专利名称：阿达玛变换干涉光谱成像方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种干涉光谱成像方法及设备，具体涉及一种阿达玛变换干涉光谱成 像方法及按该方法设计的阿达玛变换干涉光谱成像仪。
背景技术：
阿达玛变换(Hadamard Transform)光谱技术是近四十年来发展起来的一种类寸以 于傅里叶变换(Fourier Transform)的新型光谱调制技术。阿达玛变换是基于平面 波函数的一种变换，具有高能量输入、多通道成像以及高信噪比的优点[M.O.Harwit， N.J. A. Slone. Hadamard Transform Optics. Academic:New York, 1980，牛寺另!J适 用于微弱光谱信号检测，阿达玛变换光谱成像技术是国际上前沿研究课题之一。
目前所有的阿达玛变换光谱成像技术都是以阿达玛编码模板代替常规色散型(采 用棱镜分光或光栅分光)光谱仪的入射狭缝或出射狭缝，或者同时代替二者，对各光 谱成分进行四则运算解码获得被探测目标的两维空间信息和一维光谱信息。
阿达玛变换光谱成像技术将阿达玛模板作为一个宽狭 待，视参与编码的各空 间码元为一个整体，但由于阿达玛模板具有一定的尺寸，且码元越多尺寸越宽，会产 生空间信息和光谱信息的错位与混叠；另外，由于阿达玛变换光谱成像仪采用的是色 散分光方法，阿达玛模板的宽度还同时制约着光谱分辨率和空间分辨率，阿达玛模板 越窄，光谱分辨率和空间分辨率越高，但阿达玛模板越窄进入到光谱仪中的光能量就 越少，光能量越少实现高光谱分辨率和高空间分辨率就越困难。
为了克服上述不利因素，对于尺寸较大的阿达玛模板，通常采取在模板与分光装 置之间放置柱面透镜组的做法，对模板与目标像进行压縮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， 增加了仪器的复杂度。柱面透镜组的作用仅是将尺寸较宽的阿达玛模板压縮成尺寸较 窄的阿达玛模板，由于色散型光谱仪的光谱分辨率和阿达玛模板的宽度是互相制约 的，尺寸较窄的阿达玛模板有利于提高仪器的光谱分辨率，但被压縮后的阿达玛模板总有一定宽度，故阿达玛变换光谱成像技术中空间信息和光谱信息的错位与混叠问题 始终无法避免，这种错位与混叠只能通过上述方法减轻但无法彻底消除。
发明内容
本发明的目的在于提出一种阿达玛变换干涉光谱成像方法及设备，其解决了背景 技术中空间分辨率和光谱分辨率同时受阿达玛模板尺寸限制，以及系统结构复杂的技 术问题。
本发明的技术解决方案是
一种阿达玛变换干涉光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤
(1 )前置光学成像系统1将目标成像于具有n个码元的阿达玛模板3表面上；
(2) 紧贴着阿达玛模板3设置一光阑2限制参与阿达玛变换编码的视场范围和过
滤杂散光；
(3) 经阿达玛模板3编码后的目标像进入横向剪切干涉仪4，阿达玛模板3在垂 直于光轴的方向上l皮横向剪切干涉仪4剪切成两个虚阿达玛卞莫板，与阿达玛模板3平
行并且宽度方向一致；
(4) 两个虚阿达玛模板经傅氏镜5和柱面镜6，在探测器7上产生干涉，干涉条
纹方向与剪切方向垂直，干涉光程差与剪切量和探测器的有效尺寸成正比，与傅氏镜 5的焦距成反比，阿达玛模板3位于傅氏镜5的前焦面，探测器7位于傅氏镜5和柱 面镜6的后焦面；
(5) 将探测器7输出的千涉图信号进行数字化后送入计算机处理系统8中；
(6) 阿达玛模板3变换一次编码，探测器7采集一次干涉图信号，阿达玛模板3 变换n次后，完成编码；
(7) n次采集得到的干涉图信号分别进行傅里叶变换，得到n幅目标经阿达玛模 板编码后的光谱图像，这些图像经快速阿达玛变换解码后最终得到目标的两维空间信 息和一维光谱信息，完成成像。
一种实现阿达玛变换干涉光谱成像方法的设备，包括沿光路设置的阿达玛模板 3，把目标成像于有n个码元的阿达玛模板3表面上的前置光学成像系统1,在阿达 玛模板3垂直于光轴的方向上将其剪切成两个虚阿达玛模板的横向剪切干涉仪4，探 测器7以及与探测器7连接的计算机系统8，其特殊之处在于还包括紧贴于阿达玛模板3设置的光阑2;设置于横向剪切干涉仪
