CN108801459A - 一种光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光谱成像系统，该系统包括：前置成像装置、光栅色散光谱成像装置、反相滤光装置、光栅逆色散成像装置和光探测装置；前置成像装置对目标物的成像并将光线出射至光栅色散光谱成像装置；光栅色散光谱成像装置对光线处理后反射成像至反相滤光装置；反相滤装置该光线采取无滤光处理及传像后的光线发射至光栅逆色散成像装置；以及对该光线滤除目标待测光线及传像后的光线发射至光栅逆色散成像装置；光栅逆色散成像装置还用于分别对滤光处理后和无滤光处理的光线进行处理后出射至光探测装置；光探测装置，得到目标待测光线的光谱数据。本申请实施例能够在目标能量较弱的情况下得到高分辨率、高灵敏度的目标光谱信号。

Description

一种光谱成像系统

技术领域

本申请涉及光电技术领域，具体而言，涉及一种光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术获取的光谱数据立方体，包含目标的一维光谱信息和二维空间信息。在光谱颜色复制、光谱防伪鉴别、医疗、光学遥感和环境监测等领域，正在得到越来越广泛的应用。

光栅色散光谱仪除具有杂散光少、波长范围宽、加工成本低和可靠性高等优点外，可有效克服棱镜色散光谱仪的工作波段范围受棱镜材料的限制，棱镜材料对光线能量具有吸收等缺点，具有较高的应用价值。

传统的光栅色散光谱仪由望远系统、狭缝、准直物镜、光栅、成像物镜和CCD阵列探测器组成，由于对狭缝的像进行色散分光，在CCD阵列探测器不同位置接收不同波长的图像，当目标物能量较弱的情况下，对应的目标物的像也较弱，经过色散分光后，有些光束的能量及其微弱，导致探测器难以对这些能量极其微弱的光斑进行检测。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种光谱成像系统，以用于解决现有技术中存在的在目标能量较弱的情况下难以获得高分辨率、高灵敏度的目标光谱信号的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种光谱成像系统，包括：前置成像装置、光栅色散光谱成像装置、反相滤光装置、光栅逆色散成像装置和光探测装置；

所述前置成像装置，用于对目标物成像得到第一目标物像，并将成像后所述第一目标物像的第一光线折返至所述光栅色散光谱成像装置；

所述光栅色散光谱成像装置，用于将所述第一光线经反射处理后按照波长进行色散并反射得到第一反射光，将所述第一反射光反射成像至所述反相滤光装置，得到第一色散像；

所述反相滤光装置，用于对所述第一色散像进行无滤光处理后形成的第二光线出射至所述光栅逆色散成像装置，用于对所述第一色散像滤除目标待测光线后形成的第三光线出射至所述光栅逆色散成像装置，所述目标待测光线为所述第一色散像中一个设定波长区间对应的光线；

所述光栅逆色散成像装置，用于对所述第二光线反射处理后逆色散合光并反射得到第二反射光，将所述第二反射光反射成像至所述光探测装置得到第二目标物像，用于对所述第三光线反射处理后逆色散合光反射得到第三反射光，将所述第三反射光反射成像至所述光探测装置得到第三目标物像；

所述光探测装置，用于基于所述第二目标物像得到第一光谱数据，基于所述第三目标物像得到第二光谱数据，以及基于所述第一光谱数据和所述第二光谱数据得到所述目标待测光线对应的光谱数据。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述前置成像装置包括成像物镜、入射狭缝和平面折转镜，所述入射狭缝，设置于所述成像物镜的像面上；

所述成像物镜，用于将所述目标物成像于所述入射狭缝上，形成所述第一目标物像；

所述平面折转镜，用于将所述第一目标物像发出的所述第一光线折返至所述光栅色散成像装置。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述光栅色散光谱成像装置包括第一主球面反射镜、第一次球面反射镜和第一凸球面光栅，所述第一主球面反射镜、第一次球面反射镜和第一凸球面光栅为同心设置；

