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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明公开了一种基于DOE的CTIS系统光路，属于光谱分析仪器技术领域。本发明基于DOE的特性启发性地提出采用DOE代替传统二维衍射光栅进行CTIS系统光路设计。该系统光路包括：第一成像镜、视场光阑、准直镜、DOE、第二成像镜及阵列探测器。其中DOE的作用是对通过准直镜的平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上。相比于传统二维衍射光栅，DOE的特点在于其在一定范围的波段内都具有较高的衍射效率，并且具有较高的设计自由度，可以根据需要设计其衍射投影图像的形状及衍射角度。基于这些特点，DOE可以大大提高阵列探测器可探测到的有效信息量，对于后续的图像反演大有裨益。

主权项：一种基于DOE的CTIS系统光路，其特征在于，沿光路依次包括：第一成像镜、视场光阑、准直镜、DOE、第二成像镜及阵列探测器，目标物体通过第一成像镜成像于视场光阑处；光线在视场光阑处呈汇聚状态；通过视场光阑的光线呈发散状态到达准直镜，视场光阑处的物象经过准直镜准直形成平行光束到达DOE；目标物体与视场光阑成物象共轭关系；DOE对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上；经过分光的不同方向上的光束通过第二成像镜汇聚到阵列探测器上，阵列探测器得到目标数据立方体在不同方向上的衍射投影图像，这些衍射投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息；阵列探测器将光信号转换成电信号，记录衍射投影图像的光强信息；DOE通过相位变换有效地将光束转换成所需的衍射投影图像，并精确地控制各级衍射的强度及衍射角。

全文数据：一种基于DOE的GTIS系统光路技术领域[0001]本发明涉及光谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种基于DOEDiffractiveOpticalElements，衍射光学元件）的CTISComputedTomographyImageSpectrometers，计算层析成像光谱技术系统光路。背景技术[0002]高光谱成像技术是目前应用最为广泛的一种光谱成像技术。高光谱成像技术的波段数一般在10-1000之间，光谱分辨率在l〇nm左右，并且其多个光谱通道是连续的。该技术具有空间可识别性、光谱分辨率高和光谱范围广等众多优点，目前己在大气监测、食品安全检测、生物医学、军事国防等领域发挥了重要的作用。[0003]高光谱成像技术按其成像方式分为快照式和扫描式两大类。扫描式高光谱成像技术发展得较早，应用得也较为广泛，但其存在扫描时间长及存在运动部件等弊端，不能较好地应用于快速运动的物体及需要快速采集的场景中。为克服扫描式高光谱成像技术的一些局限性，快照式高光谱成像技术应运而生，其采用画幅式的方式能够在一个快门的时间内迅速获取目标的空间信息和光谱信息。快照式高光谱成像技术对采集迅速运动的物体信息及在需要快速采集信息的场景中具有较好的应用。[0004]CTIS就是实现快照式高光谱成像技术常用的一种方法。通过第一成像镜将目标成像于视场光阑处，再通过准直镜、分光元件及第二成像镜将视场光阑处的物象投影到探测器上，一次获取目标的空间信息和光谱信息。[0005]其中，CTIS系统能够一次获取目标空间信息和光谱信息的关键就在于分光元件的分光作用，分光元件将目标数据立方体按其波长的不同进行分光，经过分光的光束通过第二成像镜汇聚到探测器上，探测器上得到目标数据立方体在不同方向上的投影图像，这些投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息。分光元件的性能优劣将直接影响该系统成像质量的好坏及后续反演结果的成败。[0006]目前一般采用二维光栅作为CTIS系统光路中的分光元件，但是传统二维光栅在该系统中具有一些局限性：（1在一定范围波段内的衍射效率较低。传统二维光栅的衍射效率受到设计波长的限制，在设计波长处衍射效率能达到100%，但随着波长相对限制波长的偏离，衍射效率逐渐下降，影响光学系统的成像质量。（2传统二维光栅的衍射投影图像是固定的，不能根据需要而改变，这使得后续的图像重建只能基于该衍射模式进行反演，不利于算法的优化。