4与探测器7之间的傅氏透镜5和柱面镜6，所述阿达玛模板3位于傅氏透镜5的前 焦面，所述探测器7位于傅氏透镜5和柱面镜6的后焦面。
上述阿达玛模板3的形式为移动式机械模板、液晶空间光调制器或数字微平面镜阵列。
上述两个虚阿达玛模板与阿达玛模板3平行并且宽度方向一致。 上述横向剪切干涉仪为Sagnac干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪或偏振双折射干涉仪。
上述探测器7为阿达玛变换干涉信号的接收器，包括线阵探测器和面阵探测器。
本发明的关键之处在于用静态空间调制型干涉光谱仪取代传统阿达玛变换光谱 成像仪中的色散型(采用棱镜分光或光栅分光)光谱仪。
静态空间调制型干涉光谱仪在形式上与色散型光谱仪相4以，色散型光谱仪是利用 色散元件(光栅或棱镜等)将阿达玛模板处的复色光色散分成序列谱线，然后用探测 器测量每谱线元的强度，空间调制型干涉光谱仪则是利用横向剪切干涉仪同时获得 阿达玛模板处复色光所有谱线元在不同光程差处的干涉强度,对干涉图进行傅里叶变 换得到目标的光谱图。
两者的本质不同在于，色散型光谱仪中阿达玛模板的宽度同时制约着光谱分辨率 和空间分辨率并且不可避免产生空间信息和光谱信息的错位与混叠，阿达玛模板越 窄，光谱分辨率和空间分辨率越高，但阿达玛模板越窄进入到光谱仪中的光能量越少， 光能量越少高光谱分辨率和高空间分辨率的实现就越困难，因此在色散型光谱仪中高 能量通过率、高光谱分辨率和高空间分辨率之间的矛盾不可调和；而在静态空间调制 型干涉光谱仪中干涉图的调制度不受阿达玛模板形状、大小等因素影响，这是静态空 间调制型干涉光谱技术本身的一大优点，这意味着光谱分辨率不再受到阿达玛模板宽 度的制约，阿达玛模板的宽度只与光谱仪的空间分辨率有关，而光谱分辨率则由探测 器的像元数来决定，而且阿达玛模板中所有码元的光程差始终保持一致，不会产生错 位与混叠。因此在保持较高光谱分辨率的条件下，阿达玛模板可以很宽或具有任意形 状，从而可以增大视场角(增加阿达玛模板高度)、提高辐射能量(增大阿达玛模板 面积)，具有潜在的高通量优点，高能量通过率、高光谱分辨率和高空间分辨率容易同时实现。
本发明彻底省却了传统阿达玛变换光谱成像技术中为了提高光谱分辨率额外增 加的柱面透镜组件，因而结构简单、体积小、重量轻。 总结起来本发明具有以下优点
1) 阿达玛模板中所有码元的光程差始终保持一致，故对目标的空间相干性无要 求，从根本上避免了空间信息和光谱信息的错位与混叠。
2) 干涉图的调帝渡不受阿达玛模板形状、大小等因素的影响，光谱分辨率与阿 达玛模板的尺寸无关，高空间分辨率和高光谱分辨率成像容易实现。
3) 由于光谱分辨率与阿达玛模板的尺寸无关，因而允许比较大的视场角(增加 HT模板高度)和任意形状、大小的阿达玛模板，使光通量大幅提高。
4) 阿达玛模板宽度仅与一维空间分辨率有关，与光谱分辨率无关，因此降低了
设计难度。
5) 彻底省却了传鄉3达玛变换光谱成像技术中的柱面透镜压縮环节，因而结构 简单、体积小、重量轻。
图l为本发明系统结构示意图。
附图标号说明l一前置光学成像系统，2—光阑，3—阿达玛模板，4一横向剪切 干涉仪，5—傅氏透镜，6—柱面镜，7—探测器，8—计算机处理系统。
具体实施例方式
参见图l，本发明的技术方法是
前置光学成像系统1将目标成像于具有n个码元的阿达玛模板表面上；
光阑2紧贴着阿达玛模板3放置，它的作用是限制参与阿达玛变换编码的视场范 围和防治杂散光；
阿达玛模板3位于傅氏透镜5的前焦面处，经阿达玛模板3编码后的目标像进入 横向剪切干涉仪4，阿达玛模板3在垂直于光轴的方向上被剪切成两个虚阿达玛模板， 它们与原阿达玛模板3平行并且宽度方向一致；
两个虚阿达玛模板经傅氏镜5和柱面镜6，在位于它们后焦面的探测器7上产生 干涉，干涉条纹方向与剪切方向垂直，干涉光程差与剪切量和探测器的有效尺寸成正比，与傅氏镜5的焦距成反比，光程差越大，光谱分辨率越高；
将探测器7输出的干涉图信号进行数字化后送入计算丰几处理系统8中； 阿达玛模板3变换一次编码，探测器7采集一次干涉图信号，阿达玛模板3变换
n次后，完成编码；
n次采集得到的干涉图信号分别进行傅里叶变换，得到n幅目标经阿达玛模板编 码后的光谱图像，这些图像经快速阿达玛变换解码后最终得到目标的两维空间信息和
