一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器，包括：分光器，所述的分光器將進入系統的光按不同波長分光并輸出；通道選擇器，所述的通道選擇器不同空間通道控制著不同波長匯聚光斑的傳輸，并可自由選擇哪些通道的光斑能夠進入后續系統；光匯聚器，所述的光匯聚器將不同通道的光斑匯聚成一個極小的光斑并輸出。該重構器可預先利用標準光源和大型高精度譜儀對每個通道進行高精度光譜定標，然后結合實際測得的樣品光譜曲線重構出突破系統自身光譜分辨極限的光譜數據，從而提升便攜式光譜系統的光譜分辨能力。
【專利說明】一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器
【技術領域】
[0001]本發明屬于光譜分析【技術領域】，尤其涉及到一種可以有效的提高光譜分辨率的便攜式高光譜重構器。
【背景技術】
[0002]光譜分光技術在空間探測、軍事偵察、地球資源勘探、天氣預報、環境污染檢測、生物醫學和食品安全檢測等各個領域有著廣泛的應用。無論是在軍事還是民生方面，光譜分辨率都是光譜儀系統的核心指標。光譜技術發展至今已經出現一些理論上可有效提高光譜分辨率的重構算法，這些重構算法主要是通過對每個探測元進行分辨率更高的光譜響應定標進而反演出突破系統自身分辨極限的光譜數據。在這個過程中光譜響應定標越準確、越精細，反演出的光譜數據也越可靠。但在實際定標過程中每個探測元，如CCD單個像元，不可避免的會受到相鄰單元光學或電學信號的串擾，從而嚴重影響了光譜重構算法在實際光譜技術中的運用。
[0003]數字微反射鏡(DMD)是由德州儀器公司開發的MEMS空間光調制器，最初應用在投影技術中，由于可對每個微鏡單元進行自主控制，目前它也開始被應用于數字光譜【技術領域】。基于數字微反射鏡的數字光譜技術有效結合了色散型光譜技術高機械穩定性和干涉型光譜技術高通量高靈敏度的特點，但為滿足便攜式要求，其復雜的光學系統和相對來說較大尺寸的微鏡單元導致光譜分辨率比傳統的光譜技術分辨率要低，這一缺陷極大的限制了數字光譜技術的推廣和實際運用。
【發明內容】
[0004]本發明提出一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器，用以解決現代數字變換光譜技術中光譜分辨率低和光譜響應定標不準的問題。
[0005]所述的便攜式高光譜重構器，包括:分光器1，所述的分光器I具有入射狹縫101、準直鏡102、光柵103和聚焦鏡104，其中準直鏡102將通過入射狹縫101的光束準直為平行光束并入射到光柵103表面，準直光束經光柵分光后經聚焦鏡104聚焦輸出；通道選擇器2，通道選擇器2由數字微反射鏡201構成，不同微鏡單元可自由控制不同波長匯聚光斑的傳輸；光匯聚器3，所述的光匯聚器3具有準直鏡301、光柵302、聚焦鏡303、柱面鏡304和出射口 305，其中所述的準直鏡301將不同通道的光斑的發散光束準直為不同方向的平行光束并入射到光柵302表面，準直光束經光柵補償光程差后由聚焦鏡303和柱面鏡304匯聚成一個極小的光斑并從出射口 305輸出。
[0006]所述的基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器光譜重構過程由以下部件實現:首先利用重構器的分光器I將已知標準光源的入射光分光并聚焦到通道選擇器2的不同通道處(總數為N)，然后掃描通道選擇器2讓每個通道上的光斑依次進入光匯聚器3并輸出，在掃描每個通道的同時利用大型高精密光譜儀在輸出口 305處測試光譜響應從而得到每一個通道的光譜響應曲線，定標時需要盡可能高的光譜分辨率以滿足定標采樣點M >>N，此時可得到系統的二維光譜響應矩陣T (NXM)。在實際的外場測試中，可在輸出口 305配備單點探測器測試每個通道的強度值從而得到測試樣本實際的光譜曲線(NX I)，然后將此光譜曲線和預先定標好的光譜響應矩陣T相關聯，通過非負矩陣滿秩分解算法重構出光譜分辨率更高的光譜數據(MX I)。
