一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种快照式多谱段光谱成像仪。
【背景技术】
[0002] 光谱成像仪能够同时获得探测目标的二维空间信息（X，y)和一维光谱信息（λ )， 构建目标的三维数据立方体。获得数据立方体的方法通常有三种：时间扫描、空间扫描和快 照（Snap-shot)，前两种可以统称为扫描方法。时间扫描型光谱仪需要在不同时间段设置不 同的带通滤波器以获得待测谱段中的各谱段信息，但是带通滤波器有带宽限制，所以在重 构成图像时存在误差；空间扫描型光谱仪需要空间移动或者光谱仪本身具有运动部件，这 样容易引入对准和运动误差，并且扫描运动对扫描机构和推扫平台的运动精度和稳定性的 要求很高，加大了运动部件的加工难度和成本。这两种扫描型光谱仪都是以某种扫描方式 来获取目标场景的完整图像光谱信息，无法在一次曝光内同时获取空间和光谱信息，因而 限制了成像光谱仪在快速目标探测等方面的应用。
[0003] 计算光谱成像技术（computational imaging spectrometry, CIS)是近年来提出 的一种新型快照式光谱成像技术。该技术基于传统的色散型光谱成像技术，引入具有特殊 数学形式的二维编码模板，编码模板和色散元件分别对目标的空间信息和光谱信息进行调 制，并采用压缩感知理论对获取的二维图谱混叠图像进行三维图谱重构，一次曝光就能重 构出目标的三维数据立方体信息，实现目标景物空间信息和光谱信息的快照式成像。但是， 由于需要后续反演算法，不能实现动态目标实时光谱测量；同时，其原理复杂，加工工艺复 杂，由此仪器的体积、重量等等不容易控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪， 其输出图像无需后续数据处理任务，可以直接应用，同时，该成像仪原理简单，加工简单并 且成本低，满足小型设计的要求。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种快照式多谱段光谱成像仪，包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光 结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结 构。
[0007] 所述分光结构包括：
[0008] 平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个 Wollaston棱镜穿插设置。
[0009] -种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，基于前述的快照式多谱段光谱成像 仪实现，光束由物镜入射，经准直镜后平行入射分光结构，在分光结构中，光束被分光为N 束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进行滤波与补偿光程差，最后在探测器上得到 的是N个波段纯净且成像准确的像。
[0010] 所述分光结构包含平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜，其中 穿插设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成四个光束分离器，当光束射入分光结构 后，被分束为24= 16束光。
[0011] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，结构中没有入射狭缝，光通量高，且没有 运动部件，无需推扫和凝视成像，在面阵探测器一帧成像，不同光谱的二维空间信息成阵列 组合成像在探测器上，在一次曝光就能同时获得目标的空间信息和光谱信息；同时，没有后 续反演算法的需求，可实现动态目标实时光谱测量，在探测灵活变化目标方面，具有很大的 优势；另外，加工工艺相对简单。由此仪器的体积、重量、功耗等等，都十分容易控制，满足各 种小型设计需求。
【附图说明】
[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0013] 图1为本发明实施例提供的一种快照式多谱段光谱成像仪的结构示意图；
[0014] 图2为本发明实施例提供的16波段的分光结构的示意图；
[0015] 图3为本发明实施例提供的16波段成像示意图；
[0016] 图4为本发明实施例提供的462. 5nm、587. 5nm、712. 5nm和837. 5nm四个光谱波段 的点列图；
[0017] 图5为本发明实施例提供的462. 5nm、587. 5nm、712. 5nm和837. 5nm四个光谱波段 的MTF曲线图；
[0018] 图6为本发明实施例提供的偏振片与波片联合光轴的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0020] 图1为本发明实施例提供的一种快照式多谱段光谱成像仪的结构示意图。如图1 所示，其主要包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与 探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构。
[0021] 本发明实施例中，所述分光结构为16波段的分光结构，如图2所示，其包括：平行 设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱 镜穿插设置。
[0022] 本实施例中，图2所示的四个Wollaston棱镜为它们各自的一个侧面，由于它们的 安装角度不同、厚度不同，因此，图示的四个Wollaston棱镜存在一定的区别；同上，四个波 片也选用了厚度不同的波片。但需要强调的是，本发明实施例并不对Wollaston棱镜的安 装角度与厚度进行限制，也不对波片的厚度进行限制，用户可以根据实际情况进行相应的 设置与调节。本发明实施例所述的16波段的分光结构，可以在面阵探测器一帧内生成16 个光谱波段各个独立、小幅同景、阵列式区域组合的图像，在一次曝光就能同时获得目标的 空间信息和光谱信息，成像速度快。
[0023] 示例性的，如图3所示，为光谱仪成4X4阵列的像，子图像彼此之间有序、整齐得 排列在探测器上，每个子图像所对应的波长值如表1所示。图3中，每5个点（呈十字形排 布）代表一个子图像，故探测器上得到4X4= 16个子图像，每个子图像所对应的波长值如 表1所示。5个点表示全视场在探测器上成像，这五个视场分别为：（X = 0. 00, y = 0. 00)， (X = 0· 00, y = 1. 25)，（X = 1. 25, y = 0· 00)，（X = 0· 00, y = -1. 25)和（X = -1. 25, y = 0.00)。由此可见，其可以准确实现16波段成像，成像清晰准确，无成像重叠或成像模糊现 象，满足总体指标要求，成像质量良好。
[0024]
[0025] 表1 16个子图像对应的波长
[0026] 另外，评价该光学系统的成像质量主要考虑点列图、调制传递函数（MTF)值两个 指标。由于系统采用Wollaston棱镜进行分光，将整幅图像在空间上分为16个准单色区 域，因此，为分析各单色光成像质量，本发