阅读说明：本技术 一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统 (Hyperspectral imaging system based on volume Bragg grating ) 是由 陈亮 张生秋 郭斐娜 徐瑞 张军杰 唐乔 黄帅 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统,包括载物台、卤钨灯、校准装置、第一驼峰体布拉格光栅、第二驼峰体布拉格光栅、成像透镜、电荷耦合器件、计算机；在载物台上安放待测物体,卤钨灯发出光线照射在待测物体上,光线漫反射后依次经过校准装置的校准、经过第一驼峰体布拉格光栅进行衍射、经过第二驼峰体布拉格光栅进行衍射与色散补偿、再经成像透镜达到电荷耦合器,最后经过电荷耦合器将待测物体的信息发送到计算机,经计算机处理得到待测物体的光谱信息和空间信息。本发明充分利用了厚驼峰体布拉格光栅的优越性能,不仅能够反映物体的成分和结构等内部品质,还能够清晰准确的反映物体的形状、颜色和表面缺陷等外部品质。(The invention discloses a hyperspectral imaging system based on volume Bragg gratings, which comprises an objective table, a halogen tungsten lamp, a calibration device, a first hump volume Bragg grating, a second hump volume Bragg grating, an imaging lens, a charge coupled device and a computer, wherein the objective table is provided with a plurality of optical fiber gratings; an object to be detected is placed on an objective table, a halogen tungsten lamp emits light to irradiate the object to be detected, the light is subjected to diffuse reflection, then is subjected to calibration by a calibration device, is subjected to diffraction by a first hump body Bragg grating, is subjected to diffraction and dispersion compensation by a second hump body Bragg grating, reaches a charge coupler through an imaging lens, and finally is sent to a computer through the charge coupler, and spectral information and spatial information of the object to be detected are obtained through computer processing. The invention fully utilizes the excellent performance of the thick hump body Bragg grating, not only can reflect the internal quality of components, structure and the like of an object, but also can clearly and accurately reflect the external quality of the shape, color, surface defect and the like of the object.)

一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统

技术领域

本发明涉及成像系统，具体涉及一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统。

背景技术

高光谱成像技术是光谱技术和成像技术的有机结合，在高光谱成像系统中的每个像元均能够获取同一个光谱区间内几十到几百个连续的窄波段信息，并得到一条平滑而完整的光谱曲线，同时整个光谱成像系统还能够获取被测物体的空间信息，实现对待测物体内部成分与外观特征的同时检测，形成包含目标光强、光谱和空间信息的数据立方体。

目前，基于声光可调滤波器和液晶可调滤波器的光谱成像技术都由于物理机理的限制，面临光谱透过率过低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统，包括载物台、卤钨灯、校准装置、第一驼峰体布拉格光栅、第二驼峰体布拉格光栅、成像透镜、电荷耦合器件、计算机；在载物台上安放待测物体，卤钨灯发出光线照射在待测物体上，光线漫反射后依次经过校准装置的校准、经过第一驼峰体布拉格光栅进行衍射、经过第二驼峰体布拉格光栅进行衍射与色散补偿、再经成像透镜达到电荷耦合器，最后经过电荷耦合器将待测物体的信息发送到计算机，经计算机处理得到待测物体的光谱信息和空间信息。

在本发明中通过第一驼峰体布拉格光栅和第二驼峰体布拉格光栅组成驼峰体布拉格光栅组，利用驼峰体布拉格光栅的波长选择特性来对经照明光源照射的待测物体的光场进行窄带滤波，从而实现高光谱成像。尤其是创造性的采取了两个驼峰体布拉格光栅以一定的角度放置，第二驼峰体布拉格光栅对第一驼峰体布拉格光栅具有色散补偿作用，第一驼峰体布拉格光栅与第二驼峰体布拉格光栅相互结合起到很好的高光谱成像效果。

本系统在基于严格耦合波理论的前提下，通过进行数值模拟，发现当选取驼峰体布拉格光栅的厚度不同时，会有不同的效果。因此对于驼峰体布拉格光栅的各项参数不做限定，需要根据实际使用的需要设计。

通过改变第一驼峰体布拉格光栅的角度来实现改变衍射光场中的频谱成分，就可以对目标光场的不同入射角度下的成像结果进行分析比较得出更加准确的待测物体的光谱信息和空间信息。

优选的：所述第一驼峰体布拉格光栅和所述第二驼峰体布拉格光栅结构相同。两驼峰体布拉格光栅结构相同，便于安装和调整。

驼峰体布拉格光栅的获得方式如下：

首先获得体布拉格衍射效率；根据耦合波理论，无损传输体布拉格光栅的角度选择性可以描述为：

其中n₁为折射率调制，d为光栅厚度，λ和θ分别为光栅内入射光束的波长和入射角，Δθ为光栅内布拉格角的角偏差量；

在体布拉格条件下，当Δθ＝0时，衍射效率可以简化为：

其中η₀是体布拉格光栅的中心衍射效率，θ₀＝arcsin(λ/2Λ)是布拉格角，Λ是体布拉格光栅的周期；

从公式(2)中可以得出结论，通过精确调整n₁、d的值，可以得到从0到100％区间的η₀；

根据体布拉格衍射效率的布拉格角和体布拉格光栅周期调整获得单峰体布拉格光栅；即当η₀＝100％时，就可以获得传统的单峰体布拉格光栅；

再通过调整单峰体布拉格光栅的衍射效率获得驼峰体布拉格光栅，即单峰体布拉格光栅在η₀＝0时变为驼峰体布拉格光栅。

优选的：所述第一驼峰体布拉格光栅是一种千倍厚度周期比的厚驼峰体布拉格光栅，驼峰体布拉格光栅的厚度在mm量级，周期在μm量级，折射率调制度在10^-4量级，矢量倾斜角为90°。

