一種微型紅外成像光譜儀及其成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型紅外成像光譜儀，包括狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)和電氣組件；所述的狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)包括前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、光譜色散系統(tǒng)、數(shù)字微透鏡陣列、光譜重構(gòu)系統(tǒng)，所述的電氣組件包括紅外探測器、微透鏡編碼解碼系統(tǒng)、狹縫運動控制系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)；還公開了光譜儀的成像方法；本發(fā)明采用緊湊型前置光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)場景紅外輻射能量聚焦；采用精確狹縫掃描技術(shù)對場景中的每條線視場進行掃描，使得每次僅通過場景中的一條窄帶進行成像；采用光譜散射系統(tǒng)、數(shù)字微透鏡陣列、光譜重構(gòu)系統(tǒng)、紅外探測器實現(xiàn)線視場的光譜成像，具有分辨率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，成本較低的優(yōu)點，應(yīng)用范圍廣泛。
【專利說明】
一種微型紅外成像光譜儀及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于紅外光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微型狹縫掃描紅外成像光譜儀，以及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀由于其“圖譜合一”的特性，被廣泛應(yīng)用于特殊化學(xué)品的探測、成像、以及分析。
[0003]通常情況下，這些特殊的化學(xué)品在紅外輻射波段都具有輻射/吸收特征，利用成像光譜儀采集這些光譜特征可以實現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的分類鑒別。
[0004]然而，目前的成像光譜儀具有高昂的成本，這在很大程度上制約了成像光譜儀的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對傳統(tǒng)紅外成像光譜儀具有成本高、體積大、穩(wěn)定性差等缺點，本發(fā)明的目的之一在于提供一種微型紅外成像光譜儀。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種微型紅外成像光譜儀，包括狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)和電氣組件;所述的狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)包括沿光軸方向設(shè)置在系統(tǒng)前端的前置光學(xué)系統(tǒng)和依次設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)后側(cè)的狹縫、光譜色散系統(tǒng)、數(shù)字微透鏡陣列和光譜重構(gòu)系統(tǒng)，所述的狹縫設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上，所述狹縫的縫孔方向為水平;所述的電氣組件包括設(shè)置在光譜重構(gòu)系統(tǒng)后方的紅外探測器和與紅外探測器連接的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)上分別連接有狹縫運動控制系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，所述的狹縫運動控制系統(tǒng)與狹縫相連接，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)與數(shù)字微透鏡陣列連接。
[0007]本發(fā)明的目的之二在于提供一種微型紅外成像光譜儀的成像方法。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種微型紅外成像光譜儀的成像方法，包括以下步驟:a)、前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)場景的紅外輻射聚焦于狹縫所在的平面上;b)、狹縫選擇性地透過不同水平位置的線視場;C)、光譜色散系統(tǒng)將線視場的紅外輻射光色散開來;d)、數(shù)字微透鏡陣列對透過光譜色散系統(tǒng)的光譜信息進行編碼，并將編碼信息傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng);e)、光譜重構(gòu)系統(tǒng)對編碼后的光譜輻射信息進行重構(gòu)，并將其聚焦到紅外探測器的焦平面上;f)、紅外探測器將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸?shù)轿⑼哥R編碼解碼系統(tǒng)上，微透鏡編碼解碼系統(tǒng)同時接收數(shù)字微透鏡陣列傳輸?shù)木幋a信息;g)、狹縫運動控制系統(tǒng)控制狹縫的掃描運動，并將狹縫的運動參數(shù)傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng)；h)、微透鏡編碼解碼系統(tǒng)根據(jù)狹縫運動控制系統(tǒng)以及數(shù)字微透鏡陣列傳輸過來的信息對紅外探測器輸出的信號進行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理系統(tǒng)；i)、圖像圖像處理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行排序合成，最終輸出紅外光譜圖像數(shù)據(jù)。