所述第一主球面反射镜，用于将所述前置成像装置中发出的第一光线反射至所述第一凸球面光栅上；

所述第一凸球面光栅，用于将所述第一光线按照不同波长进行色散，并将色散后的光线反射后得到所述第一反射光，将所述第一反射光出射至所述第一次球面反射镜上；

所述第一次球面反射镜，用于将所述第一反射光反射并成像至所述反相滤光装置上得到所述第一色散像。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述反相滤光装置包括反相滤光器件，所述反相滤光器件设置于所述光栅色散光谱成像装置形成的所述第一色散像的像面上。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述反相滤光器件为逐行控制光线透过的液晶空间光调制器或DMD数字微镜，其限制光线透过的行像元方向与前置成像装置中入射狭缝的长度方向一致，与所述第一色散像中的色散方向垂直；或者，

所述反相滤光器件为位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像装置中入射狭缝的色散方向运动，所述细丝的长度方向与入射狭缝的长度方向一致，与所述第一色散像中的色散方向垂直。

结合第一方面，本身实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述光栅逆色散成像装置包括第二主球面反射镜、第二次球面反射镜和第二凸球面光栅，所述第二主球面反射镜、第二次球面反射镜和第二凸球面光栅为同心设置；

所述第二次球面反射镜，用于将无滤光的所述第二光线和第三光线反射至所述第二凸球面光栅上；

所述第二凸球面光栅，用于将所述第二光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到所述第二反射光，将所述第二反射光出射至所述第二主球面反射镜上，用于将所述第三光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到所述第三反射光，将所述第三反射光出射至所述第二主球面反射镜上；

所述第二主球面反射镜，用于将所述第二反射光反射成像至所述光探测装置得到第二目标物像，用于将所述第三反射光反射成像至所述光探测装置得到第三目标物像。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置空间对称设置，所述光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置的共有球心所在平面与所述入射狭缝所在平面重合；

所述反相滤光装置设置于所述光栅逆色散成像装置的物面上；

所述光栅逆色散成像装置的像面与所述入射狭缝在所述平面折转镜中成像后的像面重合。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述光探测装置包括光探测器和数据处理器；

所述光探测器，用于将所述第二目标物像的光信号转换为对应的第一电信号，并将所述第一电信号发送至所述数据处理器，用于将所述第三目标物像的光信号转换对应的第二电信号，并将所述第二电信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于基于所述第一电信号得到所述第一光谱数据，基于所述第二电信号得到所述第二光谱数据，以及对所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作差后得到所述目标待测光线对应的光谱数据。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，所述光探测器为线阵探测器，其位于所述光栅逆色散成像装置的像面上。

与现有技术中相比，本申请实施例提供的光谱成像系统，通过反相滤光装置和光栅逆色散成像装置，分别使得光探测装置获得到目标物的光谱数据以及得到滤除目标待测光线后的目标物的光谱数据，这样，通过将这两个光谱数据作差就可以精确得到目标待测光线的光谱数据，当目标待测光线很弱时，通过直接获取目标待测光线并不容易较为精确地得到该目标待测光线的光谱数据，但是本申请实施例通过直接获得的目标物的光谱数据以及得到滤除目标待测光线后的目标物的光谱数据，再间接获得目标物光线中的目标待测光线，这里目标待测光线是通过反相滤光装置滤除的第一色散像的一个波段范围，即使该波段范围的光线很微弱，依然可以通过间接的方法确定其光谱数据，所以较现有技术，该光谱成像系统能够提高对目标物进行光谱检测的灵敏度。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的第一种结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的第二种结构示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的第三种结构示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的第四种结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的第五种结构示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的一种具体结构示意图。

图标：11-前置成像装置；12-光栅色散光谱成像装置；13-反相滤光装置；14-光栅逆色散成像装置；15-光探测装置；111-成像物镜；112-入射狭缝；113-平面折转镜；121-第一主球面反射镜；122-第一次球面反射镜；123-第一凸球面光栅；141-第二主球面反射镜；142-第二次球面反射镜；143-第二凸球面光栅；151-光探测器；152-数据处理器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种光谱成像系统，如图1所示，包括：前置成像装置11、光栅色散光谱成像装置12、反相滤光装置13、光栅逆色散成像装置14和光探测装置15。

