DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置

摘要

DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置属于红外光谱成像技术领域。现有技术不能满足全天候工作需求。本发明其特征在于，中波红外消色差变焦物镜组的后焦面与双光路Offner分合光系统的初始物面重合；所述双光路Offner分合光系统由凹球面反射镜和凸球面反射光栅组成，凹球面反射镜和凸球面反射光栅曲率中心相同，曲率半径之比为2:1；中波红外消色差变焦物镜组与中波红外DMD相对于凸球面反射光栅对称，中波红外DMD位于双光路Offner分合光系统的像面处；折转镜位于双光路Offner分合光系统二次成像光路上，制冷型中波红外探测器位于折转镜的反射光路中；制冷型中波红外探测器与图像采集卡连接，计算机分别与图像采集卡、中波红外DMD连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置，属于红外光谱成像技术领域。

背景技术

《光谱学与光谱分析》第33卷第7期记载着一项题为“基于DMD设计的Hadamard变换成像光谱系统”的方案。该成像光谱系统由前置镜1、准直镜2、反射光栅3、汇聚镜4、DMD5、汇聚镜6、反射光栅7、准直镜8、探测器9构成，如图1所示。前置镜1将目标景物成像在一次像面上，然后经过准直镜2整形为平行光入射到反射光栅3上，反射光栅3对入射光进行分光，分光(也就是色散)后的光谱信号通过汇聚镜4后投射到DMD5上，DMD5在预置程序的控制下变换编码模板对色散光谱信号进行编码，经过编码的色散光谱信号通过由汇聚镜6、反射光栅7、准直镜8组成的合光系统后，在位于合光系统焦平面的探测器9上再次成像，得到编码图像，该编码图像经Hadamard逆变换即可获得目标景物的光谱图像。

然而，所述基于DMD设计的Hadamard变换成像光谱系统的光学系统结构复杂、松散；用于分光、合光的光栅都是平面光栅，而平面光栅会引发光谱谱线弯曲和色畸变，造成光谱数据的复原误差，降低光谱成像装置的光谱分辨率；再有，该成像光谱系统的工作波段为可见光，不能满足全天候工作需求。

发明内容

为了获得一种结构简单、紧凑，光谱分辨率高，能够全天候工作的光谱成像装置，我们发明了一种DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置，以DMD为孔径编码器件，采取凝视式成像方式，是一种Hadamard变换型中波红外光谱成像装置。

本发明之DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置其特征在于，如图2所示，中波红外消色差变焦物镜组10的后焦面与双光路Offner分合光系统的初始物面重合；所述双光路Offner分合光系统由凹球面反射镜11和凸球面反射光栅12组成，凹球面反射镜11和凸球面反射光栅12曲率中心相同，曲率半径之比为2:1；中波红外消色差变焦物镜组10与中波红外DMD13相对于凸球面反射光栅12对称，中波红外DMD13位于双光路Offner分合光系统的像面处；折转镜14位于双光路Offner分合光系统二次成像光路上，制冷型中波红外探测器15位于折转镜14的反射光路中；制冷型中波红外探测器15与图像采集卡16连接，计算机17分别与图像采集卡16、中波红外DMD13连接；中波红外消色差变焦物镜组10将目标景物成像在双光路Offner分合光系统的初始物面上，并由凹球面反射镜11将目标景物的像反射到凸球面反射光栅12上，由凸球面反射光栅12将目标景物的像反射分光得到目标景物的光谱信号，再由凹球面反射镜11将目标景物的光谱信号反射到中波红外DMD13上，在计算机17控制下，由中波红外DMD13对待目标景物的光谱信号进行快速Hadamard编码调制，得到光谱维编码图像，再由凹球面反射镜11将所述光谱维编码图像反射到凸球面反射光栅12上，由凸球面反射光栅12将光谱维编码图像反射合光得到光谱和空间混合图像，并依次由凹球面反射镜11、折转镜14将所述光谱和空间混合图像反射成像在制冷型中波红外探测器15上，再由制冷型中波红外探测器15将光谱和空间混合图像转换为电信号，之后经由图像采集卡15将所述电信号传送给计算机17，由计算机17对所接收的电信号进行称重解码，复原得到目标景物图像的光谱特征，智能处理所有光谱数据，并实时成像。