[0007]本發明的優越性在于:可以通過對便攜式高光譜重構器每個通道進行預先高精度的光譜定標重構出突破系統自身光譜分辨極限的光譜數據，該重構結果有望達到大型高精度譜儀的光譜分辨率；同時系統在掃描測試實際光譜信號時若采用多通道技術，可以極大的提高系統靈敏度，有利于其在食品、航天等微弱信號探測領域得到應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1示出了高光譜重構器的方框圖；
[0009]圖2示出了高光譜重構器一種具體實施方案的Zemax設計圖；
[0010]圖3A不出了在重構器的一個實施方案中分光器的棱鏡分光系統替代實施方案的圖示，圖3B示出了在重構器的一個實施方案中分光器的凹面光柵替代實施方案的圖示；
[0011]圖4示出了在重構器的一個實施方案中光匯聚器的凹面光柵替代實施方案的圖示；
[0012]圖5示出了通道選擇器打開某一通道的光譜定標曲線；
[0013]圖6示出了系統重構出的532nm激光筆光譜數據相對于系統自身光譜分辨率的提聞。
【具體實施方式】
[0014]結合以下具體附圖和實施例，對本發明作進一步的詳細說明。應理解，為了例示的簡便和清楚，在認為適合時，各個附圖中附圖標記可重復，以指示相應的或類似的元件或步驟。此外，提出了一些具體細節，以提供對此處描述的實施方案的徹底理解。然而，本領域的技術人員會理解，此處描述的實施方案可在沒有這些具體細節的情況下實施。
[0015]參見圖1，其示出了光譜重構器的一個圖示，該重構器包括分光器1、通道選擇器2和光匯聚器3。分光器I接收輸入光斑并按波長展開形成輸出光斑；該輸出光斑不同波長部分位于通道選擇器即數字微反射鏡2的不同通道，通過自由選擇一個或多個通道來選擇特定波長的光斑；最后將這些不同通道的光斑通過光匯聚器3匯聚并輸出。該光譜重構器由于可以自由控制某一特定通道的光進入后續系統，因此可以獨立、精確的對每一個通道進行高精度光譜定標，從而可結合實際測量的光譜重構出突破自身系統分辨極限的光譜數據。
[0016]參見圖2，其示出了高光譜重構器一種具體實施方案的Zemax設計圖；分光器I包括入射狹縫101、準直鏡102、光柵103和聚焦鏡104部件，準直鏡102將通過入射狹縫101的光束準直為平行光并入射到光柵103表面，準直光束經光柵103分光后經聚焦鏡104將不同波長的光束展開并聚焦。通道選擇器2由數字微反射鏡201構成，通過自由選擇微鏡翻轉狀態從而完成對特定通道的選擇，其中數字微反射鏡以45度角放置以保證光束通過通道選擇器后光軸在豎直方向不被偏轉。光匯聚器3包括準直鏡301、光柵302、聚焦鏡303、柱面透鏡304和出射口 305，其中準直鏡301將不同通道的光斑準直為不同方向的平行光束并入射到光柵302表面，準直光束經光柵補償光程差后由聚焦鏡303和柱面鏡304匯聚至出射口 305。
[0017]圖2所出的高光譜重構器具體實施方案的主要器件具體參數如下:
[0018]分光器的凹面反射準直鏡焦距為150mm，口徑D為25mm ；
[0019]分光器的凹面反射聚焦鏡焦距為150mm, 口徑為25mmX35mm ；
[0020]光匯聚器的凹面反射準直鏡焦距為150mm，口徑為25mmX35mm ；
[0021]光匯聚器的凹面反射聚焦鏡焦距為150mm，口徑D為25mm ;
[0022]反射光柵的光柵常數為300g/mm,尺寸為25mm X 25mm ；
