一種基于數(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器，包括：分光器，所述的分光器將進(jìn)入系統(tǒng)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(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)；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(gòu)器可預(yù)先利用標(biāo)準(zhǔn)光源和大型高精度譜儀對每個通道進(jìn)行高精度光譜定標(biāo)，然后結(jié)合實(shí)際測得的樣品光譜曲線重構(gòu)出突破系統(tǒng)自身光譜分辨極限的光譜數(shù)據(jù)，從而提升便攜式光譜系統(tǒng)的光譜分辨能力。
【專利說明】一種基于數(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光譜分析【技術(shù)領(lǐng)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(gòu)器。

【背景技術(shù)】
[0002]光譜分光技術(shù)在空間探測、軍事偵察、地球資源勘探、天氣預(yù)報、環(huán)境污染檢測、生物醫(yī)學(xué)和食品安全檢測等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(tǒng)的核心指標(biāo)。光譜技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)一些理論上可有效提高光譜分辨率的重構(gòu)算法，這些重構(gòu)算法主要是通過對每個探測元進(jìn)行分辨率更高的光譜響應(yīng)定標(biāo)進(jìn)而反演出突破系統(tǒng)自身分辨極限的光譜數(shù)據(jù)。在這個過程中光譜響應(yīng)定標(biāo)越準(zhǔn)確、越精細(xì)，反演出的光譜數(shù)據(jù)也越可靠。但在實(shí)際定標(biāo)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(xué)或電學(xué)信號的串?dāng)_，從而嚴(yán)重影響了光譜重構(gòu)算法在實(shí)際光譜技術(shù)中的運(yùn)用。
[0003]數(shù)字微反射鏡(DMD)是由德州儀器公司開發(fā)的MEMS空間光調(diào)制器，最初應(yīng)用在投影技術(shù)中，由于可對每個微鏡單元進(jìn)行自主控制，目前它也開始被應(yīng)用于數(shù)字光譜【技術(shù)領(lǐng)域】?；跀?shù)字微反射鏡的數(shù)字光譜技術(shù)有效結(jié)合了色散型光譜技術(shù)高機(jī)械穩(wěn)定性和干涉型光譜技術(shù)高通量高靈敏度的特點(diǎn)，但為滿足便攜式要求，其復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和相對來說較大尺寸的微鏡單元導(dǎo)致光譜分辨率比傳統(tǒng)的光譜技術(shù)分辨率要低，這一缺陷極大的限制了數(shù)字光譜技術(shù)的推廣和實(shí)際運(yùn)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于數(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器，用以解決現(xiàn)代數(shù)字變換光譜技術(shù)中光譜分辨率低和光譜響應(yīng)定標(biāo)不準(zhǔn)的問題。
[0005]所述的便攜式高光譜重構(gòu)器，包括:分光器1，所述的分光器I具有入射狹縫101、準(zhǔn)直鏡102、光柵103和聚焦鏡104，其中準(zhǔn)直鏡102將通過入射狹縫101的光束準(zhǔn)直為平行光束并入射到光柵103表面，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵分光后經(jīng)聚焦鏡104聚焦輸出；通道選擇器2，通道選擇器2由數(shù)字微反射鏡201構(gòu)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(zhǔn)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(zhǔn)直鏡301將不同通道的光斑的發(fā)散光束準(zhǔn)直為不同方向的平行光束并入射到光柵302表面，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵補(bǔ)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(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器光譜重構(gòu)過程由以下部件實(shí)現(xiàn):首先利用重構(gòu)器的分光器I將已知標(biāo)準(zhǔn)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(shù)為N)，然后掃描通道選擇器2讓每個通道上的光斑依次進(jìn)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(yīng)從而得到每一個通道的光譜響應(yīng)曲線，定標(biāo)時需要盡可能高的光譜分辨率以滿足定標(biāo)采樣點(diǎn)M >>N，此時可得到系統(tǒng)的二維光譜響應(yīng)矩陣T (NXM)。在實(shí)際的外場測試中，可在輸出口 305配備單點(diǎn)探測器測試每個通道的強(qiáng)度值從而得到測試樣本實(shí)際的光譜曲線(NX I)，然后將此光譜曲線和預(yù)先定標(biāo)好的光譜響應(yīng)矩陣T相關(guān)聯(lián)，通過非負(fù)矩陣滿秩分解算法重構(gòu)出光譜分辨率更高的光譜數(shù)據(jù)(MX I)。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)越性在于:可以通過對便攜式高光譜重構(gòu)器每個通道進(jìn)行預(yù)先高精度的光譜定標(biāo)重構(gòu)出突破系統(tǒng)自身光譜分辨極限的光譜數(shù)據(jù)，該重構(gòu)結(jié)果有望達(dá)到大型高精度譜儀的光譜分辨率；同時系統(tǒng)在掃描測試實(shí)際光譜信號時若采用多通道技術(shù)，可以極大的提高系統(tǒng)靈敏度，有利于其在食品、航天等微弱信號探測領(lǐng)域得到應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1示出了高光譜重構(gòu)器的方框圖；
[0009]圖2示出了高光譜重構(gòu)器一種具體實(shí)施方案的Zemax設(shè)計(jì)圖；
[0010]圖3A不出了在重構(gòu)器的一個實(shí)施方案中分光器的棱鏡分光系統(tǒng)替代實(shí)施方案的圖示，圖3B示出了在重構(gòu)器的一個實(shí)施方案中分光器的凹面光柵替代實(shí)施方案的圖示；
[0011]圖4示出了在重構(gòu)器的一個實(shí)施方案中光匯聚器的凹面光柵替代實(shí)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(biāo)曲線；
[0013]圖6示出了系統(tǒng)重構(gòu)出的532nm激光筆光譜數(shù)據(jù)相對于系統(tǒng)自身光譜分辨率的提聞。

【具體實(shí)施方式】