本实施例中，光栅色散光谱成像装置12与光栅逆色散成像装置14是对称的同心光学系统；反相滤光装置13设置于光栅逆色散成像装置14的物面上，光探测装置15设置于光栅逆色散成像装置14的像面上。

前置成像装置11，用于对目标物成像得到第一目标物像，并将成像后第一目标物像的第一光线折返至光栅色散光谱成像装置12。

如图2所示，该前置成像装置11包括：成像物镜111、入射狭缝112和平面折转镜113，入射狭缝112，设置于成像物镜111的像面上。

成像物镜111，用于将目标物成像于入射狭缝上，形成第一目标物像。

本实施例中，成像物镜111可使用透射式或反射式物镜，其中，透射式成像物镜具有分辨率高的优点，反射式成像物镜具有成本低廉的优点。平面折转镜113，用于将第一目标物像发出的第一光线折返至光栅色散光谱成像装置12。

平面折转镜113的位置和大小应将入射狭缝112中的线视场目标发出的光线全部反射至光栅色散光谱成像装置的主球面反射镜上，平面折转镜113位置角度可根据实际需求进行调整。

光栅色散光谱成像装置12，用于将第一光线经反射处理后按照波长进行色散并反射得到第一反射光，将第一反射光反射成像至反相滤光装置13，得到第一色散像。

如图3所示，光栅色散光谱成像装置12包括第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123，第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123为同心设置。

这里在光栅色散光谱成像装置的第一主球面反射镜、第一次球面反射镜和第一凸球面光栅中设置“第一”均是为了与光栅逆色散成像装置中的第二主球面反射镜、第二次球面反射镜和第二凸球面光栅进行区分，并不代表光栅色散光谱成像装置中有多个主球面反射镜。

第一主球面反射镜121，用于将前置成像装置11中发出的第一光线反射至第一凸球面光栅上123。

第一凸球面光栅123，用于将第一光线按照不同波长进行色散，并将色散后的光线反射后得到第一反射光，将第一反射光出射至第一次球面反射镜122上。

第一次球面反射镜122，用于将第一反射光反射并成像至反相滤光装置13上得到第一色散像。

本实施例中，第一主球面反射镜121和第一次球面反射镜122的半径近似相等，第一凸球面光栅123的半径近似为两球面反射镜的一半，在实际应用中，为得到第一色散像的最佳像质，可使用光学设计的方法获取第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123半径的具体数值。入射狭缝112经过平面折转镜113成像后的像面与光栅色散光谱成像装置12的物面重合，光栅色散光谱成像装置12所成第一色散像的像面在入射狭缝112经过平面折转镜113所成的像与光栅色散光谱成像装置12球面元件球心形成的平面内，以第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123的球心为对称中心，与入射狭缝112在平面折转镜113中成像后的像面成中心对称。

本申请实施例中，光栅色散光谱成像装置12采用了同心球面光学系统，同时具备成像和色散分光的功能，具有奥夫纳光学系统消像差和色差等优点。

反相滤光装置13，用于对第一色散像进行无滤光处理后形成的第二光线出射至光栅逆色散成像装置14，用于对第一色散像滤除目标待测光线后形成的第三光线出射至光栅逆色散成像装置14。

反相滤光装置13用于对第一色散像进行无滤光和逐行滤光处理，在进行逐行滤光时，反相滤光装置13可控制第一色散像中与前置成像装置11中入射狭缝112长度方向一致的任一一行所对应波长区间的光线被遮挡吸收或反射，而第一色散像的其他所有行对应的波长区间都可以透过反相滤光装置13并出射至光栅逆色散成像装置14；在进行无滤光处理时，只需使第一色散像的所有行对应的波长区间都透过反相滤光装置13并出射至光栅逆色散成像装置14即可；反相滤光装置13设置于光栅色散光谱成像装置12形成的第一色散像的像面上。

