專利名稱：阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種干涉光譜成像方法及設(shè)備，具體涉及一種阿達(dá)瑪變換干涉光譜成 像方法及按該方法設(shè)計(jì)的阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像儀。
背景技術(shù)：
阿達(dá)瑪變換(Hadamard Transform)光譜技術(shù)是近四十年來發(fā)展起來的一種類寸以 于傅里葉變換(Fourier Transform)的新型光譜調(diào)制技術(shù)。阿達(dá)瑪變換是基于平面 波函數(shù)的一種變換，具有高能量輸入、多通道成像以及高信噪比的優(yōu)點(diǎn)[M.O.Harwit， N.J. A. Slone. Hadamard Transform Optics. Academic:New York, 1980，牛寺另!J適 用于微弱光譜信號(hào)檢測(cè)，阿達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)是國際上前沿研究課題之一。
目前所有的阿達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)都是以阿達(dá)瑪編碼模板代替常規(guī)色散型(采 用棱鏡分光或光柵分光)光譜儀的入射狹縫或出射狹縫，或者同時(shí)代替二者，對(duì)各光 譜成分進(jìn)行四則運(yùn)算解碼獲得被探測(cè)目標(biāo)的兩維空間信息和一維光譜信息。
阿達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)將阿達(dá)瑪模板作為一個(gè)寬狹 待，視參與編碼的各空 間碼元為一個(gè)整體，但由于阿達(dá)瑪模板具有一定的尺寸，且碼元越多尺寸越寬，會(huì)產(chǎn) 生空間信息和光譜信息的錯(cuò)位與混疊；另外，由于阿達(dá)瑪變換光譜成像儀采用的是色 散分光方法，阿達(dá)瑪模板的寬度還同時(shí)制約著光譜分辨率和空間分辨率，阿達(dá)瑪模板 越窄，光譜分辨率和空間分辨率越高，但阿達(dá)瑪模板越窄進(jìn)入到光譜儀中的光能量就 越少，光能量越少實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率和高空間分辨率就越困難。
為了克服上述不利因素，對(duì)于尺寸較大的阿達(dá)瑪模板，通常采取在模板與分光裝 置之間放置柱面透鏡組的做法，對(duì)模板與目標(biāo)像進(jìn)行壓縮Q. S. Hanley, P. J. Verveer， T. M. Jovin. Spectral imaging in a programmable array microscope by Hadamard ■transform fluorescence spectroscopy. Appl. Spectrosc. ， 1999， 53 (1) : 1 10， 增加了儀器的復(fù)雜度。柱面透鏡組的作用僅是將尺寸較寬的阿達(dá)瑪模板壓縮成尺寸較 窄的阿達(dá)瑪模板，由于色散型光譜儀的光譜分辨率和阿達(dá)瑪模板的寬度是互相制約 的，尺寸較窄的阿達(dá)瑪模板有利于提高儀器的光譜分辨率，但被壓縮后的阿達(dá)瑪模板總有一定寬度，故阿達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)中空間信息和光譜信息的錯(cuò)位與混疊問題 始終無法避免，這種錯(cuò)位與混疊只能通過上述方法減輕但無法徹底消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法及設(shè)備，其解決了背景 技術(shù)中空間分辨率和光譜分辨率同時(shí)受阿達(dá)瑪模板尺寸限制，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技 術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法，其特殊之處在于，包括以下步驟
(1 )前置光學(xué)成像系統(tǒng)1將目標(biāo)成像于具有n個(gè)碼元的阿達(dá)瑪模板3表面上；
(2) 緊貼著阿達(dá)瑪模板3設(shè)置一光闌2限制參與阿達(dá)瑪變換編碼的視場(chǎng)范圍和過
濾雜散光；
(3) 經(jīng)阿達(dá)瑪模板3編碼后的目標(biāo)像進(jìn)入橫向剪切干涉儀4，阿達(dá)瑪模板3在垂 直于光軸的方向上l皮橫向剪切干涉儀4剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪卞莫板，與阿達(dá)瑪模板3平
行并且寬度方向一致；
(4) 兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板經(jīng)傅氏鏡5和柱面鏡6，在探測(cè)器7上產(chǎn)生干涉，干涉條
