[发明专利]差分光谱成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及光谱成像技术。

背景技术

光谱成像技术在各领域具有广泛的应用需求。从单一谱段振幅成像的黑白照相技术，发展至彩色成像，即在可见光范围内将物质光谱划分为红、绿、蓝三段，即使这样简单的划分就极大的增进了我们对物体的辨识能力。利用光学滤波技术可把物质光谱划分至上100段，将使我们对目标精细谱特征的辨识能力得到巨大提升，光谱成像技术在伪装识别、地物分类、环境监测与评估、资源遥感调查、生物表皮与器官内壁表面健康状态诊断、活体组织生理过程的监测等方面具有重大应用价值。例如，美国机载可见光/近红外光谱成像仪（AVIRIS）在先进机载计算机的支持下进行高效率的军事侦察，美国火星探测器搭载的“Quickbird”光谱成像仪可获得火星地物地貌的光谱特性，我国于2011年发射的“天宫一号”搭载的光谱成像仪用以探测月球或地表物质。

光谱成像技术的核心是光谱滤波技术。滤光片组、声光可调谐滤波器、干涉滤波器以及液晶可调谐滤光片是常用几类光谱分光器件。滤光片组是利用每一滤光片的窄带滤光特性来获得高的光谱分辨能力，但滤光片组的滤光片的数量少，只能对少数特定谱段成像，将丢失探测目标的大部分光谱信息，并且，依靠旋转机构进行谱段切换的方式还会影响光谱仪的调谐速度、降低系统长时间工作的可靠性，且结构复杂。基于声光可调谐滤光技术的光谱成像仪，可以改善波谱转换时间，但结构复杂、能耗较大，并且在成像方面存在色散模糊和图像漂移的问题。以干涉滤光技术为基础发展起来的光谱成像仪，具有高能量利用率和高光谱分辨率的特点，但其视场小、信噪比较低。

液晶可调滤光片具有结构简单紧凑、可连续调谐、响应速度快、通光口径大、功耗低等优点，特别是液晶可调谐滤光片在实现光学滤波的同时还具有调制入射光束偏振态的能力，可在光谱成像中融入偏振信息，在医学诊断、刑侦物证分析鉴定等应用方面独具优势。但液晶可调谐滤光片的一个缺点是带宽较宽，使得基于液晶可调谐滤光片的光谱成像仪的光谱分辨能力较低。近年来，人们提出了一系列提高液晶可调谐滤光片光谱分辨能力的技术方法，如美国专利“Hyper-spectral imaging methods and devices”(US7652765)、“Mutli-conjugate liquid crystal tunable filter”(US7362489、US6992809)以及国内发明专利“多共轭液晶可调谐滤波器”（200680005180.6），国防专利“液晶多光谱扫描成像系统”（申请号200910121509.0），研究论文“一种基于液晶技术的可调谐滤波器研究”（吴晓平.光学与光电技术，2004第3卷）、“基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计”（张冬英.光谱学与光谱分析，2008第10期），在上述专利及已发表的国内外相关文献中，主要针对液晶可调谐滤光片的结构，将液晶相位延迟片与偏振器等进行优化组合来提高液晶可调谐滤光片的光谱分辨能力，但由于液晶可调谐滤光片是由液晶相位延迟片级联而成，给定级联级数的可调谐滤光片的带宽在给定中心波长时是一个固定值（通常用透过峰的半高宽（HWHM）来表征液晶可调谐滤光片的带宽），在光谱成像时，液晶可调谐滤光片半高宽范围内的光谱对光强的贡献为79%，因此，常用液晶可调谐滤光片的半高宽来表示其光谱分辨能力。通常，提高液晶可调谐滤光片光谱分辨能力的方法是采用更多的级联级数，例如，美国Caliper CRI公司的光谱分辨力为20nm@500nm的液晶可调谐滤光片采用8级级联,每级由一个可调的液晶相位延迟片和石英固定相位延迟片组成,而光谱分辨力为8nm@500nm的液晶可调谐滤光片采用12级级联,且8nm@500nm的液晶可调谐滤光片的光通量约为20nm@500nm的液晶可调谐滤光片光通量的1/4。为了获得在中心波长为500nm时2nm的光谱分辨能力，需要20个液晶相位延迟片与石英相位延迟片组合并级联，数量众多相位延迟片的级联工艺复杂，并将带来诸如图像畸变、光谱不均匀性、体积大等问题，同时引入严重的插入损耗，较光谱分辨能力为20nm的液晶可调谐滤光片，2nm的20级级联的液晶可调谐滤光片的光通量约为前者的5%，极小的光通量将使光谱成像过程面临恶劣的光照度环境问题。

对于液晶可调谐滤光片，在提高其光谱分辨能力的同时，一方面由于更窄的带宽导致更小的光通量，另一方面增加级联级数引入光损耗、导致图像畸变、光谱不均匀性、体积大、驱动控制复杂等问题。此外，一旦确定液晶可调谐滤光片的级联级数，在给定谱段其光谱分辨率是一个固定值，对于需要灵活改变光谱分辨率的光谱成像应用领域，液晶可调谐滤光片则不能发挥作用。