本实施例中，反相滤光装置13不仅能够对第一色散像进行逐行滤除，以增加光通量和灵敏度的效果；还具有无滤光处理功能；进而方便后续处理。

这里目标待测光线指该第一色散像中一个设定波长区间对应的光线。反相滤光器件每次滤除一个波长区间对应的光线，这里的波长区间与反相滤光器件的滤除部件的单位有关，比如滤除部件的单位为1nm，则目标待测光线的设定波长区间就是1nm，比如第二目标物像包括380nm～700nm的光线，该目标待测光线可以是500～501nm的光线，反相滤光器件可以只滤除一种设定波长区间的光线，也可以逐行滤除不同波长区间的光线。

反相滤光装置13包括反相滤光器件，反相滤光器件设置于光栅色散光谱成像装置形成的第一色散像的像面上。

其中，反相滤光器件为逐行控制光线透过的液晶空间光调制器或DMD数字微镜，其限制光线透过的行像元方向与前置成像装置中入射狭缝的长度方向一致，与第一色散像中的色散方向垂直。或者，

反相滤光器件为位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像装置中入射狭缝的色散方向运动，细丝的长度方向与入射狭缝的长度方向一致，与第一色散像中的色散方向垂直，以实现对第一色散像中细丝所在行对应波长区间的光线(即目标待测光线)吸收或反射至其他方向，而透过其他行所对应波长区间的光线。液晶空间光调制器或DMD数字微镜的滤光调制滤光形状，或细丝的形状可根据狭缝色散的谱线弯曲形状进行设置。

具体地，反相滤光器件，用于分别对第一色散像进行无滤光处理和滤除目标待测光线处理后发射至光栅逆色散成像装置，其中，第一色散像的每一行光线对应一个波长区间，且每次滤光第二目标物像的一行，其中，第一色散像进行无滤光处理后的光线为第二光线，第一色散像进行滤除目标待测光线处理后的光线为第三光线。

这里第一色散像包括多行设定波长区间的光线，比如对于380nm～400nm的第一色散像，当以波长区间为1nm进行划分时，就包括20行波长区间为1nm的光线。

下面以一个具体例子进行阐述滤光过程，下表1出了行数为4，每行波长区间为1nm，波长在400-404nm的第一色散像的每一行对应的波长区间。

表1

行数	波长区间
		1	400-401nm
2	401-402nm
		3	402-403nm
4	403-404nm

在对第一色散像进行逐行滤光时，当第一次滤除第一色散像的第2行对应的波长区间时，第一色散像其它所有行对应的波长区间均不被滤除；当第二次滤除第一色散像的第3行对应的波长区间时，第一色散像其它所有行对应的波长区间均不被滤除；在滤除第一色散像其它行时，原理同上，保证每次滤光时只滤除第一色散像的一行；在进行无滤光处理时，只需将第一色散像的所有行对应的波长区间均不被滤除即可。通过表1能够看出，因第一色散像的每一行对应一个波长区间，且每次滤光时只滤除第一色散像的一行，而其它行对应的波长区间并不被滤除，因此，本实施例能够对第一色散像进行逐行滤光。

光栅逆色散成像装置14，用于对第二光线反射处理后逆色散合光并反射得到第二反射光，将第二反射光反射成像至光探测装置15得到第二目标物像，用于对第三光线反射处理后逆色散合光反射得到第三反射光，将第三反射光反射成像至光探测装置得到第三目标物像。

如图4所示，光栅逆色散成像装置14包括第二主球面反射镜141、第二次球面反射镜142和第二凸球面光栅143，第二主球面反射镜141、第二次球面反射镜142和第二凸球面光栅143为同心设置。

第二次球面反射镜142，用于将无滤光的第二光线和第三光线反射至第二凸球面光栅143上。

第二凸球面光栅143，用于将第二光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到第二反射光，将第二反射光出射至第二主球面反射镜上，用于将第三光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到第三反射光，将第三反射光出射至第二主球面反射镜141上。