紋方向與剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量和探測(cè)器的有效尺寸成正比，與傅氏鏡 5的焦距成反比，阿達(dá)瑪模板3位于傅氏鏡5的前焦面，探測(cè)器7位于傅氏鏡5和柱 面鏡6的后焦面；
(5) 將探測(cè)器7輸出的千涉圖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)8中；
(6) 阿達(dá)瑪模板3變換一次編碼，探測(cè)器7采集一次干涉圖信號(hào)，阿達(dá)瑪模板3 變換n次后，完成編碼；
(7) n次采集得到的干涉圖信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換，得到n幅目標(biāo)經(jīng)阿達(dá)瑪模 板編碼后的光譜圖像，這些圖像經(jīng)快速阿達(dá)瑪變換解碼后最終得到目標(biāo)的兩維空間信 息和一維光譜信息，完成成像。
一種實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法的設(shè)備，包括沿光路設(shè)置的阿達(dá)瑪模板 3，把目標(biāo)成像于有n個(gè)碼元的阿達(dá)瑪模板3表面上的前置光學(xué)成像系統(tǒng)1,在阿達(dá) 瑪模板3垂直于光軸的方向上將其剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板的橫向剪切干涉儀4，探 測(cè)器7以及與探測(cè)器7連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8，其特殊之處在于還包括緊貼于阿達(dá)瑪模板3設(shè)置的光闌2;設(shè)置于橫向剪切干涉儀
4與探測(cè)器7之間的傅氏透鏡5和柱面鏡6，所述阿達(dá)瑪模板3位于傅氏透鏡5的前 焦面，所述探測(cè)器7位于傅氏透鏡5和柱面鏡6的后焦面。
上述阿達(dá)瑪模板3的形式為移動(dòng)式機(jī)械模板、液晶空間光調(diào)制器或數(shù)字微平面鏡陣列。
上述兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板與阿達(dá)瑪模板3平行并且寬度方向一致。 上述橫向剪切干涉儀為Sagnac干涉儀，Mach-Zehnder干涉儀或偏振雙折射干涉儀。
上述探測(cè)器7為阿達(dá)瑪變換干涉信號(hào)的接收器，包括線陣探測(cè)器和面陣探測(cè)器。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于用靜態(tài)空間調(diào)制型干涉光譜儀取代傳統(tǒng)阿達(dá)瑪變換光譜 成像儀中的色散型(采用棱鏡分光或光柵分光)光譜儀。
靜態(tài)空間調(diào)制型干涉光譜儀在形式上與色散型光譜儀相4以，色散型光譜儀是利用 色散元件(光柵或棱鏡等)將阿達(dá)瑪模板處的復(fù)色光色散分成序列譜線，然后用探測(cè) 器測(cè)量每譜線元的強(qiáng)度，空間調(diào)制型干涉光譜儀則是利用橫向剪切干涉儀同時(shí)獲得 阿達(dá)瑪模板處復(fù)色光所有譜線元在不同光程差處的干涉強(qiáng)度,對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉變 換得到目標(biāo)的光譜圖。
兩者的本質(zhì)不同在于，色散型光譜儀中阿達(dá)瑪模板的寬度同時(shí)制約著光譜分辨率 和空間分辨率并且不可避免產(chǎn)生空間信息和光譜信息的錯(cuò)位與混疊，阿達(dá)瑪模板越 窄，光譜分辨率和空間分辨率越高，但阿達(dá)瑪模板越窄進(jìn)入到光譜儀中的光能量越少， 光能量越少高光譜分辨率和高空間分辨率的實(shí)現(xiàn)就越困難，因此在色散型光譜儀中高 能量通過率、高光譜分辨率和高空間分辨率之間的矛盾不可調(diào)和；而在靜態(tài)空間調(diào)制 型干涉光譜儀中干涉圖的調(diào)制度不受阿達(dá)瑪模板形狀、大小等因素影響，這是靜態(tài)空 間調(diào)制型干涉光譜技術(shù)本身的一大優(yōu)點(diǎn)，這意味著光譜分辨率不再受到阿達(dá)瑪模板寬 度的制約，阿達(dá)瑪模板的寬度只與光譜儀的空間分辨率有關(guān)，而光譜分辨率則由探測(cè) 器的像元數(shù)來決定，而且阿達(dá)瑪模板中所有碼元的光程差始終保持一致，不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò) 位與混疊。因此在保持較高光譜分辨率的條件下，阿達(dá)瑪模板可以很寬或具有任意形 狀，從而可以增大視場(chǎng)角(增加阿達(dá)瑪模板高度)、提高輻射能量(增大阿達(dá)瑪模板 面積)，具有潛在的高通量?jī)?yōu)點(diǎn)，高能量通過率、高光譜分辨率和高空間分辨率容易同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明徹底省卻了傳統(tǒng)阿達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)中為了提高光譜分辨率額外增 加的柱面透鏡組件，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。 總結(jié)起來本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1) 阿達(dá)瑪模板中所有碼元的光程差始終保持一致，故對(duì)目標(biāo)的空間相干性無要 求，從根本上避免了空間信息和光譜信息的錯(cuò)位與混疊。
