专利名称：基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阿达玛变换成像光谱仪，更具体的说，本发明涉及一种基于桥式光栅光调制器，可使用线阵探测器或单点探测器成像的阿达玛变换成像光谱仪。
背景技术：
成像光谱技术就是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术， 它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息。通常使用的成像光谱仪主要探测目标的两维空间与一维光谱信息，形成数据立方体。要想获得三维的数据，必须采用扫描技术或多通道探测技术。按穿轨成像方式分类，扫描型成像光谱仪又可分为光机扫描成像和推帚式成像。光机扫描成像通过扫描镜的机械运动使一个扫描行上各瞬时视场对应的目标辐射能量顺序通过光学系统进入探测器。推帚式成像对每条扫描行一次凝视成像。对于高光谱成像， 前者的探测器采用线列器件，后者采用面阵器件。在相同的工作条件下，凝视器件比光机扫描器件的积分时间长得多，从而推帚式成像的信噪比优势非常明显。由于面阵焦平面器件加工工艺和成本的影响，推帚式高光谱成像的发展应用受到制约。基于阿达玛变换的阿达玛变换变换成像光谱技术利用空间光调制器采用线阵探测器件就可以实现高光谱成像，并具有类似于傅里叶变换光谱技术的多通道探测优势。阿达玛变换(Hadamard Transform)是近三十年来发展起来的类似于傅里叶变换的一种新型光谱调制技术，具有高信噪比、检测器单元数少以及高光通量等优点，特别适用于微弱光谱测量。作为阿达玛变换成像光谱仪中的关键器件一阿达玛变换编码模板，大致可以分为以下几类机械移动和旋转式模版；液晶空间光调制器模版；MOEMS(微光机电系统)光调制器模版。机械移动和旋转式模版的优点是，码元对光的调制接近理想的开和关的状态，而且杂散光的水平较低。但是模版需要作间歇式的连续运动，导致运动部件容易产生机械疲劳、对准误差和不稳定，编码速度相对较低。液晶空间光调制器模版避免了机械可动部件产生的不良影响，但它的开关切换速度仍然较慢，码元对光的调制不能做到全开和全关，而且液晶的吸收光谱限制了其在可见光和近红外谱带的应用。使用新兴的微光机电系统MOEMS 技术制造的光调制器模版具有体积小、动态模板产生灵活、扫描速度快、便于集成等突出优点。它克服了机械式模版的振动和磨损容易引入误差的缺点，对光的调制速度、带宽和效率又明显优于液晶空间光调制器模版，是近年来的研究热点。Fateley等以德州仪器公司生产的DMD上10X10个相邻微镜为一个阿达玛单元，对化学试样在可见光区域内进行拉曼超光谱成像研究，该系统的信噪比和分辨率与相同规模的常规光谱仪相比有显著提高。但是，DMD的微镜之间的间隙使得该模版在光学调制效果上产生了衍射杂散光的干扰，不能够达到理想光调制效果。对比现有阿达玛变换成像光谱仪技术，各有其优缺点，能否有一种方案，即没有机械模版式光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，这成为我们发明基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪的初衷。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、价格便宜、性噪比高的阿达玛变换成像光谱仪，采用申请人前期研究的MOEMS桥式光栅光调制器(专利号ZL20081023^33. 5)作为光谱调制的核心器件，克服推帚式光谱成像仪焦平面器件成本高和无法做大面阵的缺点； 以桥式光栅光调制器为其光路选通元件，避免机械模版式光谱仪由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且能够避免DMD这种转镜反射式 MOEMS光谱仪的微镜间隙引起的光学干扰，实现高效率的光调制。本发明的技术方案如下
一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，包括接收光学系统、色散元件、 成像镜、桥式光栅光调制器阵列、会聚镜、探测器。所述色散元件设置于接收光学系统的出射光路上；成像镜、桥式光栅光调制器阵列依次设置于色散元件的出射光路上；会聚镜、探测器依次设置于桥式光栅光调制器阵列的出射光路上。目标物的辐射信息通过所述接收光学系统按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程桥式光栅光调制器阵列上，通过对桥式光栅光调制器阵列按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。