第二主球面反射镜141，用于将第二反射光反射成像至光探测装置15得到第二目标物像，用于将第三反射光反射成像至光探测装置15得到第三目标物像。

光探测装置15，用于基于第二目标物像得到第一光谱数据，基于第三目标物像得到第二光谱数据，以及基于第一光谱数据和第二光谱数据得到目标待测光线对应的光谱数据。

具体地，光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置空间同心对称设置，光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置的共有球心所在平面与入射狭缝所在平面重合。反相滤光装置设置于光栅逆色散成像装置的物面上。光栅逆色散成像装置的像面与入射狭缝在平面折转镜中成像后的像面重合。

本实施例中，光栅逆色散成像装置14是与光栅色散光谱成像装置12对称的同心光学系统；两者的器件同心对称设置(即第二主球面反射镜141与第一主球面反射镜121同心对称设置、第二次球面反射镜142与第一次球面反射镜122同心对称设置、第二凸球面光栅143与第一凸球面光栅123同心对称设置)，它们的球面反射镜和凸球面光栅的球心在同一位置；对称面为入射狭缝112在平面折转镜113中所成的像和共有球心所在的平面。

本申请实施例中，光栅色散光谱成像装置12和光栅逆色散成像装置14都采用了全反射式同心球面光学系统，具有奥夫纳光学系统消像差和色差等优点；两装置具有共同的球心，器件完全相同，并以球心和入射狭缝112在平面折转镜113中所成的像所在的平面为对称面成面对称分布，两系统因其组成的器件数量少，具有低光学设计难度、易于装调和成本低的优点。

如图5所示，光探测装置15包括光探测器151和数据处理器152。

光探测器151，用于将第二目标物像的光信号转换为对应的第一电信号，并将第一电信号发送至数据处理器152，用于将第三目标物像的光信号转换对应的第二电信号，并将第二电信号发送至数据处理器152。

光探测器为线阵探测器，其位于光栅逆色散成像装置的像面上，其像元阵列方向与入射狭缝112的长度方向相同；线阵探测器因设置在第二目标物像或第三目标物像的像面上，具有易于装调的优点，同时还具有成本低，加工工艺要求低的优势。

本实施例中所使用的线阵探测器行像元接收到的光谱波段数量和能量，远高于传统色散光谱仪中使用的面阵探测器每行像元接收到的光谱波段数量和能量。因此，本发明的装置具有能量利用率高、信噪比高、灵敏度高等特点，在弱光探测中具有更大优势。

数据处理器152，用于基于第一电信号得到所述第一光谱数据，基于第二电信号得到第二光谱数据，以及对第一光谱数据和第二光谱数据作差后得到目标待测光线对应的光谱数据。

需要注意的是：这里的第一光谱数据指代的是无滤光处理后第二目标物像中包括的所有光谱的总数据，第二光谱数据指代的是滤除设定波长区间的目标待测光线后剩余的第三目标物像中包括的所有总数据，然后后期可以通过第一光谱数据与第二光谱数据相减，得到设定波长区间的目标待测光线的光谱数据。

本申请实施例中，数据处理器152用于接收记录光探测器151发送的电信号，同时对电信号进行模数转换处理得到对应的数字信号；并对数字信号进行处理，从而确定目标物在前置成像装置11中入射狭缝112的光谱数据；其中，光谱数据包括光谱特征信息和空间位置信息；光谱特征信息包括但不限于光谱的波长和强度，空间位置信息包括目标物在入射狭缝112长度方向的空间相对位置信息。

本实施例中，数据处理器152对转换后得到的数字信号进行处理是采用信号反相相减获取目标待测光线的光谱数据的方法,即利用获取到无滤光的第二目标物像对应的数字信号和当前滤光后的第三目标物像对应的数字信号相减，得到目标待测光线在当前波长区间的光谱数字信号；数据处理器152采用这种处理方法不仅具有数据处理算法简单的优势，还具有算法工作量小的优点。

为了便于清楚的理解本申请实施例提供的光谱成像系统，下面以一具体实施例进行详细阐述，如图6所示：

如图6所示，本申请实施例提供了一种如图所示的光谱成像系统，其中包括：前置成像装置11、光栅色散光谱成像装置12、反相滤光装置13、光栅逆色散成像装置14、光探测装置15。