[0014]結(jié)合以下具體附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)理解，為了例示的簡便和清楚，在認(rèn)為適合時，各個附圖中附圖標(biāo)記可重復(fù)，以指示相應(yīng)的或類似的元件或步驟。此外，提出了一些具體細(xì)節(jié)，以提供對此處描述的實(shí)施方案的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，此處描述的實(shí)施方案可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。
[0015]參見圖1，其示出了光譜重構(gòu)器的一個圖示，該重構(gòu)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(shù)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(gòu)器由于可以自由控制某一特定通道的光進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，因此可以獨(dú)立、精確的對每一個通道進(jìn)行高精度光譜定標(biāo)，從而可結(jié)合實(shí)際測量的光譜重構(gòu)出突破自身系統(tǒng)分辨極限的光譜數(shù)據(jù)。
[0016]參見圖2，其示出了高光譜重構(gòu)器一種具體實(shí)施方案的Zemax設(shè)計(jì)圖；分光器I包括入射狹縫101、準(zhǔn)直鏡102、光柵103和聚焦鏡104部件，準(zhǔn)直鏡102將通過入射狹縫101的光束準(zhǔn)直為平行光并入射到光柵103表面，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵103分光后經(jīng)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(shù)字微反射鏡201構(gòu)成，通過自由選擇微鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)從而完成對特定通道的選擇，其中數(shù)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(zhuǎn)。光匯聚器3包括準(zhǔn)直鏡301、光柵302、聚焦鏡303、柱面透鏡304和出射口 305，其中準(zhǔn)直鏡301將不同通道的光斑準(zhǔn)直為不同方向的平行光束并入射到光柵302表面，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵補(bǔ)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(gòu)器具體實(shí)施方案的主要器件具體參數(shù)如下:
[0018]分光器的凹面反射準(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)為300g/mm,尺寸為25mm X 25mm ；
[0023]二維數(shù)字微反射鏡的微鏡單元尺寸為13.9um，單元數(shù)為1024*768，不同狀態(tài)偏轉(zhuǎn)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(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器可預(yù)先利用已知標(biāo)準(zhǔn)光源和大型高精度光譜儀對每個通道進(jìn)行高分辨率的光譜響應(yīng)定標(biāo)，從而得到系統(tǒng)的二維光譜響應(yīng)矩陣。在實(shí)際的外場測試中，每次測得的樣本實(shí)際光譜曲線都可和預(yù)先測量好光譜響應(yīng)矩陣相關(guān)聯(lián)，通過特定的數(shù)學(xué)算法如非負(fù)矩陣滿秩分解法重構(gòu)出突破系統(tǒng)自身分辨極限的光譜數(shù)據(jù)。
[0026]參見圖3A，其示出了分光器I的棱鏡分光系統(tǒng)替代實(shí)施方案。分光器I具有狹縫
111、準(zhǔn)直鏡112、棱鏡113和聚焦鏡114。準(zhǔn)直鏡112將經(jīng)過狹縫111的入射光準(zhǔn)直為平行光并入射到棱鏡113表面，經(jīng)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(shí)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(jīng)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(shí)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(fā)散光束補(bǔ)償光程差并結(jié)合柱透鏡312聚焦至出口 313。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)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(zhǔn)直鏡(102)、光柵(103)和聚焦鏡(104)，其中準(zhǔn)直鏡(102)將通過入射狹縫(101)的光束準(zhǔn)直為平行光束并入射到光柵(103)表面，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵分光后經(jīng)聚焦鏡(104)聚焦輸出； 所述的通道選擇器(2)由數(shù)字微反射鏡構(gòu)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(zhǔn)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(zhǔn)直鏡(301)將不同通道的光斑的發(fā)散光束準(zhǔn)直為不同方向的平行光束并入射到光柵表面(302)，準(zhǔn)直光束經(jīng)光柵補(bǔ)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(shù)字微反射鏡的便攜式高光譜重構(gòu)器光譜重構(gòu)過程由以下部件實(shí)現(xiàn):首先利用重構(gòu)器的分光器(I)將已知標(biāo)準(zhǔn)光源的入射光分光并聚焦到通道選擇器(2)的總數(shù)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(jìn)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(yīng)從而得到每一個通道的光譜響應(yīng)曲線，定標(biāo)時需要盡可能高的光譜分辨率以滿足定標(biāo)采樣點(diǎn)M >> N，此時可得到系統(tǒng)的NXM 二維光譜響應(yīng)矩陣T ;在實(shí)際的外場測試中，可在輸出口(305)配備單點(diǎn)探測器測試每個通道的強(qiáng)度值從而得到測試樣本實(shí)際的NXI光譜曲線，然后將此光譜曲線和預(yù)先定標(biāo)好的光譜響應(yīng)矩陣T相關(guān)聯(lián)，通過非負(fù)矩陣滿秩分解算法重構(gòu)出光譜分辨率更高的MX I光譜數(shù)據(jù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】袁小文, 陳飛良, 王玘, 孫聊新, 王少偉, 張波, 陸衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所