专利名称：一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种利用基于微透镜阵列的光场成像技术和线性渐变滤光片色散实现画幅式拍照的光谱成像方法和光谱成像仪。
背景技术：
传统色散型或干涉型成像光谱技术都需要至少某种扫描方式获取目标场景的空间和光谱信息，无法在一次曝光内同时获取完整图像光谱信息，因而限制了成像光谱仪在快速运动或变化目标的监测等方面的应用。此外，这类成像光谱仪的扫描运动对其搭载的推扫平台或自身扫描机构的运动精度和稳定性都有很高要求，易受震动等外部冲击影响， 因此加大了运动部件的加工难度和成本，不适用于复杂的工作环境。20世纪90年代，随着计算机技术的发展，出现了基于计算层析成像的光谱成像技术，该技术可在一次拍摄中同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，通过计算机层析计算原理可以获取目标光谱数据立方体。但是该技术对分光元件的精度要求高，且对探测器阵面利用率低，成本高，难以实用化。近年来，国际上兴起了一种新型的计算成像技术——光场成像技术，该技术通过在传统光学成像系统添加解调单元，将目标二维空间分布信息和几何光线传播的二维方向信息同时记录下来，可提取不同方向角下的目标信息即目标物体的二维光强度分布，利用特定的信息处理方法可以实现对目标图像的数字对焦处理，从而形成清晰的图像，还可以处理得到物空间的景深方向的信息，相较于传统光学成像技术，在信息获取上具有很大的优势。光场成像技术的多维信息获取能力，为瞬时获取目标的三维光谱图像数据立方体提供了技术支持。参考文件 I[R. Horstmeyer and et al., “Flexible multimodal camerausing a light field architecture,，，International Conference on ComputationalPhotography(2009)]利用小孔阵列作为光场成像技术的调制元件，将多模式滤光片阵列置于前置光学系统光瞳处，一次拍摄获取目标不同波长的光谱图像。但是存在如下缺点(1)小孔阵列的光通量低，加大了曝光时间，无法应用于快速变化或移动的目标；(2)小孔阵列的物理衍射光斑大，探测器像元利用率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高通量、快照式的成像光谱技术，实现一次拍照获取目标的完整光谱图像信息，应用于快速变化或移动目标的监测与追踪。本发明提供的一种快照式高通量的光谱成像仪，包括线性渐变滤光片阵列和基于微透镜阵列的光场成像机构，光场成像机构包括成像系统的主镜、微透镜阵列和探测器。滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带，滤光片阵列被放置在主镜镜片之间的孔径光阑处，形成前置光学成像系统；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像系统的成像面；探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置系统。每个滤光片都与探测器的一行或者一列像元平行。所述主镜由透镜组L1和透镜组L2组成，滤光片阵列位于透镜组L1和透镜组L2之间的孔径光阑处，透镜组L2位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，滤光片阵列经透镜组L1得到滤光片阵列像，设透镜组L1对滤光片阵列的放大率为M1，则滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/M1，其中，P表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距。本发明提供的一种快照式高通量的光谱成像方法，具体包括如下步骤步骤I，在光场成像机构的主镜镜片之间的孔径光阑处放置滤光片阵列，形成前置光学成像系统，所述滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带。设主镜由透镜组L1和透镜组L2组成，滤光片阵列位于透镜组L1 和透镜组L2之间的孔径光阑处，滤光片阵列经透镜组L1得到滤光片阵列像。滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为PlVfM1, P表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距，M1为透镜组L1对滤光片阵列的放大率。步骤2，在前置光学成像系统的成像面放置微透镜阵列，透镜组1^位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，在微透镜阵列的焦平面上放置探测器。步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过主镜和滤光片阵列调制后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光分散到探测器的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(NA，Nx，Ny)，其中，
权利要求
1.一种快照式高通量的光谱成像仪，其特征在于，包括线性渐变滤光片阵列和基于微透镜阵列的光场成像机构，光场成像机构包括主镜、微透镜阵列和探测器；滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带，滤光片阵列被放置在主镜镜片之间的孔径光阑处，形成前置光学成像系统；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像系统的成像面，探测器被置于微透镜阵列的焦平面上；每个滤光片都与探测器的一行或者一列像元平行； 所述主镜由透镜组L1和透镜组L2组成，滤光片阵列位于透镜组L1和透镜组L2之间的孔径光阑处，透镜组L2位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，滤光片阵列经透镜组L1得到滤光片阵列像，设透镜组L1对滤光片阵列的放大率为M1，则滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为PlVfM1，其中，P表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距。
2.根据权利要求I所述的光谱成像仪，其特征在于，所述的微透镜阵列中各微透镜的F数与前置光学成像系统的有效F数相等。
3.一种快照式高通量的光谱成像方法，其特征在于，具有如下步骤 步骤I，在光场成像机构的主镜镜片之间的孔径光阑处放置滤光片阵列，形成前置光学成像系统，所述滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带； 具体设主镜由透镜组L1和透镜组L2组成，滤光片阵列位于透镜组L1和透镜组L2之间的孔径光阑处；滤光片阵列经透镜组L1得到滤光片阵列像；滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为PlVfM1, P表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距，M1为透镜组L1对滤光片阵列的放大率； 步骤2，在前置光学成像系统的成像面放置微透镜阵列，透镜组1^2位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，在微透镜阵列的焦平面上放置探测器； 步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过主镜和滤光片阵列调制后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的来自目标的不同方向光分散到探测器的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(NA，Nx，Ny)，其中，
全文摘要
本发明是一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪，实现画幅式拍照。光谱仪包括线性渐变滤光片阵列和光场成像机构，光场成像机构包括主镜、微透镜阵列和探测器。滤光片阵列在主镜镜片之间的孔径光阑处，滤光片阵列由若干等宽的滤光片间隙排列组成，滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带。微透镜阵列在前置光学成像系统的成像面，探测器在微透镜阵列的焦平面上。光谱成像方法将目标发射或反射的不同方向光经主镜和滤光片阵列调制后，成像于某个微透镜上，经该微透镜将光分散到探测器的像元上形成子图像，最终获得的三维光谱图像数据。本发明实现了一次拍照就获取目标的完整光谱图像信息，可应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中。
文档编号G01J3/02GK102944305SQ20121045176
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者苏丽娟, 袁艳, 胡亮 申请人:北京航空航天大学