[0009]所述的微型紅外成像光譜儀的成像方法，步驟g)中狹縫運動控制系統(tǒng)控制狹縫在垂直于光軸的方向上來回掃描。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
(1)采用了精確狹縫掃描方法，避免了使用傳統(tǒng)的大尺寸掃描反射鏡，使得系統(tǒng)具有更尚的穩(wěn)定性；
(2)采用了數(shù)字微透鏡陣列編碼技術(shù)，使得系統(tǒng)具有更高的光譜分辨率；
(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，可以適用于各種小型化的應(yīng)用平臺，應(yīng)用范圍廣泛。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的原理框圖。
[0012]各附圖標(biāo)記為:I一前置光學(xué)系統(tǒng)，2—狹縫，3—光譜色散系統(tǒng)，4一數(shù)字微透鏡陣列，5—光譜重構(gòu)系統(tǒng)，6—紅外探測器，7—狹縫運動控制系統(tǒng)，8—微透鏡編碼解碼系統(tǒng)，9一圖像處理系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014]參照圖1所示，本發(fā)明公開了一種微型紅外成像光譜儀，包括狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)和電氣組件。
[0015]所述的狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)包括沿光軸方向設(shè)置在系統(tǒng)前端的前置光學(xué)系統(tǒng)I和依次設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)I后側(cè)的狹縫2、光譜色散系統(tǒng)3、數(shù)字微透鏡陣列4和光譜重構(gòu)系統(tǒng)5，前置光學(xué)系統(tǒng)I用于將場景的紅外輻射聚焦于狹縫2所在的平面上，狹縫2用于選擇性地透過不同水平位置的線視場，光譜色散系統(tǒng)3用于將線視場的紅外輻射光色散開來，數(shù)字微透鏡陣列4用于對透過光譜色散系統(tǒng)3的光譜信息進行編碼，并將編碼信息傳輸至微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8，光譜重構(gòu)系統(tǒng)5對編碼后的光譜輻射信息進行重構(gòu)，并將其聚焦到紅外探測器6的焦平面上，所述的狹縫2設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面上，所述狹縫2的縫孔方向為水平。
[0016]所述的電氣組件包括設(shè)置在光譜重構(gòu)系統(tǒng)5后方的紅外探測器6和與紅外探測器6連接的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8，光譜重構(gòu)系統(tǒng)5將重構(gòu)的信息聚焦到紅外探測器6的焦平面上，紅外探測器6將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸?shù)轿⑼哥R編碼解碼系統(tǒng)8上，微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8用于接收數(shù)字微透鏡陣列4傳輸?shù)木幋a信息，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8上分別連接有狹縫運動控制系統(tǒng)7和圖像處理系統(tǒng)9，所述的狹縫運動控制系統(tǒng)7與狹縫2相連接，用于控制狹縫2的掃描運動并將狹縫2的運動參數(shù)傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8與數(shù)字微透鏡陣列4連接，微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8根據(jù)狹縫運動控制系統(tǒng)7以及數(shù)字微透鏡陣列4傳輸過來的信息對紅外探測器6輸出的信號進行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理系統(tǒng)9，圖像處理系統(tǒng)9將接收到的數(shù)據(jù)進行排序合成，最終輸出紅外光譜圖像數(shù)據(jù)。
[0017]在上述實施方式的基礎(chǔ)上，紅外光學(xué)系統(tǒng)I的安裝方式如下所述。
[0018]前置光學(xué)系統(tǒng)I沿著系統(tǒng)光軸安裝在最前方;狹縫2沿著系統(tǒng)光軸安裝在前置光學(xué)系統(tǒng)I的后焦面的位置，狹縫的方向沿著水平方向；在狹縫2后方沿著光軸依次安裝光譜色散系統(tǒng)3、數(shù)字微透鏡陣列4、光譜重構(gòu)系統(tǒng)5、以及紅外探測器6。
[0019]本發(fā)明的工作原理及獲得紅外光譜圖像數(shù)據(jù)的方法如下所述。
[0020]場景的紅外輻射經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)I聚焦在后焦面上。
[0021]狹縫運動控制系統(tǒng)7控制狹縫在同時垂直狹縫2和光軸的方面進行來回掃描運動，假設(shè)狹縫2的掃描路程為-L 一 L，每當(dāng)運動d的距離，紅外探測器6采集一次數(shù)據(jù)。
