基于空间光波回路的单像素光谱成像系统

本发明属于光谱成像，具体一种基于空间光波回路的单像素光谱成像系统。

背景技术：

1、颜色作为成像目标的重要信息之一，不仅常被用来识别目标物体的形状轮廓，而且还可以用来判断目标物体的化学成分。从光学角度讲，颜色与光波长相对应，具有光谱上的可分辨性，因此，光谱成像比普通成像获取的信息更加丰富，在军事、安防、农业等方面有着重要的应用价值。

2、目前，常规的光谱成像仪主要基于色散技术、滤光技术和大尺寸面阵光电探测技术，硬件成本非常高昂。此外，很多波段，尤其红外波段的面阵光电探测器技术十分不成熟，给这些波段的光谱成像仪的发展造成了阻碍。

3、单像素成像技术只用一个像素就可以得到与成千上万个像素可比拟的成像效果，不仅极大地节省了探测器的硬件成本，还压缩了海量数据，减轻了数据存储与处理的压力。

4、目前，单像素光谱成像技术主要是在单像素技术的基础上加入可调滤光片，其系统主体结构主要包括用以加载调制矩阵的空间光调制器、用以聚集调制光能量的聚焦透镜、用以实现光信号探测的光电探测器等，从而得到不同光波长的单像素成像数据。其核心技术是基于不同波长光能量的线性叠加原理，利用可调谐滤光片筛选出光谱成像所需波长，并且依照单像素成像算法实现该波长的成像。

5、在实现本发明的过程中，发明人发现现有的单像素光谱成像技术至少存在以下问题：

6、现有的单像素光谱成像技术无法一次性采集到多个波长的成像数据，不仅时间分辨率与抗扰动性较差，而且实现超光谱成像需要极长的采集时间，不具备工程实践性。

技术实现思路

1、基于上述背景问题，本发明旨在提供一种基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，采用光学矩阵信号处理单元结合波导合波器，能够同时并行采集所有所需波长光的成像数据，从而将原有基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统的数据采集时间缩短。

2、为达到上述目的，本发明实施例提供的技术方案是：

3、基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，包括：

4、前置投影镜头，用于对待成像物体进行投影；

5、光学矩阵信号处理单元，用于对所述前置投影镜头形成的投影光波进行离散采样、开关调制、波长分离，并输出准单色光；

6、波导合波器，用于对所述光学矩阵信号处理单元输出的准单色光按照波长相同的原则进行通道合成；

7、单色光电探测器，用于将所述波导合波器合成的单色光信号转换成电信号。

8、在一个实施例中，所述前置投影镜头由至少一片光学镜片形成。

9、进一步地，所述光学镜片为凸透镜或凸透镜与凹透镜的组合。

10、在一个实施例中，所述光学矩阵信号处理单元包括：

11、空间光波导阵列，用于对投影光波进行离散采样以形成光学矩阵；

12、集成波导开关阵列，用于对所述光学矩阵进行开关调制；

13、集成波导耦合器阵列，用于对经过开关调制后的光波进行波长分离，并输出准单色光。

14、进一步地，所述空间光波导阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的光波导组成。

15、进一步地，所述集成波导开关阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的波导开关组成。

16、进一步地，所述集成波导耦合器阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的波导耦合器组成。

17、在一个实施例中，所述光学矩阵信号处理单元还包括：

18、空间光波导扩距阵列，设置在所述空间光波导阵列的后侧，用于扩大所述空间光波导阵列的波导空间间距。

19、在一个实施例中，基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，还包括：

20、数据存储单元，用于对所述单色光电探测器输出的电信号进行存储；或，

21、信息处理单元，用于对所述单色光电探测器输出的电信号进行处理以得到光谱成像。

22、与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下效果：

23、1、本发明的单像素光谱成像系统包括前置投影镜头、光学矩阵信号处理单元、波导合波器以及单色光电探测器，经调节后，前置投影镜头对目标成像且投影至光学矩阵信号处理系统的入射端，光学矩阵信号处理系统对投影过来的光场进行离散采样、开关调制、波长分离，输出构成所需成像光谱成分的各准单色光，波导合波器对这些准单色光按照波长相同的原则进行通道合成，并送入单色光电探测器，进而实现光谱成像。即本发明的单像素光谱成像系统采用光学矩阵信号处理单元结合波导合波器，能够同时并行采集所有所需波长光的成像数据，从而将原有基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统的数据采集时间缩短为1/n，其中n为光谱所含的波长数量。

24、2、本发明的光学矩阵信号处理单元还包括空间光波导扩距阵列，可以扩大空间光波导阵列的波导空间间距，以便于有足够的空间放置集成波导开关阵列。

25、3、本发明的单像素光谱成像系统去除了现有单像素光谱成像仪的核心器件可调谐滤光片，极大地节省了依靠调节通带波长实现多波长数据串行采集所需要的时间；还去除了现有单像素光谱成像仪的核心器件空间光调制器，不仅避免了非必要衍射级次的产生，还可以提升数据采集速率聚焦镜；还去除了现有单像素光谱成像仪的核心器件聚焦镜，避免了聚焦光路调节的复杂性。

26、4、本发明的单像素光谱成像系统采用集成一体化设计，有效地避免了现有单像素光谱成像仪的分立器件体积大、难调整、光路复杂等缺陷，极其适合搭载在各种车辆、船舶、航空航天器等开展可移动测量领域，在军事目标识别、农作物和水产养殖病虫害防治、自动驾驶、燃气泄漏监测等领域有着广阔的应用前景。

技术特征：

1.基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述前置投影镜头由至少一片光学镜片形成。

3.根据权利要求2所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述光学镜片为凸透镜或凸透镜与凹透镜的组合。

4.根据权利要求1所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述光学矩阵信号处理单元包括：

5.根据权利要求4所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述空间光波导阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的光波导组成。

6.根据权利要求4所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述集成波导开关阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的波导开关组成。

7.根据权利要求4所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述集成波导耦合器阵列由若干个按照空间拓扑规则排布的波导耦合器组成。

8.根据权利要求4所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，所述光学矩阵信号处理单元还包括：

9.根据权利要求1所述的基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明提供一种基于空间光波回路的单像素光谱成像系统，属于光谱成像技术领域，包括前置投影镜头、光学矩阵信号处理单元、波导合波器以及单色光电探测器，前置投影镜头用于对待成像物体进行投影；光学矩阵信号处理单元用于对前置投影镜头形成的投影光波进行离散采样、开关调制、波长分离，并输出准单色光；波导合波器用于对光学矩阵信号处理单元输出的准单色光按照波长相同的原则进行通道合成；单色光电探测器用于将波导合波器合成的单色光信号转换成电信号。本发明采用光学矩阵信号处理单元结合波导合波器，能够同时并行采集所有所需波长光的成像数据，从而将原有基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统的数据采集时间缩短。

技术研发人员：陈直,胡国胜,肖佳,王狄
受保护的技术使用者：上海电子信息职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15