本实施例中，前置成像装置11包括成像物镜111、入射狭缝112和平面折转镜113；光栅色散光谱成像装置12包括第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123，三者为同心设置；光栅逆色散成像装置14包括第二主球面反射镜141、第二次球面反射镜142和第二凸球面光栅143，三者为同心设置；其中，光栅逆色散成像装置14与光栅色散光谱成像装置12同心对称设置。

本实施例的工作过程为：前置成像装置11中的成像物镜111将目标物成像至入射狭缝112处，形成线第一目标物像A₀，入射狭缝112处的第一目标物像A₀发出的第一光线经平面折转镜113折返至光栅色散光谱成像装置12中的第一主球面反射镜121上，通过第一主球面反射镜121将第一光线反射至第一凸球面光栅123上，第一凸球面光栅123将该第一光线按照不同波长色散并反射，得到第一反射光，将第一反射光出射至第一次球面反射镜122上，通过第一次球面反射镜122将该第一反射光成像反相滤光装置13上，得到第一色散像A₀’；反相滤光装置13对第一色散像A₀’进行无滤光处理后形成的第二光线，以及滤除目标待测光线后形成的第三光线，第一色散像A₀’的每一行对应一个波长区间，且每次滤除第一色散像A₀’的一行；反相滤光装置13将第一色散像A₀’进行无滤光处理后得到狭缝色散像A’(其发出的光线为第二光线)或滤除目标待测光线后的狭缝色散像A’(其发出的光线为第三光线)，并将其出射至光栅逆色散成像装置14中的第二次球面反射镜142(其中，滤光后的狭缝色散像A’或无滤光的狭缝色散像A’在光栅逆色散成像装置14的物面上)；第二次球面反射镜142将第二光线反射至第二凸球面光栅143上进行逆色散合光，并将合光后的光线反射得到第二反射光并将其出射至第二主球面反射镜141，以及将第三光线反射至第二凸球面光栅143上进行逆色散合光，并将合光后的光线反射得到第三反射光并将其出射至第二主球面反射镜141；第二主球面反射镜141将第二返射光线反射成像至光探测装置15上形成第二目标物像A，将第三返射光线反射成像至光探测装置15上形成第三目标物像A，其中，光栅逆色散成像装置14的像面与入射狭缝112在平面折转镜113中的成像后的像面重合；光探测装置15中的光探测器(图6中未示出)获取无滤光的狭缝像A或每次滤光后的狭缝像A，将各狭缝像A的光信号转换为对应的电信号，并将电信号发送至数据处理器(图6中未示出)上；数据处理器，用于根据光探测器发送的各狭缝像A对应的电信号确定目标待测光线的光谱数据。

本实施例中，成像物镜111可根据近场或望远的需要采用近场透镜、卡塞格林双反镜等反射镜结构或透射和反射式的望远镜结构；本实施例中的入射狭缝112的宽度和长度均可根据光学设计需求进行调整。

本实施例中，光栅色散光谱成像装置12同时具备成像和色散分光的功能，包括第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123，三者为同心设置；其中第一主球面反射镜121和第一次球面反射镜122的半径近似相等，第一凸球面光栅123的半径近似为两球面反射镜的一半，为得到第一目标物像A₀的最佳像质，可使用光学设计的方法获取其第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123半径的具体数值。光栅色散光谱成像装置12的物面与入射狭缝112在平面折转镜113成像后的像面重合，第一色散像A₀’的像面在入射狭缝112经过平面折转镜113所成的像与光栅色散光谱成像装置12的球面元件球心O形成的平面内，以第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123的球心O为对称中心，与入射狭缝112经过平面折转镜123成像后的像面(即像点A)成中心对称。

本实施例中，光栅色散光谱成像装置12采用奥夫纳(Offner)结构的形式，由第一主球面反射镜121、第一次球面反射镜122和第一凸球面光栅123组成的同心系统，圆心位于图6中的O点；物、球心和像三者位于同一直线上，而且物和像关于球心O对称。光栅色散光谱成像装置12的物象中心之间的距离D近似为：