2) 干涉圖的調(diào)帝渡不受阿達(dá)瑪模板形狀、大小等因素的影響，光譜分辨率與阿 達(dá)瑪模板的尺寸無關(guān)，高空間分辨率和高光譜分辨率成像容易實(shí)現(xiàn)。
3) 由于光譜分辨率與阿達(dá)瑪模板的尺寸無關(guān)，因而允許比較大的視場(chǎng)角(增加 HT模板高度)和任意形狀、大小的阿達(dá)瑪模板，使光通量大幅提高。
4) 阿達(dá)瑪模板寬度僅與一維空間分辨率有關(guān)，與光譜分辨率無關(guān)，因此降低了
設(shè)計(jì)難度。
5) 徹底省卻了傳鄉(xiāng)3達(dá)瑪變換光譜成像技術(shù)中的柱面透鏡壓縮環(huán)節(jié)，因而結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。


圖l為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)號(hào)說明l一前置光學(xué)成像系統(tǒng)，2—光闌，3—阿達(dá)瑪模板，4一橫向剪切 干涉儀，5—傅氏透鏡，6—柱面鏡，7—探測(cè)器，8—計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
參見圖l，本發(fā)明的技術(shù)方法是
前置光學(xué)成像系統(tǒng)1將目標(biāo)成像于具有n個(gè)碼元的阿達(dá)瑪模板表面上；
光闌2緊貼著阿達(dá)瑪模板3放置，它的作用是限制參與阿達(dá)瑪變換編碼的視場(chǎng)范 圍和防治雜散光；
阿達(dá)瑪模板3位于傅氏透鏡5的前焦面處，經(jīng)阿達(dá)瑪模板3編碼后的目標(biāo)像進(jìn)入 橫向剪切干涉儀4，阿達(dá)瑪模板3在垂直于光軸的方向上被剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板， 它們與原阿達(dá)瑪模板3平行并且寬度方向一致；
兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板經(jīng)傅氏鏡5和柱面鏡6，在位于它們后焦面的探測(cè)器7上產(chǎn)生 干涉，干涉條紋方向與剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量和探測(cè)器的有效尺寸成正比，與傅氏鏡5的焦距成反比，光程差越大，光譜分辨率越高；
將探測(cè)器7輸出的干涉圖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后送入計(jì)算豐幾處理系統(tǒng)8中； 阿達(dá)瑪模板3變換一次編碼，探測(cè)器7采集一次干涉圖信號(hào)，阿達(dá)瑪模板3變換
n次后，完成編碼；
n次采集得到的干涉圖信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換，得到n幅目標(biāo)經(jīng)阿達(dá)瑪模板編 碼后的光譜圖像，這些圖像經(jīng)快速阿達(dá)瑪變換解碼后最終得到目標(biāo)的兩維空間信息和
一維光譜信息。
其中前置光學(xué)成像系統(tǒng)l可采用折射、折反射和反射等各種形式，將目標(biāo)成像于 阿達(dá)瑪模板表面上是前置光學(xué)成像系統(tǒng)l的主要目的。
其中阿達(dá)瑪模板的作用是產(chǎn)生n (n=2'-l，m=2,3,"*)次阿達(dá)瑪編碼陣列，從而對(duì) 目標(biāo)進(jìn)行n次阿達(dá)瑪變換編碼，阿達(dá)瑪模板可采用移動(dòng)式機(jī)械模板、液晶空間光調(diào)制 器和數(shù)字微平面鏡陣列等形式。
其中橫向剪切干涉儀可采用Sagnac干涉儀、Mach-Zehnder干涉儀、偏振雙折射干
涉儀等。無論橫向剪切干涉儀的具體結(jié)構(gòu)如何，它的主要作用是將阿達(dá)瑪模板垂直于
光軸等光程的分開。
其中探測(cè)器7是阿達(dá)瑪變換干涉信號(hào)的接收器，采用線陣探測(cè)器可以獲得目標(biāo)的 一維空間和一維光譜信息；采用面陣探測(cè)器可以獲得目標(biāo)的兩維空間和一維光譜信息。
權(quán)利要求