一维光谱信息。
其中前置光学成像系统l可采用折射、折反射和反射等各种形式，将目标成像于 阿达玛模板表面上是前置光学成像系统l的主要目的。
其中阿达玛模板的作用是产生n (n=2'-l，m=2,3,"*)次阿达玛编码阵列，从而对 目标进行n次阿达玛变换编码，阿达玛模板可采用移动式机械模板、液晶空间光调制 器和数字微平面镜阵列等形式。
其中横向剪切干涉仪可采用Sagnac干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、偏振双折射干
涉仪等。无论横向剪切干涉仪的具体结构如何，它的主要作用是将阿达玛模板垂直于
光轴等光程的分开。
其中探测器7是阿达玛变换干涉信号的接收器，采用线阵探测器可以获得目标的 一维空间和一维光谱信息；采用面阵探测器可以获得目标的两维空间和一维光谱信息。
权利要求
1.一种阿达玛变换干涉光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤(1)前置光学成像系统1将目标成像于具有n个码元的阿达玛模板3表面上；(2)紧贴着阿达玛模板3设置光阑2限制参与阿达玛变换编码的视场范围和过滤杂散光；(3)经阿达玛模板3编码后的目标像进入横向剪切干涉仪4，阿达玛模板3在垂直于光轴的方向上被横向剪切干涉仪4剪切成两个虚阿达玛模板，与阿达玛模板3平行并且宽度方向一致；(4)两个虚阿达玛模板经傅氏镜5和柱面镜6，在探测器7上产生干涉，干涉条纹方向与剪切方向垂直，干涉光程差与剪切量和探测器的有效尺寸成正比，与傅氏镜5的焦距成反比，阿达玛模板3位于傅氏镜5的前焦面，探测器7位于傅氏镜5和柱面镜6的后焦面；(5)将探测器7输出的干涉图信号进行数字化后送入计算机处理系统8中；(6)阿达玛模板3变换一次编码，探测器7采集一次干涉图信号，阿达玛模板3变换n次后，完成编码；(7)n次采集得到的干涉图信号分别进行傅里叶变换，得到n幅目标经阿达玛模板编码后的光谱图像，这些图像经快速阿达玛变换解码后最终得到目标的两维空间信息和一维光谱信息，完成成像。
2. 种实现权利要求1成像方法的设备，包括沿光路设置的阿达玛模板3，把目标 成像于有n个码元的阿达玛模板3表面上的前置光学成像系统1，在阿达玛申莫板3垂 直于光轴的方向上将其剪切成两个虚阿达玛模板的横向剪切干涉仪4，探测器7以及 与探测器7连接的计算机系统8，其特征在于还包括紧贴于阿达玛模板3设置的光阑2;设置于横向剪切干涉仪4与 探测器7之间的傅氏透镜5和柱面镜6，所述阿达玛模板3位于傅氏透镜5的前焦面， 所述探测器7位于傅氏透镜5和柱面镜6的后焦面。
3. 根据权利要求2所述成像设备，其特征在于所述阿达玛模板3的形式为移动式 机械模板、液晶空间光调制器或数字微平面镜阵列。
4. 根据权利要求2所述成像设备，其特征在于所述两个虚阿达玛模板与阿达玛模板3平行并且宽度方向一致。
5. 根据权利要求2 4任-一所述成像设备，其特征在于所述横向剪切干涉仪为 Sagnac干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪或偏振双折射干涉仪。
6. 根据权利要求5所述成像设备，其特征在于所述探测器7为阿达玛变换干涉信 号的接收器，包括线阵探测器和面阵探测器。
全文摘要
一种阿达玛变换干涉光谱成像方法，该方法包括以下步骤(1)成像于阿达玛模板表面上；(2)限制参与阿达玛变换编码的视场范围和过滤杂散光；(3)在垂直于光轴的方向上剪切成两个虚阿达玛模板，与阿达玛模板平行并且宽度方向一致；(4)产生干涉，与剪切方向垂直，(5)将干涉图信号进行送入计算机处理系统中；(6)阿达玛模板变换n次后，完成编码；(7)进行傅里叶变换，得到n幅目标经阿达玛模板编码后的光谱图像，解码后最终得到目标的两维空间信息和一维光谱信息，完成成像。本发明不受阿达玛模板尺寸限制，形成系统结构简单。
文档编号G01J3/45GK101526400SQ200810210069
公开日2009年9月9日 申请日期2008年8月21日 优先权日2008年3月6日
发明者周锦松, 相里斌 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所