其中r₁为第一主球面反射镜121的球面半径，r₂为第一凸球面光栅123的球面半径。

本实施例中，光栅逆色散成像装置14与光栅色散光谱成像装置12同心对称设置；两者的器件同心对称设置(即第一主球面反射镜121与第二主球面反射镜141同心对称设置、第一次球面反射镜122与第二次球面反射镜142同心对称设置、第一凸球面光栅123与第二凸球面光栅143同心对称设置)，它们的球面反射镜和凸球面光栅的球心在同一位置(图6中O点)；对称面为入射狭缝112在平面折转镜113中的像点(即A点)和共有球心O所在的平面；反相滤光装置13设置于光栅逆色散成像装置14的物面上，光栅逆色散成像装置14的像面与前置成像装置11中的入射狭缝112在平面折转镜113中成像后的像面(即A点)重合。

本实施例中，反相滤光装置13位于第一色散像A₀’的像面上，反相滤光装置13包括反相滤光器件(图6中未示出)，反相滤光器件可使用位置可控的细丝在孔径光阑平面内沿狭缝色散方向运动，细丝的长度方向与第一目标物像A₀的长度方向一致，与第一色散像A₀’中的色散方向垂直，以实现对第一色散像A₀’中细丝所在行的光线吸收，而透过其他行的光线。本实施例中，反相滤光装置13的孔径光阑尺寸的长度与第一目标物像A₀长度相同，宽度与第一色散像A₀’的色散宽度相同，可控细丝的直径根据光学设计需求进行选择。细丝被放置于可控直线运动平移台上，以固定步长在孔径光阑的平面内运动。

本实施例中，光探测器为线阵探测器，位于第二目标物像或第三目标物像A的像面上。在数据处理器中，将无滤光的第二目标物像A和滤光后的第三目标物像A的光谱数据相减，即可得到目标物的目标待测光线的光谱数据。以同样的方法测出目标物中每个波长区间的光谱数据，从而最终得到目标物的光谱数据。

与现有技术中相比，本申请实施例提供的光谱成像系统，通过反相滤光装置和光栅逆色散成像装置，分别使得光探测装置获得到目标物的光谱数据以及得到滤除目标待测光线后的目标物的光谱数据，这样，通过将这两个光谱数据作差就可以精确得到目标待测光线的光谱数据，当目标待测光线很弱时，通过直接获取目标待测光线并不容易较为精确地得到该目标待测光线的光谱数据，但是本申请实施例通过直接获得的目标物的光谱数据以及得到滤除目标待测光线后的目标物的光谱数据，再间接获得目标物光线中的目标待测光线，这里目标待测光线是通过反相滤光装置滤除的第一色散像的一个波段范围，即使该波段范围的光线很微弱，依然可以通过间接的方法确定其光谱数据，所以较现有技术，该光谱成像系统能够提高对目标物进行光谱检测的灵敏度。

此外，本申请实施例使用的光栅色散光谱成像装置和光栅逆色散成像装置都采用了全反射式同心球面光学系统，具有奥夫纳光学系统消像差和色差等优点，使得成像质量更高；两装置具有共同的球心，且对应的器件完全相同，并以球心和入射狭缝所在的平面为对称面成面对称分布，具有低成本、低光学设计难度、易于加工装调的优点。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光谱成像系统，其特征在于，包括：前置成像装置、光栅色散光谱成像装置、反相滤光装置、光栅逆色散成像装置和光探测装置；

所述前置成像装置，用于对目标物成像得到第一目标物像，并将成像后所述第一目标物像的第一光线折返至所述光栅色散光谱成像装置；

所述光栅色散光谱成像装置，用于将所述第一光线经反射处理后按照波长进行色散并反射得到第一反射光，将所述第一反射光反射成像至所述反相滤光装置，得到第一色散像；

所述反相滤光装置，用于对所述第一色散像进行无滤光处理后形成的第二光线出射至所述光栅逆色散成像装置，用于对所述第一色散像滤除目标待测光线后形成的第三光线出射至所述光栅逆色散成像装置，所述目标待测光线为所述第一色散像中一个设定波长区间对应的光线；

