[发明专利]一种高光通量实时光谱成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱成像技术，具体涉及一种高光通量实时光谱成像装置，属于计算摄像学技术领域。

背景技术

光谱成像技术是一种能同时获取目标空间信息特征和连续光谱信息特征的成像技术，它获取的图像通常包含数十到数百个波段，光谱分辨率远高于传统彩色图像。基于光谱成像技术可以从光谱维度上揭示不同物质的本质，因此在诸多军用和民用领域都有巨大的应用前景。

传统的光谱成像仪器普遍采用时序扫描技术，核心思想是通过牺牲时间和空间分辨率换取光谱信息，实现了光谱采集在光谱维度上的性能提升。摆扫式光谱成像设备使用单点扫描、线阵探测的方式，采用可摆动的反光镜将场景光反射到探测器，每次只对一个像素点进行光谱采集；反光镜的扫描方向与搭载装置的飞行器的前进方向垂直，先后采集场景全部区域的光谱信息。

推扫式光谱仪使用狭缝扫描、面阵探测的方式，设计合适的狭缝使得探测器每次只接受场景中某一行的光信息，使用的探测器方向与搭载该仪器的飞行器的前进方向垂直，通过向前推进该仪器，达到覆盖整个场景的目的。

光谱扫描式光谱仪通过带通滤光片轮换选择当前获取的光谱信息，将三维光谱图像拆分成单一谱带灰度图像进行采集，从而得到当前谱带的场景信息。

上述三种传统光谱成像技术的问题在于忽略了多维光谱信息之间存在的自相关性，时序扫描的方法无法应用于动态场景，装置运动部件难以保持长时间稳定，因此光谱信息精度易受影响。此外，带通滤光片的设计使得光通量降低，再加上色散元件带来的光通量损失，使得探测器上最终获取的光电信号较弱。要解决弱光电信号的问题，一种方法是增加像素的面积，但是会降低装置的空间分辨率；另一种方法是增加曝光时间，但是会降低装置的时间分辨率，同时也容易受到噪声的影响。因此，上述方法均无法同时实现高光通量和实时采集。

在实际应用中，传统光谱成像技术还存在以下的问题：空间分辨率依赖传感器密度，硬件造价昂贵；扫描数据量大，采样效率低；装置难以小型化、轻型化等。这些问题都有待进一步解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中光谱维度信息损失较大且无法实时获取的缺点，提出一种高光通量实时光谱成像装置，提供一种只需要单次曝光且不使用带通滤光片的成像方法，具有步骤简单、结构稳定、不需要昂贵设备、适用于多种场景，且在存在一定噪声的情况下依然能保持采集精度的优点。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开的一种高光通量实时光谱成像装置，使用的光学器件包括：成像物镜、透射式衍射光栅、中继透镜、微透镜阵列、CCD探测器；

成像物镜用于对要获取的目标成像；

透射式衍射光栅用于对成像物镜成像的光谱信息进行色散，光束色散成连续的谱带；其位置在成像物镜的像面上；

中继透镜用于将透射式衍射光栅色散后的光在轴线上无损的向前传递到所需位置；

微透镜阵列用于将入射光会聚，经会聚后来自原始场景某个空间局部内相同波长的光会聚在同一个像素点上；其由尺度小、集成度高的柱面透镜排列而成；柱面透镜可以对光束进行一维整形；每个柱面透镜的形状和位置都具有良好的一致性；

CCD探测器用于对光信号进行感光和光电转换，然后传输给计算机；其位置在微透镜阵列的像面上；

连接关系：

成像物镜的像面与透射式衍射光栅的光栅平面重合，微透镜阵列放置在中继透镜的像面上，微透镜阵列的像面与CCD探测器平面重合。

有益效果：

1、现有基于时序扫描的光谱成像技术，往往都需要多次曝光，采用点阵或者面阵去采集光谱信息，极大地损失了时间和空间分辨率；本发明公开的一种高光通量实时光谱成像装置，只需要单次曝光即可成像，极大地提高了系统的稳定性，也为拍摄动态场景提供了可能性。

2、相比传统光谱成像技术采用的复杂光路设计，本发明公开的一种高光通量实时光谱成像装置，光路简单，不需要昂贵的硬件设备，为今后的轻型化、小型化提供了可能性。

3、相比采用带通滤光片选择进入成像装置的光的谱段的设计，本发明公开的一种高光通量实时光谱成像装置，可以一次性获取所有谱段的光谱信息，减少了光信号在光路中的损失。高光通量的光路设计，使得探测器采集到的光电信号强度大大提高，对光谱图像的质量起到了优化作用。

附图说明

图1是本发明实施例一种高光通量实时光谱成像装置的结构示意图。