本發(fā)明涉及光譜分析儀器技術領域，尤其涉及一種基于DOE(Diffractive Optical Elements，衍射光學元件)的CTIS(Computed Tomography Image Spectrometers，計算層析成像光譜技術)系統(tǒng)光路。

背景技術：

高光譜成像技術是目前應用最為廣泛的一種光譜成像技術。高光譜成像技術的波段數(shù)一般在10-1000之間，光譜分辨率在10nm左右，并且其多個光譜通道是連續(xù)的。該技術具有空間可識別性、光譜分辨率高和光譜范圍廣等眾多優(yōu)點，目前已在大氣監(jiān)測、食品安全檢測、生物醫(yī)學、軍事國防等領域發(fā)揮了重要的作用。

高光譜成像技術按其成像方式分為快照式和掃描式兩大類。掃描式高光譜成像技術發(fā)展得較早，應用得也較為廣泛，但其存在掃描時間長及存在運動部件等弊端，不能較好地應用于快速運動的物體及需要快速采集的場景中。為克服掃描式高光譜成像技術的一些局限性，快照式高光譜成像技術應運而生，其采用畫幅式的方式能夠在一個快門的時間內(nèi)迅速獲取目標的空間信息和光譜信息?？煺帐礁吖庾V成像技術對采集迅速運動的物體信息及在需要快速采集信息的場景中具有較好的應用。

CTIS就是實現(xiàn)快照式高光譜成像技術常用的一種方法。通過第一成像鏡將目標成像于視場光闌處，再通過準直鏡、分光元件及第二成像鏡將視場光闌處的物象投影到探測器上，一次獲取目標的空間信息和光譜信息。

其中，CTIS系統(tǒng)能夠一次獲取目標空間信息和光譜信息的關鍵就在于分光元件的分光作用，分光元件將目標數(shù)據(jù)立方體按其波長的不同進行分光，經(jīng)過分光的光束通過第二成像鏡匯聚到探測器上，探測器上得到目標數(shù)據(jù)立方體在不同方向上的投影圖像，這些投影圖像包含了目標的空間信息和光譜信息。分光元件的性能優(yōu)劣將直接影響該系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞及后續(xù)反演結果的成敗。

目前一般采用二維光柵作為CTIS系統(tǒng)光路中的分光元件，但是傳統(tǒng)二維光柵在該系統(tǒng)中具有一些局限性：(1)在一定范圍波段內(nèi)的衍射效率較低。傳統(tǒng)二維光柵的衍射效率受到設計波長的限制，在設計波長處衍射效率能達到100％，但隨著波長相對限制波長的偏離，衍射效率逐漸下降，影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。(2)傳統(tǒng)二維光柵的衍射投影圖像是固定的，不能根據(jù)需要而改變，這使得后續(xù)的圖像重建只能基于該衍射模式進行反演，不利于算法的優(yōu)化。

為了提高CTIS系統(tǒng)的成像質(zhì)量使得后續(xù)圖像重建更加順利，一些科研人員對傳統(tǒng)二維光柵做了一些改進設計，使其在傳輸性能上更能滿足CTIS系統(tǒng)的需求，但效果都不是十分理想。而一些高精度的光柵其造價又十分昂貴，會大大提高CTIS系統(tǒng)光路的成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于DOE的CTIS系統(tǒng)光路，本發(fā)明提高了陣列探測器可探測到的有效信息量，降低了CTIS系統(tǒng)光路的成本，詳見下文描述：

一種基于DOE的CTIS系統(tǒng)光路，沿光路依次包括：第一成像鏡、視場光闌、準直鏡、DOE、第二成像鏡及陣列探測器，

目標物體通過第一成像鏡成像于視場光闌處；光線在視場光闌處呈匯聚狀態(tài)；通過視場光闌的光線呈發(fā)散狀態(tài)到達準直鏡，視場光闌處的物象經(jīng)過準直鏡準直形成平行光束到達DOE；目標物體與視場光闌成物象共軛關系；

DOE對平行光束進行分光，使得不同波長的光束按一定的規(guī)律分散到不同的方向上；經(jīng)過分光的不同方向上的光束通過第二成像鏡匯聚到陣列探測器上，陣列探測器上得到目標數(shù)據(jù)立方體在不同方向上的衍射投影圖像，這些衍射投影圖像包含了目標的空間信息和光譜信息；

陣列探測器將光信號轉換成電信號，記錄衍射投影圖像的光強信息；DOE通過相位變換有效地將光束轉換成所需的衍射投影圖像，并精確地控制各級衍射的強度及衍射角。

其中，所述衍射投影圖像呈正六邊形，中間為零級衍射，周圍為一級衍射，各級衍射強度分布均勻，能量利用率高。

相比于采用二維光柵作為分光元件的CTIS系統(tǒng)光路，本發(fā)明提供的一種基于DOE的CTIS系統(tǒng)光路具有以下的有益效果：

(1)DOE可以在保留傳統(tǒng)光柵其他良好成像特性的基礎上，提高寬波段的衍射效率，即在一定范圍的波段內(nèi)都具有良好的衍射效率；高的衍射效率可以保證將微弱的光信號也傳輸?shù)疥嚵刑綔y器，增大陣列探測器探測到的有效信息量，而有效信息量越多越有利于后續(xù)的圖像反演；

(2)本發(fā)明具有更多的設計自由度，可以根據(jù)需要設計DOE的衍射陣列形狀、衍射角度及各級衍射強度，在已知衍射投影圖像和衍射角的情況下研發(fā)人員可以更好地設計重構算法；

