專利名稱：基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，更具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于橋式光柵光調(diào)制器，可使用線陣探測(cè)器或單點(diǎn)探測(cè)器成像的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀。
背景技術(shù)：
成像光譜技術(shù)就是一類將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合的新型多維信息獲取技術(shù)， 它能夠得到被探測(cè)目標(biāo)的空間信息和光譜信息。通常使用的成像光譜儀主要探測(cè)目標(biāo)的兩維空間與一維光譜信息，形成數(shù)據(jù)立方體。要想獲得三維的數(shù)據(jù)，必須采用掃描技術(shù)或多通道探測(cè)技術(shù)。按穿軌成像方式分類，掃描型成像光譜儀又可分為光機(jī)掃描成像和推帚式成像。光機(jī)掃描成像通過(guò)掃描鏡的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使一個(gè)掃描行上各瞬時(shí)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)輻射能量順序通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入探測(cè)器。推帚式成像對(duì)每條掃描行一次凝視成像。對(duì)于高光譜成像， 前者的探測(cè)器采用線列器件，后者采用面陣器件。在相同的工作條件下，凝視器件比光機(jī)掃描器件的積分時(shí)間長(zhǎng)得多，從而推帚式成像的信噪比優(yōu)勢(shì)非常明顯。由于面陣焦平面器件加工工藝和成本的影響，推帚式高光譜成像的發(fā)展應(yīng)用受到制約?；诎⑦_(dá)瑪變換的阿達(dá)瑪變換變換成像光譜技術(shù)利用空間光調(diào)制器采用線陣探測(cè)器件就可以實(shí)現(xiàn)高光譜成像，并具有類似于傅里葉變換光譜技術(shù)的多通道探測(cè)優(yōu)勢(shì)。阿達(dá)瑪變換(Hadamard Transform)是近三十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的類似于傅里葉變換的一種新型光譜調(diào)制技術(shù)，具有高信噪比、檢測(cè)器單元數(shù)少以及高光通量等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微弱光譜測(cè)量。作為阿達(dá)瑪變換成像光譜儀中的關(guān)鍵器件一阿達(dá)瑪變換編碼模板，大致可以分為以下幾類機(jī)械移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式模版；液晶空間光調(diào)制器模版；MOEMS(微光機(jī)電系統(tǒng))光調(diào)制器模版。機(jī)械移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式模版的優(yōu)點(diǎn)是，碼元對(duì)光的調(diào)制接近理想的開(kāi)和關(guān)的狀態(tài)，而且雜散光的水平較低。但是模版需要作間歇式的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件容易產(chǎn)生機(jī)械疲勞、對(duì)準(zhǔn)誤差和不穩(wěn)定，編碼速度相對(duì)較低。液晶空間光調(diào)制器模版避免了機(jī)械可動(dòng)部件產(chǎn)生的不良影響，但它的開(kāi)關(guān)切換速度仍然較慢，碼元對(duì)光的調(diào)制不能做到全開(kāi)和全關(guān)，而且液晶的吸收光譜限制了其在可見(jiàn)光和近紅外譜帶的應(yīng)用。使用新興的微光機(jī)電系統(tǒng)MOEMS 技術(shù)制造的光調(diào)制器模版具有體積小、動(dòng)態(tài)模板產(chǎn)生靈活、掃描速度快、便于集成等突出優(yōu)點(diǎn)。它克服了機(jī)械式模版的振動(dòng)和磨損容易引入誤差的缺點(diǎn)，對(duì)光的調(diào)制速度、帶寬和效率又明顯優(yōu)于液晶空間光調(diào)制器模版，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。Fateley等以德州儀器公司生產(chǎn)的DMD上10X10個(gè)相鄰微鏡為一個(gè)阿達(dá)瑪單元，對(duì)化學(xué)試樣在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)進(jìn)行拉曼超光譜成像研究，該系統(tǒng)的信噪比和分辨率與相同規(guī)模的常規(guī)光譜儀相比有顯著提高。但是，DMD的微鏡之間的間隙使得該模版在光學(xué)調(diào)制效果上產(chǎn)生了衍射雜散光的干擾，不能夠達(dá)到理想光調(diào)制效果。對(duì)比現(xiàn)有阿達(dá)瑪變換成像光譜儀技術(shù)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，能否有一種方案，即沒(méi)有機(jī)械模版式光譜儀由于振動(dòng)和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過(guò)液晶模版式光譜儀，且能夠避免DMD這種轉(zhuǎn)鏡反射式MOEMS光譜儀的微鏡間隙引起的光學(xué)干擾，這成為我們發(fā)明基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀的初衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、重量輕、價(jià)格便宜、性噪比高的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，采用申請(qǐng)人前期研究的MOEMS橋式光柵光調(diào)制器(專利號(hào)ZL20081023^33. 5)作為光譜調(diào)制的核心器件，克服推帚式光譜成像儀焦平面器件成本高和無(wú)法做大面陣的缺點(diǎn)； 以橋式光柵光調(diào)制器為其光路選通元件，避免機(jī)械模版式光譜儀由于振動(dòng)和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過(guò)液晶模版式光譜儀，且能夠避免DMD這種轉(zhuǎn)鏡反射式 MOEMS光譜儀的微鏡間隙引起的光學(xué)干擾，實(shí)現(xiàn)高效率的光調(diào)制。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，包括接收光學(xué)系統(tǒng)、色散元件、 成像鏡、橋式光柵光調(diào)制器陣列、會(huì)聚鏡、探測(cè)器。所述色散元件設(shè)置于接收光學(xué)系統(tǒng)的出射光路上；成像鏡、橋式光柵光調(diào)制器陣列依次設(shè)置于色散元件的出射光路上；會(huì)聚鏡、探測(cè)器依次設(shè)置于橋式光柵光調(diào)制器陣列的出射光路上。