1.一種阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法，其特征在于，包括以下步驟(1)前置光學(xué)成像系統(tǒng)1將目標(biāo)成像于具有n個(gè)碼元的阿達(dá)瑪模板3表面上；(2)緊貼著阿達(dá)瑪模板3設(shè)置光闌2限制參與阿達(dá)瑪變換編碼的視場(chǎng)范圍和過濾雜散光；(3)經(jīng)阿達(dá)瑪模板3編碼后的目標(biāo)像進(jìn)入橫向剪切干涉儀4，阿達(dá)瑪模板3在垂直于光軸的方向上被橫向剪切干涉儀4剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板，與阿達(dá)瑪模板3平行并且寬度方向一致；(4)兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板經(jīng)傅氏鏡5和柱面鏡6，在探測(cè)器7上產(chǎn)生干涉，干涉條紋方向與剪切方向垂直，干涉光程差與剪切量和探測(cè)器的有效尺寸成正比，與傅氏鏡5的焦距成反比，阿達(dá)瑪模板3位于傅氏鏡5的前焦面，探測(cè)器7位于傅氏鏡5和柱面鏡6的后焦面；(5)將探測(cè)器7輸出的干涉圖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)8中；(6)阿達(dá)瑪模板3變換一次編碼，探測(cè)器7采集一次干涉圖信號(hào)，阿達(dá)瑪模板3變換n次后，完成編碼；(7)n次采集得到的干涉圖信號(hào)分別進(jìn)行傅里葉變換，得到n幅目標(biāo)經(jīng)阿達(dá)瑪模板編碼后的光譜圖像，這些圖像經(jīng)快速阿達(dá)瑪變換解碼后最終得到目標(biāo)的兩維空間信息和一維光譜信息，完成成像。
2. 種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1成像方法的設(shè)備，包括沿光路設(shè)置的阿達(dá)瑪模板3，把目標(biāo) 成像于有n個(gè)碼元的阿達(dá)瑪模板3表面上的前置光學(xué)成像系統(tǒng)1，在阿達(dá)瑪申莫板3垂 直于光軸的方向上將其剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板的橫向剪切干涉儀4，探測(cè)器7以及 與探測(cè)器7連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)8，其特征在于還包括緊貼于阿達(dá)瑪模板3設(shè)置的光闌2;設(shè)置于橫向剪切干涉儀4與 探測(cè)器7之間的傅氏透鏡5和柱面鏡6，所述阿達(dá)瑪模板3位于傅氏透鏡5的前焦面， 所述探測(cè)器7位于傅氏透鏡5和柱面鏡6的后焦面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述成像設(shè)備，其特征在于所述阿達(dá)瑪模板3的形式為移動(dòng)式 機(jī)械模板、液晶空間光調(diào)制器或數(shù)字微平面鏡陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述成像設(shè)備，其特征在于所述兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板與阿達(dá)瑪模板3平行并且寬度方向一致。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2 4任-一所述成像設(shè)備，其特征在于所述橫向剪切干涉儀為 Sagnac干涉儀，Mach-Zehnder干涉儀或偏振雙折射干涉儀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述成像設(shè)備，其特征在于所述探測(cè)器7為阿達(dá)瑪變換干涉信 號(hào)的接收器，包括線陣探測(cè)器和面陣探測(cè)器。
全文摘要
一種阿達(dá)瑪變換干涉光譜成像方法，該方法包括以下步驟(1)成像于阿達(dá)瑪模板表面上；(2)限制參與阿達(dá)瑪變換編碼的視場(chǎng)范圍和過濾雜散光；(3)在垂直于光軸的方向上剪切成兩個(gè)虛阿達(dá)瑪模板，與阿達(dá)瑪模板平行并且寬度方向一致；(4)產(chǎn)生干涉，與剪切方向垂直，(5)將干涉圖信號(hào)進(jìn)行送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中；(6)阿達(dá)瑪模板變換n次后，完成編碼；(7)進(jìn)行傅里葉變換，得到n幅目標(biāo)經(jīng)阿達(dá)瑪模板編碼后的光譜圖像，解碼后最終得到目標(biāo)的兩維空間信息和一維光譜信息，完成成像。本發(fā)明不受阿達(dá)瑪模板尺寸限制，形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01J3/45GK101526400SQ200810210069
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者周錦松, 相里斌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所