所述光栅逆色散成像装置，用于对所述第二光线反射处理后逆色散合光并反射得到第二反射光，将所述第二反射光反射成像至所述光探测装置得到第二目标物像，用于对所述第三光线反射处理后逆色散合光反射得到第三反射光，将所述第三反射光反射成像至所述光探测装置得到第三目标物像；

所述光探测装置，用于基于所述第二目标物像得到第一光谱数据，基于所述第三目标物像得到第二光谱数据，以及基于所述第一光谱数据和所述第二光谱数据得到所述目标待测光线对应的光谱数据。

2.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述前置成像装置包括成像物镜、入射狭缝和平面折转镜，所述入射狭缝，设置于所述成像物镜的像面上；

所述成像物镜，用于将所述目标物成像于所述入射狭缝上，形成所述第一目标物像；

所述平面折转镜，用于将所述第一目标物像发出的所述第一光线折返至所述光栅色散成像装置。

3.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光栅色散光谱成像装置包括第一主球面反射镜、第一次球面反射镜和第一凸球面光栅，所述第一主球面反射镜、第一次球面反射镜和第一凸球面光栅为同心设置；

所述第一主球面反射镜，用于将所述前置成像装置中发出的第一光线反射至所述第一凸球面光栅上；

所述第一凸球面光栅，用于将所述第一光线按照不同波长进行色散，并将色散后的光线反射后得到所述第一反射光，将所述第一反射光出射至所述第一次球面反射镜上；

所述第一次球面反射镜，用于将所述第一反射光反射并成像至所述反相滤光装置上得到所述第一色散像。

4.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述反相滤光装置包括反相滤光器件，所述反相滤光器件设置于所述光栅色散光谱成像装置形成的所述第一色散像的像面上。

5.根据权利要求4所述的光谱成像系统，其特征在于，所述反相滤光器件为逐行控制光线透过的液晶空间光调制器或DMD数字微镜，其限制光线透过的行像元方向与前置成像装置中入射狭缝的长度方向一致，与所述第一色散像中的色散方向垂直；或者，

所述反相滤光器件为位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像装置中入射狭缝的色散方向运动，所述细丝的长度方向与入射狭缝的长度方向一致，与所述第一色散像中的色散方向垂直。

6.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光栅逆色散成像装置包括第二主球面反射镜、第二次球面反射镜和第二凸球面光栅，所述第二主球面反射镜、第二次球面反射镜和第二凸球面光栅为同心设置；

所述第二次球面反射镜，用于将无滤光的所述第二光线和第三光线反射至所述第二凸球面光栅上；

所述第二凸球面光栅，用于将所述第二光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到所述第二反射光，将所述第二反射光出射至所述第二主球面反射镜上，用于将所述第三光线逆色散合光，并将合光后的光线反射得到所述第三反射光，将所述第三反射光出射至所述第二主球面反射镜上；

所述第二主球面反射镜，用于将所述第二反射光反射成像至所述光探测装置得到第二目标物像，用于将所述第三反射光反射成像至所述光探测装置得到第三目标物像。

7.根据权利要求2所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置空间对称设置，所述光栅逆色散成像装置和光栅色散光谱成像装置的共有球心所在平面与所述入射狭缝所在平面重合；

所述反相滤光装置设置于所述光栅逆色散成像装置的物面上；

所述光栅逆色散成像装置的像面与所述入射狭缝在所述平面折转镜中成像后的像面重合。

8.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光探测装置包括光探测器和数据处理器；

所述光探测器，用于将所述第二目标物像的光信号转换为对应的第一电信号，并将所述第一电信号发送至所述数据处理器，用于将所述第三目标物像的光信号转换对应的第二电信号，并将所述第二电信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于基于所述第一电信号得到所述第一光谱数据，基于所述第二电信号得到所述第二光谱数据，以及对所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作差后得到所述目标待测光线对应的光谱数据。

9.根据权利要求8所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光探测器为线阵探测器，其位于所述光栅逆色散成像装置的像面上。