本发明其技术效果在于，引入的双光路Offner分合光系统仅由两部分组成，但是，同时具有分光成像、合光成像功能，也就是先将由中波红外消色差变焦物镜组10所摄目标景物的像分光后成像在中波红外DMD13上，再将经编码调制的光谱维编码图像合光后成像在制冷型中波红外探测器15上，使得本发明之光谱成像装置结构变得十分简单和紧凑。目标景物的像的分光、光谱维编码图像的合光均由凸球面反射光栅12完成，相比于现有技术采用的平面光栅，不会引发光谱谱线弯曲和色畸变，从而避免因光谱数据的复原误差而降低光谱成像装置的光谱分辨率。本发明之光谱成像装置的工作波段为中波红外，因此，能够满足全天候工作需求。

同时，本发明之光谱成像装置仍以DMD为孔径编码器件，采取凝视式成像方式，是一种Hadamard变换型光谱成像装置，保留了现有基于DMD设计的Hadamard变换成像光谱系统所具有的优点。

附图说明

图1是现有基于DMD设计的Hadamard变换成像光谱系统结构示意图。图2是本发明之DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置结构示意图，该图同时作为摘要附图。

具体实施方式

本发明之DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置其具体方案如下所述。

如图2所示，中波红外消色差变焦物镜组10的后焦面与双光路Offner分合光系统的初始物面重合。在所述中波红外消色差变焦物镜组10中，自物方至像方依次为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，具有连续可变的视场，并且在视场变换的同时能够保持目标景物图像的连续性和清晰度，避免丢失快速运动的目标；中波红外消色差变焦物镜组10的工作波段为3～5μm，焦距为80～320mm，变倍比为4^×，视场角为2.2°～8.81°。所述双光路Offner分合光系统由凹球面反射镜11和凸球面反射光栅12组成，凹球面反射镜11和凸球面反射光栅12曲率中心相同，曲率半径之比为2:1。双光路Offner分合光系统的初始物面、像面位置由凹球面反射镜11与凸球面反射光栅12间距及曲率半径比决定；凹球面反射镜11镀有3～5μm高反射膜，如铝膜。中波红外消色差变焦物镜组10与中波红外DMD13相对于凸球面反射光栅12对称，中波红外DMD13位于双光路Offner分合光系统的像面处。中波红外DMD13中的窗口材料为单质硅，如单晶硅或者多晶硅，镀有3～5μm增透膜；中波红外DMD13中的微镜镜面镀有3～5μm高反射膜，如铝膜。折转镜14位于双光路Offner分合光系统二次成像光路上，制冷型中波红外探测器15位于折转镜14的反射光路中。折转镜14的反射镜面镀有3～5μm高反射膜，如铝膜。制冷型中波红外探测器15的图像分辨率为320×256。制冷型探测器能够有效除去红外成像热噪声。制冷型中波红外探测器15与图像采集卡16连接，计算机17分别与图像采集卡16、中波红外DMD13连接。本发明之DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置的实例参数包括：光谱分辨率：≤66.7nm；光谱通道数：31；作用距离：3km；空间分辨率：0.094～0.375mrad。

本发明之DMD光谱维编码双光路Offner分合光中波红外光谱成像装置其光谱成像过程如下所述。

如图2所示，中波红外消色差变焦物镜组10将目标景物成像在双光路Offner分合光系统的初始物面上，并由凹球面反射镜11将目标景物的像反射到凸球面反射光栅12上，由凸球面反射光栅12将目标景物的像反射分光得到目标景物的光谱信号，再由凹球面反射镜11将目标景物的光谱信号反射到中波红外DMD13上，在计算机17控制下，由中波红外DMD13对待目标景物的光谱信号进行快速Hadamard编码调制，得到光谱维编码图像，再由凹球面反射镜11将所述光谱维编码图像反射到凸球面反射光栅12上，由凸球面反射光栅12将光谱维编码图像反射合光得到光谱和空间混合图像，并依次由凹球面反射镜11、折转镜14将所述光谱和空间混合图像反射成像在制冷型中波红外探测器15上，再由制冷型中波红外探测器15将光谱和空间混合图像转换为电信号，之后经由图像采集卡15将所述电信号传送给计算机17，由计算机17对所接收的电信号进行称重解码，复原得到目标景物图像的光谱特征，智能处理所有光谱数据，并实时成像。