[0007]为了提高CTIS系统的成像质量使得后续图像重建更加顺利，一些科研人员对传统二维光栅做了一些改进设计，使其在传输性能上更能满足CTIS系统的需求，但效果都不是十分理想。而一些高精度的光栅其造价又十分昂贵，会大大提高CTIS系统光路的成本。发明内容[0008]本发明提供了一种基于DOE的CTIS系统光路，本发明提高了阵列探测器可探测到的有效信息量，降低了CTIS系统光路的成本，详见下文描述：[0009]一种基于D0E的CTIS系统光路，沿光路依次包括:第一成像镜、视场光阑、准直镜、D0E、第二成像镜及阵列探测器，[0010]目标物体通过第一成像镜成像于视场光阑处;光线在视场光阑处呈汇聚状态•，通过视场光阑的光线呈发散状态到达准直镜，视场光阑处的物象经过准直镜准直形成平行光束到达D0E;目标物体与视场光阑成物象共轭关系；[0011]D0E对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上;经过分光的不同方向上的光束通过第二成像镜汇聚到阵列探测器上，阵列探测器上得到目标数据立方体在不同方向上的衍射投影图像，这些衍射投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息；[0012]阵列探测器将光信号转换成电信号，记录衍射投影图像的光强信息;D0E通过相位变换有效地将光束转换成所需的衍射投影图像，并精确地控制各级衍射的强度及衍射角。[0013]其中，所述衍射投影图像呈正六边形，中间为零级衍射，周围为一级衍射，各级衍射强度分布均匀，能量利用率高。[00M]相比于采用二维光栅作为分光元件的CTIS系统光路，本发明提供的一种基于D0E的CTIS系统光路具有以下的有益效果：[0015]1D0E可以在保留传统光栅其他良好成像特性的基础上，提高宽波段的衍射效率，即在一定范围的波段内都具有良好的衍射效率;高的衍射效率可以保证将微弱的光信号也传输到阵列探测器，增大阵列探测器探测到的有效信息量，而有效信息量越多越有利于后续的图像反演；[0016]2本发明具有更多的设计自由度，可以根据需要设计D〇E的衍射阵列形状、衍射角度及各级衍射强度，在已知衍射投影图像和衍射角的情况下研发人员可以更好地设计重构算法；[0017]3D0E是基于标准的微电子制作工艺设计制作的，具有价格低廉、体积小、重量轻、以及可复制等优点。附图说明[0018]图1为基于D0E的CTIS系统光路的结构示意图；[0019]图2为一种D0E衍射投影图像的示意图。[0020]其中，该衍射投影图像呈正六边形，中间为零级衍射，周围为一级衍射，各级衍射强度分布均匀，能量利用率高;并且D0E可以根据需要变换衍射投影图像的形状、衍射角及各级衍射的强度。[0021]附图中，各标号所代表的部件列表如下：[0022]1:目标物体；[0023]2:第一成像镜，为一汇聚透镜，其作用是将目标物体成像于视场光阑处；[0024]3:视场光阑，其作用是限制目标成像范围，目标物体通过第一成像镜2与视场光阑3成物象共轭关系，视场光阑3通过准直镜4、第二成像镜6，与阵列探测器7成物象共辄关系；[0025]4:准直镜，其作用是将通过视场光阑3的发散光束转换成平行光束；[0026]5:D0E，其作用是对通过准直镜4的平行光束进行分光处理，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上；[0027]6:第二成像镜，其作用是将不同方向上的光束汇聚到阵列探测器7上，得到目标物体1在不同方向上的衍射投影图像；[0028]7:阵列探测器，其作用是将光信号转换成电信号，记录投影的光强信息。具体实施方式[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。[0030]为了解决背景技术中存在的问题，在不破坏原系统光路结构的情况下本发明实施例创造性地提出采用D0E代替传统二维衍射光栅进行CTIS系统光路的设计。[0031]D0E是基于光的衍射原理发展起来的一种新型衍射光学元件，其结构为一种多台阶相位透镜，它是基于成熟的微电子制作工艺设计制造的，具有更多的设计自由度和材料选择性，价格低廉，具有许多卓越的、传统光学元件难以具备的功能。[0032]本发明实施例提供一种传输效率更高的CTIS系统光路，即一种基于D0E的CITS系统光路。其中D0E的作用是对通过准直镜的平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上，以便在阵列探测器上得到目标数据立方体在不同方向上的投影。