目標(biāo)物的輻射信息通過(guò)所述接收光學(xué)系統(tǒng)按不同時(shí)間順序逐行成像在色散元件上，經(jīng)色散元件分光后再經(jīng)過(guò)成像鏡成像到可編程橋式光柵光調(diào)制器陣列上，通過(guò)對(duì)橋式光柵光調(diào)制器陣列按照阿達(dá)瑪編碼模版編程驅(qū)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的光按特定組合通過(guò)，并經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡會(huì)聚到探測(cè)器上，最后通過(guò)阿達(dá)瑪反變換得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。接收光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)折射或反射形式接收以推帚工作模式獲得的目標(biāo)的輻射信息， 并逐行準(zhǔn)直到色散元件上。接收光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選牛頓式、卡塞格林式或里奇一克萊琴式反射望遠(yuǎn)鏡方式構(gòu)成，以避免色像差的影響。本發(fā)明使用的橋式光柵光調(diào)制器(專利號(hào)ZL20081023^33. 5)是采用衍射原理，對(duì)入射光進(jìn)行相位調(diào)制。由于它是采用MOEMS技術(shù)制造的微型器件，加之光柵設(shè)計(jì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和衍射原理，當(dāng)多個(gè)光柵光調(diào)制器單元構(gòu)成面陣或線陣時(shí)，既沒(méi)有機(jī)械模版式由于振動(dòng)和磨損引入的誤差，又在調(diào)制速度、帶寬、效率上超過(guò)液晶模版式光譜儀，且在光柵衍射方向上沒(méi)有DMD那樣由于單元間隙造成的光學(xué)干擾。當(dāng)橋式光柵光調(diào)制器陣列工作在阿達(dá)瑪變換方式下時(shí)，只要對(duì)其陣列中的每個(gè)單元像素進(jìn)行獨(dú)立的電壓驅(qū)動(dòng)即可。阿達(dá)瑪變換原理如式(1)所示
權(quán)利要求
1.一種基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于它由接收光學(xué)系統(tǒng)(1)、色散元件(2)、成像鏡(3)、橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)、會(huì)聚鏡(5)、探測(cè)器(6)組成；所述色散元件(2)設(shè)置于接收光學(xué)系統(tǒng)(1)的出射光路上；成像鏡(3)、橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)依次設(shè)置于色散元件(2)的出射光路上；會(huì)聚鏡(5)、探測(cè)器(6)依次設(shè)置于橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)的出射光路上；目標(biāo)物的輻射信息通過(guò)所述接收光學(xué)系統(tǒng)(1)按不同時(shí)間順序逐行成像在色散元件(2 )上，經(jīng)色散元件(2 )分光后再經(jīng)過(guò)成像鏡(3 )成像到橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)上，通過(guò)對(duì)橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)按照阿達(dá)瑪編碼模版編程驅(qū)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的光按特定組合通過(guò)，并經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡(5)會(huì)聚到探測(cè)器(6)上，最后通過(guò)阿達(dá)瑪反變換得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于，所述對(duì)橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)按照阿達(dá)瑪編碼模版編程驅(qū)動(dòng)的方式是當(dāng)橋式光柵光調(diào)制器陣列工作在阿達(dá)瑪變換方式下時(shí)，只要對(duì)其陣列中的每個(gè)單元像素進(jìn)行獨(dú)立的電壓驅(qū)動(dòng)即可，阿達(dá)瑪變換原理如式(1)所示
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)為線陣，阿達(dá)瑪編碼模版按一維模版方式編碼，對(duì)目標(biāo)物的光譜維信息進(jìn)行壓縮，對(duì)應(yīng)探測(cè)器(6 )為線陣探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于橋式光柵光調(diào)制器陣列(4)為面陣，阿達(dá)瑪編碼模版按二維模版方式編碼，對(duì)目標(biāo)物的光譜維信息進(jìn)行壓縮，對(duì)應(yīng)探測(cè)器(6)為單點(diǎn)式探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于所述接收光學(xué)系統(tǒng)選用牛頓式、卡塞格林式或里奇一克萊琴式反射望遠(yuǎn)鏡方式構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于所述色散元件為反射式光柵、透射式光柵或棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，其特征在于所述成像鏡和會(huì)聚鏡為反射式或透射式鏡子。
全文摘要
一種基于橋式光柵光調(diào)制器的阿達(dá)瑪變換成像光譜儀，可使用線陣探測(cè)器或單點(diǎn)探測(cè)器。它包括接收光學(xué)系統(tǒng)、色散元件、成像鏡、橋式光柵光調(diào)制器陣列、會(huì)聚鏡、探測(cè)器。目標(biāo)物的輻射信息通過(guò)所述接收光學(xué)系統(tǒng)按不同時(shí)間順序逐行成像在色散元件上，經(jīng)色散元件分光后再經(jīng)過(guò)成像鏡成像到可編程橋式光柵光調(diào)制器陣列上，通過(guò)對(duì)橋式光柵光調(diào)制器陣列按照阿達(dá)瑪編碼模版編程驅(qū)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的光按特定組合通過(guò)，并經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡會(huì)聚到探測(cè)器上，最后通過(guò)阿達(dá)瑪反變換得到目標(biāo)物的空間維信息和光譜維信息。該光譜儀具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、速度快、性噪比高的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航天航空遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、物質(zhì)分析與分類、宇宙與天文探測(cè)、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)、大氣探測(cè)以及軍事目標(biāo)的搜索與跟蹤等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01J3/28GK102175323SQ20111003382
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者張晨旸, 張智海, 王偉, 莫祥霞, 郭媛君, 黃慶探 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)