[发明专利]基于反向双光路的光谱重建方法

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量和光谱成像技术领域，具体涉及一种基于反向双光路的光谱重建方法。

背景技术

成像光谱仪是一种能将连续光谱的目标光谱分割成多份狭窄谱段的分光仪器，通过对目标光谱的分析可以测量物品含有的元素。因此，成像光谱仪是对物质结构、成分处理进行分析的常用设备，广泛应用于冶金、地质、化工、医药和环境等领域。

目前，最常见的成像光谱仪是基于狭缝的光谱仪，其光谱分辨率与狭缝宽度直接相关。为了达到理想的高分辨率，其狭缝的缝宽要足够窄，而过窄的狭缝严重限制了进入系统的光源能量，无法获得理想的信噪比，有时甚至根本无法探测出信号，这就造成了光谱分辨率与系统通光量成了一对矛盾量，限制了其在弱光下的应用。

吴从均等在《光谱学与光谱分析[J]》.2013,33(8)发表的“基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计”一文中，通过分析现有Offner成像光谱仪，给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法，该方法虽然提高了分辨率，满足了大视场的要求，但仍然没有克服通过一个狭窄的狭缝实现在成像器件上直接获得光谱的不足，其应用范围有限。

申请号为201210085114.1中国专利申请公开了一种“光栅成像光谱仪”，该方案由于没有克服现有成像光谱仪中多为通过在前端放置较窄的狭缝实现在色散后直接获得光源光谱的不足，所以为了直接获得光源光谱，狭缝就必须较窄，造成后端能量较低，进而对探测器件探测能力要求较高，或者需要所测光源能量较强，无法在光线较弱的夜视、生物医学等场合使用。

如何克服上述现有技术的不足，已成为当今光谱测量和光谱成像技术领域亟待解决的关键难题之一。

发明内容

本发明针对现有基于狭缝的成像光谱仪在弱光下探测能力受限的关键问题，提出一种基于反向双光路的光谱重建方法，解决了传统狭缝光谱仪在光源能量较弱和光线较弱情况下难以获得具有高光谱分辨率目标场景光谱的问题。

解决上述技术问题的技术方案为：基于反向双光路获取正向色散后的目标光谱像和逆向色散后的目标光谱像，然后依据正向色散后的目标光谱像和逆向色散后的目标光谱像重建目标光谱，

所述反向双光路结构包括目标物镜（1）、狭缝（2）、准直镜（3）、分束镜（4）、第一色散元件（5）、第一汇聚镜头（6）、第一CCD相机（7）、第二色散元件（8）、第二汇聚镜头（9）和第二CCD相机（10）；

目标物镜（1）、狭缝（2）、准直镜（3）、分束镜（4）、第一色散元件（5）、第一汇聚镜头（6）、第一CCD相机（7）依次放置组成正向光路，目标物镜（1）和准直镜（3）的焦点均在狭缝（2）上且为同光轴，狭缝（2）的宽度方向与第一色散元件（5）的色散方向一致，狭缝（2）的缝宽小于准直镜（3）的有效聚焦宽度，分束镜（4）与准直镜（3）以及第一色散元件（5）的光轴夹角均为45°，第一汇聚镜头（6）的焦平面与第一色散元件（5）的表面垂直；

第二色散元件（8）、第二汇聚镜头（9）和第二CCD相机（10）依次放置并与标物镜（1）、狭缝（2）、准直镜（3）、分束镜（4）组成反向光路，第二色散元件（8）与分束镜（4）的光轴夹角为45°、而与第一色散元件（5）的光轴夹角为90°，第二汇聚镜头（9）的焦平面与第二色散元件（8）的表面垂直；

目标光谱经过目标物镜（1）汇聚到狭缝（2）上，通过狭缝（2）的光经过准直镜（3）后变成平行光并入射到分束镜（4）上，一部分光透过分束镜（4）后垂直入射到第一色散元件（5）上，经色散后的光被第一汇聚镜头（6）汇聚到第一CCD相机（7）上形成正向色散的目标光谱像；另一部分光经分束镜（4）反射后垂直入射到第二色散元件（8）上，经色散后的光被第二汇聚镜头（9）汇聚到第二CCD相机（10）上形成逆向色散的目标光谱像；

所述依据正向色散的目标光谱像和逆向色散的目标光谱像重建目标光谱的方法，是按行进行光谱重建，对目标光谱每一行依次进行光谱重建后即可获得目标场景完整的光谱，每一行的光谱重建的过程为：

步骤一：通过推帚扫描在所述反向双光路中实现狭缝的移动及叠加作用，狭缝宽度为m个像元，狭缝移动n次，在第一CCD相机（7）上获得n幅正向色散后的目标光谱像，在第二CCD相机（10）上获得n幅逆向色散后的目标光谱像；取每幅正向色散后的目标光谱像的第一行组成目标场景第一行像元的正向色散光谱数据矩阵L⁺，取每幅逆向色散后的目标光谱像的第一行组成目标场景第一行像元的逆向色散光谱数据矩阵L^-；