[0022]假設(shè)狹縫2運動到位置X處，此時前置光學(xué)系統(tǒng)I后焦面只有X處可以通過紅外輻射信號，該輻射信號經(jīng)過光譜色散系統(tǒng)3后，目標(biāo)場景中通過狹縫2的輻射信號被色散到數(shù)字微透鏡陣列4上。
[0023]微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8對數(shù)字微透鏡陣列4進行編碼，使得數(shù)字微透鏡陣列4可以透過特定區(qū)域特定波段的輻射信號，進而實現(xiàn)對輻射信號的波前進行編碼，編碼后的輻射信號經(jīng)過光譜重構(gòu)系統(tǒng)5后輻射到紅外探測器6的焦平面上。
[0024]紅外探測器6將接收到的輻射信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將其傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8，微透鏡編碼解碼系統(tǒng)8根據(jù)編碼信息對電信號進行解碼，最終可以輸出前置光學(xué)系統(tǒng)I后焦面X處一條線視場的光譜數(shù)字圖像，并將該信號傳輸給圖像處理系統(tǒng)9。
[0025]當(dāng)狹縫2從-L運動到L，圖像處理系統(tǒng)9可以接收到目標(biāo)場景若干條線視場的光譜圖像，圖像處理系統(tǒng)9根據(jù)線視場的幾何位置，對這些光譜圖像進行整合，最終可以得到整個目標(biāo)場景的光譜圖像數(shù)據(jù)立方。
[0026]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種微型紅外成像光譜儀，其特征在于:包括狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)和電氣組件;所述的狹縫掃描紅外光譜成像系統(tǒng)包括沿光軸方向設(shè)置在系統(tǒng)前端的前置光學(xué)系統(tǒng)(I)和依次設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)(I)后側(cè)的狹縫(2)、光譜色散系統(tǒng)(3)、數(shù)字微透鏡陣列(4)和光譜重構(gòu)系統(tǒng)(5)，所述的狹縫(2)設(shè)置在前置光學(xué)系統(tǒng)(I)的后焦面上，所述狹縫(2)的縫孔方向為水平;所述的電氣組件包括設(shè)置在光譜重構(gòu)系統(tǒng)(5)后方的紅外探測器(6)和與紅外探測器(6)連接的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8)，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8)上分別連接有狹縫運動控制系統(tǒng)(7)和圖像處理系統(tǒng)(9)，所述的狹縫運動控制系統(tǒng)(7)與狹縫(2)相連接，所述的微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8)與數(shù)字微透鏡陣列(4)連接。2.—種如權(quán)利要求1所述微型紅外成像光譜儀的成像方法，其特征在于，包括以下步驟: a)、前置光學(xué)系統(tǒng)(I)將目標(biāo)場景的紅外輻射聚焦于狹縫(2)所在的平面上； b )、狹縫(2 )選擇性地透過不同水平位置的線視場； c)、光譜色散系統(tǒng)(3)將線視場的紅外輻射光色散開來； d)、數(shù)字微透鏡陣列(4)對透過光譜色散系統(tǒng)(3)的光譜信息進行編碼，并將編碼信息傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8); e)、光譜重構(gòu)系統(tǒng)(5)對編碼后的光譜輻射信息進行重構(gòu)，并將其聚焦到紅外探測器(6)的焦平面上； f)、紅外探測器(6)將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸?shù)轿⑼哥R編碼解碼系統(tǒng)(8)上，微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8)同時接收數(shù)字微透鏡陣列(4)傳輸?shù)木幋a信息； g )、狹縫運動控制系統(tǒng)(7 )控制狹縫(2 )的掃描運動，并將狹縫(2 )的運動參數(shù)傳輸給微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8); h)、微透鏡編碼解碼系統(tǒng)(8)根據(jù)狹縫運動控制系統(tǒng)(7)以及數(shù)字微透鏡陣列(4)傳輸過來的信息對紅外探測器(6)輸出的信號進行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理系統(tǒng)(9); i)、圖像圖像處理系統(tǒng)(9)對接收到的數(shù)據(jù)進行排序合成，最終輸出紅外光譜圖像數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型紅外成像光譜儀的成像方法，其特征在于，所述步驟g)中狹縫運動控制系統(tǒng)(7)控制狹縫(2)在垂直于光軸的方向上來回掃描。
【文檔編號】G01J3/28GK106017677SQ201610344274
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】張智杰, 王晨晟, 劉興超, 趙坤, 雷波, 余徽
【申請人】湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司