁波中含有随空间位置变化的光谱信息，可用于反演目标的形态及物理化学等特性。光谱成像技术是一种同时获取二维空间目标光谱信息的前沿遥感技术，对提高目标探测、识别及分类的效率和精准度具有一定潜力，在军事侦察、地球资源普查、环境卫生监测、自然灾害预报、大气探测、天文观测、机器视觉仿生、生物医学诊断等诸多领域都将具有重要的应用价值和前景。

光谱成像技术按获取二维光谱信息的时间分辨率来分，可分为时序式和快照式两大类。当前，大多数光谱成像技术都采用时序扫描方式(如画幅式、推扫式、或窗扫式)获取二维场景的光谱图像，需要从不同时刻获取的多帧图像数据中提取并重组二维空间目标的偏振光谱图像。时序获取技术不适于动态或快速变化目标，大气或周围环境的不稳定性也会影响成像质量，还需要精确的空间定位系统。

相比之下，将快照式光谱成像技术可以快速实时探测二维空间目标的偏振光谱图像，不仅提高了工作效率，还可有效避免多次测量时因环境变化而带来的影响，因此快照式偏振光谱成像技术是当前和未来发展的主要方向，具有重要的应用潜力。

快照式光谱成像技术按照成像模式可分为：重建成像和直接成像两种。重建成像主要是指光学系统获取的数据不是所见即所得的，需要经由后期复杂繁重的重建算法处理，方可得到最终的光谱图像。该类技术主要涉及压缩光谱成像【1】、计算层析光谱成像技术等【2】。直接成像主要是指光学系统获取的数据是所见即所得的，可以直接提供光谱图像，或者仅需要简单的数据重组过程。该类技术主要是积分视场光谱成像技术【3,4】，滤光片阵列分孔径成像技术【5,6】，或滤光片阵列分焦平面成像技术等【7,8】。积分视场光谱成像技术往往需要成像光学系统、再成像光学系统及光谱色散系统，系统复杂体积大，难以实现紧凑微型成像系统。相对而言，基于滤光片阵列的快照式光谱成像技术，结构简单，可实现紧凑微型。但是，滤光片阵列分孔径光谱成像技术的光谱通道数受限于小口径窄带滤光片的加工和集成技术；若要获取高光谱分辨率，需要上百个滤光片集成一起，实现起来非常困难【9】。而滤光片阵列分焦平面成像技术通常采用拜耳排列方法，将几个不同波段的窄带滤光片在焦平面上进行周期性排列，同样需要精密的加工和集成技术，而且仅能同时获取几个波段的光谱图像。

线性渐变滤光片可以连续调制光谱，其制造具有技术成熟、工艺完备，物美价廉的优势。但是，它常被用于基于狭缝的推扫型高光谱成像系统中，通过系统与场景的相对移动，获取二维目标的高光谱信息。

参考文献：

【1】美国发明专利，“Coded aperture snapshot spectral imager and methodtherefor”，美国专利号：US8553222B2.

【2】美国发明专利，“Computed tomography imaging spectrometer(CTIS)with2D reflective grating for ultraviolet to long-wave infrared detectionespecially useful for surveying transient events”，美国专利号：US6522403B2.