[发明专利]一种基于DOE的CTIS系统光路

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于DOE(Diffractive Optical Elements，衍射光学元件)的CTIS(Computed Tomography Image Spectrometers，计算层析成像光谱技术)系统光路。

背景技术

高光谱成像技术是目前应用最为广泛的一种光谱成像技术。高光谱成像技术的波段数一般在10-1000之间，光谱分辨率在10nm左右，并且其多个光谱通道是连续的。该技术具有空间可识别性、光谱分辨率高和光谱范围广等众多优点，目前已在大气监测、食品安全检测、生物医学、军事国防等领域发挥了重要的作用。

高光谱成像技术按其成像方式分为快照式和扫描式两大类。扫描式高光谱成像技术发展得较早，应用得也较为广泛，但其存在扫描时间长及存在运动部件等弊端，不能较好地应用于快速运动的物体及需要快速采集的场景中。为克服扫描式高光谱成像技术的一些局限性，快照式高光谱成像技术应运而生，其采用画幅式的方式能够在一个快门的时间内迅速获取目标的空间信息和光谱信息。快照式高光谱成像技术对采集迅速运动的物体信息及在需要快速采集信息的场景中具有较好的应用。

CTIS就是实现快照式高光谱成像技术常用的一种方法。通过第一成像镜将目标成像于视场光阑处，再通过准直镜、分光元件及第二成像镜将视场光阑处的物象投影到探测器上，一次获取目标的空间信息和光谱信息。

其中，CTIS系统能够一次获取目标空间信息和光谱信息的关键就在于分光元件的分光作用，分光元件将目标数据立方体按其波长的不同进行分光，经过分光的光束通过第二成像镜汇聚到探测器上，探测器上得到目标数据立方体在不同方向上的投影图像，这些投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息。分光元件的性能优劣将直接影响该系统成像质量的好坏及后续反演结果的成败。

目前一般采用二维光栅作为CTIS系统光路中的分光元件，但是传统二维光栅在该系统中具有一些局限性：(1)在一定范围波段内的衍射效率较低。传统二维光栅的衍射效率受到设计波长的限制，在设计波长处衍射效率能达到100％，但随着波长相对限制波长的偏离，衍射效率逐渐下降，影响光学系统的成像质量。(2)传统二维光栅的衍射投影图像是固定的，不能根据需要而改变，这使得后续的图像重建只能基于该衍射模式进行反演，不利于算法的优化。

为了提高CTIS系统的成像质量使得后续图像重建更加顺利，一些科研人员对传统二维光栅做了一些改进设计，使其在传输性能上更能满足CTIS系统的需求，但效果都不是十分理想。而一些高精度的光栅其造价又十分昂贵，会大大提高CTIS系统光路的成本。

发明内容

本发明提供了一种基于DOE的CTIS系统光路，本发明提高了阵列探测器可探测到的有效信息量，降低了CTIS系统光路的成本，详见下文描述：

一种基于DOE的CTIS系统光路，沿光路依次包括：第一成像镜、视场光阑、准直镜、DOE、第二成像镜及阵列探测器，

目标物体通过第一成像镜成像于视场光阑处；光线在视场光阑处呈汇聚状态；通过视场光阑的光线呈发散状态到达准直镜，视场光阑处的物象经过准直镜准直形成平行光束到达DOE；目标物体与视场光阑成物象共轭关系；

DOE对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上；经过分光的不同方向上的光束通过第二成像镜汇聚到阵列探测器上，阵列探测器上得到目标数据立方体在不同方向上的衍射投影图像，这些衍射投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息；

阵列探测器将光信号转换成电信号，记录衍射投影图像的光强信息；DOE通过相位变换有效地将光束转换成所需的衍射投影图像，并精确地控制各级衍射的强度及衍射角。

其中，所述衍射投影图像呈正六边形，中间为零级衍射，周围为一级衍射，各级衍射强度分布均匀，能量利用率高。

相比于采用二维光栅作为分光元件的CTIS系统光路，本发明提供的一种基于DOE的CTIS系统光路具有以下的有益效果：

(1)DOE可以在保留传统光栅其他良好成像特性的基础上，提高宽波段的衍射效率，即在一定范围的波段内都具有良好的衍射效率；高的衍射效率可以保证将微弱的光信号也传输到阵列探测器，增大阵列探测器探测到的有效信息量，而有效信息量越多越有利于后续的图像反演；

(2)本发明具有更多的设计自由度，可以根据需要设计DOE的衍射阵列形状、衍射角度及各级衍射强度，在已知衍射投影图像和衍射角的情况下研发人员可以更好地设计重构算法；