(3)DOE是基于標準的微電子制作工藝設計制作的，具有價格低廉、體積小、重量輕、以及可復制等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為基于DOE的CTIS系統(tǒng)光路的結構示意圖；

圖2為一種DOE衍射投影圖像的示意圖。

其中，該衍射投影圖像呈正六邊形，中間為零級衍射，周圍為一級衍射，各級衍射強度分布均勻，能量利用率高；并且DOE可以根據(jù)需要變換衍射投影圖像的形狀、衍射角及各級衍射的強度。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1：目標物體；

2：第一成像鏡，為一匯聚透鏡，其作用是將目標物體成像于視場光闌處；

3：視場光闌，其作用是限制目標成像范圍，目標物體通過第一成像鏡2與視場光闌3成物象共軛關系，視場光闌3通過準直鏡4、第二成像鏡6，與陣列探測器7成物象共軛關系；

4：準直鏡，其作用是將通過視場光闌3的發(fā)散光束轉換成平行光束；

5：DOE，其作用是對通過準直鏡4的平行光束進行分光處理，使得不同波長的光束按一定的規(guī)律分散到不同的方向上；

6：第二成像鏡，其作用是將不同方向上的光束匯聚到陣列探測器7上，得到目標物體1在不同方向上的衍射投影圖像；

7：陣列探測器，其作用是將光信號轉換成電信號，記錄投影的光強信息。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

為了解決背景技術中存在的問題，在不破壞原系統(tǒng)光路結構的情況下本發(fā)明實施例創(chuàng)造性地提出采用DOE代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維衍射光柵進行CTIS系統(tǒng)光路的設計。

DOE是基于光的衍射原理發(fā)展起來的一種新型衍射光學元件，其結構為一種多臺階相位透鏡，它是基于成熟的微電子制作工藝設計制造的，具有更多的設計自由度和材料選擇性，價格低廉，具有許多卓越的、傳統(tǒng)光學元件難以具備的功能。

本發(fā)明實施例提供一種傳輸效率更高的CTIS系統(tǒng)光路，即一種基于DOE的CITS系統(tǒng)光路。其中DOE的作用是對通過準直鏡的平行光束進行分光，使得不同波長的光束按一定的規(guī)律分散到不同的方向上，以便在陣列探測器上得到目標數(shù)據(jù)立方體在不同方向上的投影。DOE的特點在于可以有效地控制衍射投影圖像及各級衍射強度，具有較高的衍射效率，減少光束的能量損失，尤其有利于后續(xù)的CTIS圖像重構過程。

采用DOE作為分光元件可以有效地通過相位調(diào)制的方法改變衍射投影圖像及各級衍射強度，并且DOE在一定范圍波段內(nèi)的衍射效率都很高，相比于傳統(tǒng)二維線性光柵，DOE可作為CTIS系統(tǒng)中一種更為理想的分光元件。

實施例1

一種基于DOE的CTIS系統(tǒng)光路，參見圖1，沿光路依次包括：第一成像鏡2、視場光闌3、準直鏡4、DOE 5、第二成像鏡6及陣列探測器7。

目標物體1通過第一成像鏡2成像于視場光闌3處；視場光闌3處的物象經(jīng)過準直鏡4準直形成平行光束到達DOE5；

DOE5對平行光束進行分光，使得不同波長的光束按一定的規(guī)律分散到不同的方向上；經(jīng)過分光的光束通過第二成像鏡6匯聚到陣列探測器7上，陣列探測器7上得到目標數(shù)據(jù)立方體在不同方向上的投影圖像，這些投影圖像包含了目標的空間信息和光譜信息。

其中，在搭建光路之前，根據(jù)CTIS圖像重建的需要對DOE5進行優(yōu)化設計，使其有效地將入射光束轉換成所需的投影圖像。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述設計提高了陣列探測器可探測到的有效信息量，降低了CTIS系統(tǒng)光路的成本。

實施例2

下面結合圖1和圖2對實施例1中的方案進行進一步地介紹，詳見下文描述：

基于DOE5具有衍射效率高、可以精確控制各級衍射強度比、可改變衍射投影圖像等特點，本發(fā)明實施例設計了一種具有高傳輸效率的CTIS系統(tǒng)光路。

目標物體1與視場光闌3成物象共軛關系，第一成像鏡2將目標物體1成像于視場光闌3處，光線在視場光闌3處呈匯聚狀態(tài)；通過視場光闌3的光線呈發(fā)散狀態(tài)到達準直鏡4，準直鏡4將發(fā)散光束準直，形成平行光束。

通過準直鏡4的平行光束到達DOE5，DOE5對平行光束進行分光，使得不同波長的光束按照光學衍射規(guī)律分散到不同的方向上；不同方向上的光束通過第二成像鏡6匯聚到陣列探測器7上，形成目標物體1在不同方向上的衍射投影圖像；陣列探測器7將光信號轉換成電信號，記錄投影圖像的光強信息。

其中，該DOE5在該實施方案中起到對平行光束進行分光的作用。DOE5的表面具有微型的浮雕結構，該微型浮雕結構在光子自由空間傳播的過程中扮演著路由的作用，衍射光學元件通過使用表面的微結構來實現(xiàn)光學函數(shù)，可以有效地控制衍射投影圖像、各級衍射的強度及衍射角。具體控制步驟為DOE5元件本身的結構所決定的，本發(fā)明實施例對上述的實施步驟不做贅述。

如圖2所示，通過DOE5將入射光束在如圖六個方向及中間一點上投影，得到一個零級衍射圖像和六個一級衍射圖像。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述設計提高了陣列探測器可探測到的有效信息量，降低了CTIS系統(tǒng)光路的成本。

本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。