[0023]二維數字微反射鏡的微鏡單元尺寸為13.9um，單元數為1024*768，不同狀態偏轉角為±12° ;
[0024]柱面透鏡尺寸為16mmX 25mm,焦距為25.4mm ；
[0025]所述的基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器可預先利用已知標準光源和大型高精度光譜儀對每個通道進行高分辨率的光譜響應定標，從而得到系統的二維光譜響應矩陣。在實際的外場測試中，每次測得的樣本實際光譜曲線都可和預先測量好光譜響應矩陣相關聯，通過特定的數學算法如非負矩陣滿秩分解法重構出突破系統自身分辨極限的光譜數據。
[0026]參見圖3A，其示出了分光器I的棱鏡分光系統替代實施方案。分光器I具有狹縫
111、準直鏡112、棱鏡113和聚焦鏡114。準直鏡112將經過狹縫111的入射光準直為平行光并入射到棱鏡113表面，經棱鏡113分光后聚焦鏡114將不同波長的光聚焦在通道選擇器2的不同通道上。
[0027]參見圖3B，其示出了分光器I的凹面光柵替代實施方案。分光器I具有狹縫121和凹面光柵122。凹面光柵122直接將經過狹縫121的入射光分光并將不同波長的光聚焦在通道選擇器2的不同通道上。
[0028]參見圖4，其示出了光匯聚器3的凹面光柵替代實施方案。光匯聚器3具有凹面光柵311，柱透鏡312和出口 313。凹面光柵311對來自不同通道光斑的發散光束補償光程差并結合柱透鏡312聚焦至出口 313。
【權利要求】
1.一種基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器，它包括分光器(I)、通道選擇器(2)和光匯聚器(3)，其特征在于: 所述的分光器(I)具有入射狹縫(101)、準直鏡(102)、光柵(103)和聚焦鏡(104)，其中準直鏡(102)將通過入射狹縫(101)的光束準直為平行光束并入射到光柵(103)表面，準直光束經光柵分光后經聚焦鏡(104)聚焦輸出； 所述的通道選擇器(2)由數字微反射鏡構成(201)，不同微鏡單元可自由控制不同波長匯聚光斑的傳輸； 所述的光匯聚器(3)具有準直鏡(301)、光柵(302)、聚焦鏡(303)、柱面鏡(304)和出射口(305)，其中所述的準直鏡(301)將不同通道的光斑的發散光束準直為不同方向的平行光束并入射到光柵表面(302)，準直光束經光柵補償光程差后由聚焦鏡(303)和柱面鏡(304)匯聚成一個極小的光斑通過出射口(305)輸出； 所述的基于數字微反射鏡的便攜式高光譜重構器光譜重構過程由以下部件實現:首先利用重構器的分光器(I)將已知標準光源的入射光分光并聚焦到通道選擇器(2)的總數為N的不同通道處，然后掃描通道選擇器(2)讓每個通道上的光斑依次進入光匯聚器并輸出(3)，在掃描每個通道的同時利用大型高精密光譜儀在輸出口(305)處測試光譜響應從而得到每一個通道的光譜響應曲線，定標時需要盡可能高的光譜分辨率以滿足定標采樣點M >> N，此時可得到系統的NXM 二維光譜響應矩陣T ;在實際的外場測試中，可在輸出口(305)配備單點探測器測試每個通道的強度值從而得到測試樣本實際的NXI光譜曲線，然后將此光譜曲線和預先定標好的光譜響應矩陣T相關聯，通過非負矩陣滿秩分解算法重構出光譜分辨率更高的MX I光譜數據。
【文檔編號】G01J3/28GK104359555SQ201410546472
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】袁小文, 陳飛良, 王玘, 孫聊新, 王少偉, 張波, 陸衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所