接收光学系统通过折射或反射形式接收以推帚工作模式获得的目标的辐射信息， 并逐行准直到色散元件上。接收光学系统优选牛顿式、卡塞格林式或里奇一克莱琴式反射望远镜方式构成，以避免色像差的影响。本发明使用的桥式光栅光调制器(专利号ZL20081023^33. 5)是采用衍射原理，对入射光进行相位调制。由于它是采用MOEMS技术制造的微型器件，加之光栅设计的独特结构和衍射原理，当多个光栅光调制器单元构成面阵或线阵时，既没有机械模版式由于振动和磨损引入的误差，又在调制速度、带宽、效率上超过液晶模版式光谱仪，且在光栅衍射方向上没有DMD那样由于单元间隙造成的光学干扰。当桥式光栅光调制器阵列工作在阿达玛变换方式下时，只要对其阵列中的每个单元像素进行独立的电压驱动即可。阿达玛变换原理如式(1)所示
权利要求
1.一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于它由接收光学系统(1)、色散元件(2)、成像镜(3)、桥式光栅光调制器阵列(4)、会聚镜(5)、探测器(6)组成；所述色散元件(2)设置于接收光学系统(1)的出射光路上；成像镜(3)、桥式光栅光调制器阵列(4)依次设置于色散元件(2)的出射光路上；会聚镜(5)、探测器(6)依次设置于桥式光栅光调制器阵列(4)的出射光路上；目标物的辐射信息通过所述接收光学系统(1)按不同时间顺序逐行成像在色散元件(2 )上，经色散元件(2 )分光后再经过成像镜(3 )成像到桥式光栅光调制器阵列(4)上，通过对桥式光栅光调制器阵列(4)按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜(5)会聚到探测器(6)上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。
2.根据权利要求1所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于，所述对桥式光栅光调制器阵列(4)按照阿达玛编码模版编程驱动的方式是当桥式光栅光调制器阵列工作在阿达玛变换方式下时，只要对其阵列中的每个单元像素进行独立的电压驱动即可，阿达玛变换原理如式(1)所示
3.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于桥式光栅光调制器阵列(4)为线阵，阿达玛编码模版按一维模版方式编码，对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器(6 )为线阵探测器。
4.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于桥式光栅光调制器阵列(4)为面阵，阿达玛编码模版按二维模版方式编码，对目标物的光谱维信息进行压缩，对应探测器(6)为单点式探测器。
5.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于所述接收光学系统选用牛顿式、卡塞格林式或里奇一克莱琴式反射望远镜方式构成。
6.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于所述色散元件为反射式光栅、透射式光栅或棱镜。
7.根据权利要求1或2所述的基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，其特征在于所述成像镜和会聚镜为反射式或透射式镜子。
全文摘要
一种基于桥式光栅光调制器的阿达玛变换成像光谱仪，可使用线阵探测器或单点探测器。它包括接收光学系统、色散元件、成像镜、桥式光栅光调制器阵列、会聚镜、探测器。目标物的辐射信息通过所述接收光学系统按不同时间顺序逐行成像在色散元件上，经色散元件分光后再经过成像镜成像到可编程桥式光栅光调制器阵列上，通过对桥式光栅光调制器阵列按照阿达玛编码模版编程驱动，使不同波长的光按特定组合通过，并经过会聚镜会聚到探测器上，最后通过阿达玛反变换得到目标物的空间维信息和光谱维信息。该光谱仪具有体积小、重量轻、价格便宜、速度快、性噪比高的优点，可广泛用于航天航空遥感、工业、农业、生物医药、物质分析与分类、宇宙与天文探测、环境与灾害监测、大气探测以及军事目标的搜索与跟踪等领域。
文档编号G01J3/28GK102175323SQ20111003382
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月31日 优先权日2011年1月31日
发明者张晨旸, 张智海, 王伟, 莫祥霞, 郭媛君, 黄庆探 申请人:重庆大学