优选的：所述第一驼峰体布拉格光栅倾斜光线传播方向30°设置，第二驼峰体布拉格光栅垂直于光线传播方向放置。

本发明的技术效果是：

本发明基于体布拉格光栅的特点，采用一种具有特殊性能的厚驼峰体布拉格光栅进行高光谱的成像，充分利用了厚驼峰体布拉格光栅的优越性能，不仅能够反映物体的成分和结构等内部品质，还能够清晰准确的反映物体的形状、颜色和表面缺陷等外部品质。

采用本厚驼峰体布拉格光栅的成像技术具有光谱透过率高、光谱调节范围宽、光谱分辨率高、无需复杂温控和电控系统等优点，并且在极窄滤波带宽的光谱成像领域具有独特的优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统示意图；

图2为第一驼峰体布拉格光栅和第二驼峰体布拉格光栅的安装示意图；

在图1、图2中各标号为：载物台1、卤钨灯2、校准装置3、第一驼峰体布拉格光栅4、第二驼峰体布拉格光栅5、成像透镜6、电荷耦合器件7、计算机8；待测物体9，光线10。

图3为驼峰体布拉格光栅与普通体布拉格光栅的角选择性对比图；

图4为选用的驼峰体布拉格光栅的角选择性图；

图5为驼峰体布拉格光栅的不同厚度周期比时的波长选择性曲线图；

图6为沿光栅厚度方向不同位置处各级次衍射光相对强度图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统，包括载物台1、卤钨灯2、校准装置3、第一驼峰体布拉格光栅4、第二驼峰体布拉格光栅5、成像透镜6、电荷耦合器件7、计算机8；在载物台1上安放待测物体9，卤钨灯2发出光线照射在待测物9体上，光线10漫反射后依次经过校准装置3的校准、经过第一驼峰体布拉格光栅4进行衍射、经过第二驼峰体布拉格光栅5进行衍射与色散补偿、再经成像透镜6达到电荷耦合器7，最后经过电荷耦合器7将待测物体9的信息发送到计算机8，经计算机8处理得到待测物体9的光谱信息和空间信息。

如图2所示，第一驼峰体布拉格光栅倾斜光线传播方向30°设置，第二驼峰体布拉格光栅垂直于光线传播方向放置。

驼峰体布拉格光栅的获得方式如下：

首先获得体布拉格衍射效率；根据耦合波理论，无损传输体布拉格光栅的角度选择性可以描述为：

其中n₁为折射率调制，d为光栅厚度，λ和θ分别为光栅内入射光束的波长和入射角，Δθ为光栅内布拉格角的角偏差量；

在体布拉格条件下，当Δθ＝0时，衍射效率可以简化为：

其中η₀是体布拉格光栅的中心衍射效率，θ₀＝arcsin(λ/2Λ)是布拉格角，Λ是体布拉格光栅的周期；

从公式(2)中可以得出结论，通过精确调整n₁、d的值，可以得到从0到100％区间的η₀；

根据体布拉格衍射效率的布拉格角和体布拉格光栅周期调整获得单峰体布拉格光栅；即当η₀＝100％时，就可以获得传统的单峰体布拉格光栅；

再通过调整单峰体布拉格光栅的衍射效率获得驼峰体布拉格光栅，即单峰体布拉格光栅在η₀＝0时变为驼峰体布拉格光栅。

如图3所示，与传统的单峰体布拉格光栅相比，驼峰体布拉格光栅在布拉格条件下的衍射效率为零，而最大衍射则对称地位于布拉格条件的两侧，因此其具有特殊的角度选择性。

如图4所示，本系统中使用的驼峰体布拉格光栅的角选择性为偏离布拉格角度大小为-1.388mrad，衍射效率为82.758％，此时的驼峰体布拉格光栅具有良好的特性。

如图5所示，在平面波入射条件下，当驼峰体布拉格光栅具有千倍量级的厚度周期比时，波长选择宽度为数个nm量级，能够很好的实现高光谱成像，即滤波谱宽为波长的百分之一左右。此时，衍射光中仅包含较窄的一段频谱成分，剩余的频谱成分仍沿原方向透射。

本系统中使用的驼峰体布拉格光栅是一种千倍厚度周期比的厚驼峰体布拉格光栅，驼峰体布拉格光栅的厚度为2.5mm，周期为2.2μm，折射率调制度为0.00015，矢量倾斜角为90°。

如图6所示，对于特定的波长，通过优选光栅的参数，可以发现在出射面上+1级次的衍射光束的相对衍射效率η_r能够接近100％，而其他衍射级次被严格抑制。因此，在本系统中采用+1级次的衍射光束来实现高透过率的空间二维准单色成像。

本发明提供一种基于体布拉格光栅的高光谱成像系统，充分利用了驼峰体布拉格光栅尤其是厚驼峰体布拉格光栅具有的特殊角选择性和波长选择特性来实现高光谱成像，并通过厚驼峰体布拉格光栅组对待测物体的目标光场进行衍射与色散补偿，得出更加准确的待测物体的光谱信息和空间信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。