[发明专利]紧凑微型快照式光谱成像探测装置及探测方法

权利要求书

1.紧凑微型快照式光谱成像探测装置，其特征在于，包含沿入射光向依次设置的物镜(11)、视场光阑(12)、微透镜阵列(13)、线性渐变滤光片(14)和探测器(15)；视场光阑(12)置于物镜(11)的像面上，物镜(11)的像面和微透镜阵列(13)的物面重合，线性渐变滤光片(14)紧贴探测器(15)的感光面放置，探测器(15)的感光面位于微透镜阵列(13)的像面上，探测器(15)与数据采集处理显示系统(16)相连；

微透镜阵列(13)由若干分立的子透镜在二维平面内规则排列组成；线性渐变滤光片(14)的滤光性能是在二维平面内分布的，沿一维方向波长由小逐渐变大，称为光谱方向，沿另一维方向波长不变，称为波线方向；

微透镜阵列(13)中每一行子透镜中心的连线方向与线性渐变滤光片(14)的波线方向有夹角θ，0°<θ<180°；

微透镜阵列(13)后置微光学隔板(61)；微光学隔板(61)的通光口径数目与微透镜阵列(13)的子透镜数目一致，位置一致；

视场光阑(12)和微透镜阵列(13)之间放入准直镜(81)，准直镜(81)的前焦面与视场光阑(12)位置重合，探测器(15)的感光面移至微透镜阵列(13)的后焦面位置；

视场光阑(12)位置或左右邻近位置上放置场镜(71)；或者，视场光阑(12)位置或左右邻近位置上放置漫射体(51)。

2.权利要求1所述的紧凑微型快照式光谱成像探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：二维空间目标的光束透过物镜成中间像面于视场光阑(12)处，中间像面发出光束透过微透镜阵列(13)中各个子透镜分别进行会聚，透过线性渐变滤光片(14)聚焦于面阵探测器(15)的感光面上成像，数据采集处理显示系统(16)控制面阵探测器(15)快照一帧携带空间和光谱信息的图像阵列；

微透镜阵列(13)中行向子透镜中心的连线方向与线性渐变滤光片(14)的波线方向有夹角θ，行向子透镜所成的行向子图像相对于波线方向在列向平移，使得行向子图像中不同空间位置均经历了相同波线滤光；数据采集处理显示系统(16)提取经历相同波线滤光的二维空间信息，并进行数据重组，得目标在不同波线处的二维图像，称为二维高光谱图像；

假设微透镜阵列(13)中单个子透镜所成的子图像沿光谱方向覆盖线性渐变滤光片(14)的光谱宽度为Δλ，子图像沿光谱方向覆盖探测器(15)的感光像元数为M'，则探测装置理论上可分辨的单条波线的最小带宽为：

δλ'＝Δλ/M'； (1)

为使微透镜阵列(13)中单个子透镜所成的子图像覆盖的像元数最大化，即空间分辨率最高，微透镜阵列(13)中行向子透镜个数N满足如下关系：

N≤M'； (2)

相应地，探测装置实际上可分辨的单条波线的最小带宽应变为：

δλ＝Δλ/N； (3)

相应地，微透镜阵列(13)中行向子透镜中心的连线方向与线性渐变滤光片(14)的波线方向的夹角为：

θ＝arctan[Δy/(N×Δx)]， (4)

其中Δx为相邻子透镜所成的子图像沿波线方向的间隔，Δy为相邻子透镜所成的子图像沿光谱方向的间隔；如果微透镜阵列(13)中列向子透镜的个数为M，则装置可探测的总光谱范围为Δλ'＝[(M–1)×N+1]×δλ； (5)

相应地，重组成完整的光谱图像数目为：[(M–1)×N+1]，相邻光谱图像之间的波长差为：δλ。

3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，如果线性渐变滤光片(14)与探测器(15)的感光面不紧贴，两者相距δz，且0<δz<f,其中f是微透镜阵列(13)中单个子透镜(131)的焦距，则经子透镜(131)所会聚光束沿光谱方向覆盖线性渐变滤光片(14)的线宽度为δy，对应的光谱宽度为δλ_y，假设接收会聚光的探测器(15)感光面上沿线性渐变滤光片(14)光谱方向的像元宽度为p_y；如果存在关系：

δy≤p_y， (6)

则探测装置实际上可分辨的单条波线的最小带宽仍为δλ；如果存在关系：

δy>p_y， (7)

相应地，则探测装置理论上可分辨的单条波线的最小带宽变为：

δλ_y＝Δλ×δz/f， (8)

相应地，微透镜阵列(13)中行向子透镜个数N'变为：

N'＝N×δλ/δλ_y (9)。