D0E的特点在于可以有效地控制衍射投影图像及各级衍射强度，具有较高的衍射效率，减少光束的能量损失，尤其有利于后续的CTIS图像重构过程。[0033]采用D0E作为分光元件可以有效地通过相位调制的方法改变衍射投影图像及各级衍射强度，并且D0E在一定范围波段内的衍射效率都很高，相比于传统二维线性光栅，D0E可作为CTIS系统中一种更为理想的分光元件。[0034]实施例1[0035]一种基于D0E的CTIS系统光路，参见图1，沿光路依次包括:第一成像镜2、视场光阑3、准直镜4、D0E5、第二成像镜6及阵列探测器7。[0036]目标物体1通过第一成像镜2成像于视场光阑3处;视场光阑3处的物象经过准直镜4准直形成平行光束到达D0E5;[0037]D0E5对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上;经过分光的光束通过第二成像镜6汇聚到阵列探测器7上，阵列探测器7上得到目标数据立方体在不同方向上的投影图像，这些投影图像包含了目标的空间信息和光谱信息。[0038]其中，在搭建光路之前，根据CTIS图像重建的需要对D0E5进行优化设计，使其有效地将入射光束转换成所需的投影图像。[0039]综上所述，本发明实施例通过上述设计提高了阵列探测器可探测到的有效信息量，降低了CTIS系统光路的成本。[0040]实施例2[0041]下面结合图1和图2对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：[0042]基于D0E5具有衍射效率高、可以精确控制各级衍射强度比、可改变衍射投影图像等特点，本发明实施例设计了一种具有高传输效率的CTIS系统光路。[0043]目标物体1与视场光阑3成物象共轭关系，第一成像镜2将目标物体1成像于视场光阑3处，光线在视场光阑3处呈汇聚状态;通过视场光阑3的光线呈发散状态到达准直镜4,准直镜4将发散光束准直，形成平行光束。[0044]通过准直镜4的平行光束到达D0E5，D0E5对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按照光学衍射规律分散到不同的方向上;不同方向上的光束通过第二成像镜6汇聚到阵列探测器7上，形成目标物体1在不同方向上的衍射投影图像;阵列探测器7将光信号转换成电信号，记录投影图像的光强信息。[0045]—其中，该D0E5在该实施方案中起到对平行光束进行分光的作用。D〇E5的表面具有微型的浮雕结构，该微型浮雕结构在光子自由空间传播的过程中扮演着路由的作用，衍射光学元件通过使用表面的微结构来实现光学函数，可以有效地控制衍射投影图像、各级衍射的强度及衍射角。具体控制步骤为D0E5元件本身的结构所决定的，本发明实施例对上述的实施步骤不做赘述。[0046]如图2所示，通过D0E5将入射光束在如图六个方向及中间一点上投影，得到一个零级衍射图像和六个一级衍射图像。[0047]综上所述，本发明实施例通过上述设计提高了阵列探测器可探测到的有效信息量，降低了CTIS系统光路的成本。[0048]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。[0049]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。[0050]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于DOE的CTIS系统光路，其特征在于，沿光路依次包括:第一成像镜、视场光阑、准直镜、D0E、第二成像镜及阵列探测器，目标物体通过第一成像镜成像于视场光阑处;光线在视场光阑处呈汇聚状态;通过视场光阑的光线呈发散状态到达准直镜，视场光阑处的物象经过准直镜准直形成平行光束到达DOE;目标物体与视场光阑成物象共轭关系；DOE对平行光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上;经过分光的不同方向上的光束通过第二成像镜汇聚到阵列探测器上，阵列探测器得到目标数据立方体在不同方向上的衍射投影图像，这些衍射投影图像包含了目标的空间信息和光谱伯息；阵列探测器将光信号转换成电信号，记录衍射投影图像的光强信息;D0E通过相位变换有效地将光束转换成所需的衍射投影图像，并精确地控制各级衍射的强度及衍射角。2.根据权利要求1所述的一种基于DOE的CTIS系统光路，其特征在于，所述衍射投影图像呈正六边形，中间为零级衍射，周围为一级衍射，各级衍射强度分布均匀，能量利用率高。

百度查询： 天津大学 一种基于DOE的CTIS系统光路