CN108844629A - 一种光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光谱成像系统，包括：前置成像子系统、色散分光‑合光子系统、反相滤光移像子系统以及光探测子系统；前置成像子系统对目标物成像并将光线出射至色散分光‑合光子系统；色散分光‑合光子系统对光线依次进行处理后出射至反相滤光移像子系统；反相滤光移像子系统该光线采取无滤光处理及传像后的光线发射至色散分光‑合光子系统；以及对该光线滤除目标待测光线及传像后的光线发射至色散分光‑合光子系统；色散分光‑合光子系统，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子系统；光探测子系统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

光谱成像技术可同时获取目标的一维光谱信息和二维空间信息，在光学遥感、光谱颜色复制、光谱防伪鉴别、医疗和环境监测等领域，正在得到越来越广泛的应用。棱镜色散光谱仪由于杂散光少、波长范围宽、加工成本低和可靠性高等特点，具有较高的应用价值。

传统的棱镜色散光谱成像装置一般由望远物镜、狭缝、准直物镜、色散棱镜、成像物镜和面阵探测器组成。通过望远物镜将目标物缩小成像于狭缝处，目标物的像经过狭缝、准直镜后变为平行光，平行光经过色散棱镜后按照不同波长分成多束发散光，多束发散光经过成像物镜后在面阵探测器上形成多条以波长散开的狭缝像，面阵探测器进而对这狭缝像进行检测。

当目标物能量较弱的情况下，对应的目标物的像也较弱，经过色散棱镜后按照不同波长分成的多束发散光中，有些波长的光线的能量及其微弱，导致面阵探测器难以对这些能量极其微弱的狭缝像检测。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供光谱成像系统，以提高对目标物进行光谱检测的灵敏度和精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种光谱成像系统，包括：前置成像子系统、色散分光-合光子系统、反相滤光移像子系统以及光探测子系统；

所述前置成像子系统，用于对目标物成像形成第一目标物像，并将所述第一目标物像的第一光线出射至所述色散分光-合光子系统；

所述色散分光-合光子系统，用于对所述第一光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第一逆反射光线，并将所述第一逆反射光线出射至所述反相滤光移像子系统；

所述反相滤光移像子系统，用于对所述第一逆反射光线形成第二目标物像，并将所述第二目标物像采取无滤光处理及传像后的第二光线发射至所述色散分光-合光子系统；以及用于对所述第一逆反射光线形成第二目标物像，并对所述第二目标物像滤除目标待测光线及传像后的第三光线发射至所述色散分光-合光子系统，所述目标待测光线为所述第二目标物像中一个设定波长区间对应的光线；

所述色散分光-合光子系统，还用于对所述第二光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第二逆反射光线，对所述第三光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第三逆反射光线，并分别将所述第二逆反射光线和所述第三逆反光线出射至所述光探测子系统；

所述光探测子系统，用于基于所述第二逆反射光线得到第二光谱数据，基于所述第三逆反射光线得到所述第三光谱数据，并基于所述第二光谱数据和所述第三光谱数据得到所述目标待测光线的光谱数据。

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，所述前置成像子系统包括成像物镜和狭缝；

所述成像物镜，用于将所述目标物缩小成像于狭缝位置处形成所述第一目标物像；

所述狭缝中的所述第一目标物像发出的光线出射至所述色散分光-合光子系统；其中，所述狭缝的位置在所述成像物镜的像面处。

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，所述色散分光-合光子系统包括准直镜和色散棱镜；

所述准直镜，用于将所述前置成像系子统成像后发出的第一光线准直为第一平行光，以及用于将所述反相滤光移像子系统发射的所述第二光线和所述第三光线分别准直为第二平行光和第三平行光；

所述色散棱镜，用于将准直后的第一平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的平行光逆反射至所述准直镜，并在其焦点处合光，得到第一逆反射光，将所述第一逆反射光出射至所述反相滤光移像子系统；以及用于将准直后的第二平行光和第三平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的第二平行光和第三平行光分别逆反射至所述准直镜，并在其焦点处合光，分别得到所述第二逆反射光线和所述第三逆反射光线，将第二逆反射光线和所述第三逆反射光线分别成像至所述光探测子系统。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述准直镜的焦点处是指目标物在所述前置成像子系统中的狭缝位置；

所述色散棱镜的入射面也是出射面，镀有增透膜；所述色散棱镜内反射面镀有增反膜；所述色散棱镜的顶角范围为10°-20°。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述反相滤光移像子系统包括平面折转镜、反相滤光器件和传像器件；

所述平面折转镜，用于改变所述第一逆反射光的方向，形成所述第二目标物像，并将所述第二目标物像出射至所述反相滤光器件；

所述反相滤光器件，用于分别对所述第二目标物像进行无滤光处理和滤除目标待测光线处理后发射至所述传像器件，其中，所述第一目标物像的每一行光线对应一个波长区间，且每次滤光所述第二目标物像的一行；其中，所述第二目标物像进行无滤光处理后的光线为所述第二光线，所述第二目标物像进行滤除目标待测光线处理后的光线为所述第三光线；

所述传像器件，用于对所述第二光线传像后形成第三目标物像，并将所述第三目标物像的光线出射至所述平面折转镜；对所述第三光线传像后形成第四目标物像，并将所述第四目标物像的光线出射至所述平面折转镜；

所述平面折转镜，还用于将所述第三目标物像的光线和所述第四目标物像的光线反射至所述色散分光-合光子系统。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述平面折转镜为中部具有圆形通光孔径的整块平面反射镜。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述反相滤光器件的位置在所述第一逆反射光线经所述平面折转镜反射后形成的所述第二目标物像的像面上。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述反相滤光器件采用逐行控制光线透过的液晶空间光调制器，其限制光线透过的行像元方向与前置成像子系统中狭缝的长度方向一致，与所述第二目标物像中的色散方向垂直；或采用位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像子系统中狭缝的色散方向运动，所述细丝的长度方向与狭缝的长度方向一致，与所述第二目标物像中的色散方向垂直。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，所述光探测子系统包括光探测器和数据处理器；

所述光探测器，用于获取所述第二逆反射光线所形成的色散像，并将所述第二逆反射光线所形成的色散像的光信号转换为对应的第一电信号，用于获取所述第三逆反射光线所成的色散像，并将所述第三逆反射光线所成的色散像的光信号转换为对应的第二电信号，以及用于将所述第一电信号和所述第二电信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于对接收到的所述第一电信号和所述电信号进行模数转换后作差，得到所述目标待测光线的光谱数据。

结合第一方面的第八种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，所述光探测器为线阵探测器，其位于所述第二逆反射光线所形成的色散像或所述第三逆反射光线所成的色散像的像面位置。

与现有技术中相比，本申请实施例提供的光谱成像系统，通过色散分光-合光子系统和反相滤光移像子系统，分别使得光探测子系统获得到目标物的光谱数据以及得到滤除设定波长区间的目标待测光线后的光谱数据，这样，就可以精确得到该设定波长区间的目标待测光线的光谱数据，当该设定波长区间的目标待测光线很弱时，通过直接获取目标待测光线并不能较为灵敏、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该设定波长区间的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该设定波长区间的目标待测光线的光谱数据，这里目标待测光线是通过反相滤光移像子系统滤除的第二目标物像中一个设定波长区间对应的光线，即使该设定波长区间对应的光线很微弱，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和精度。

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反相滤光移像子系统的光学结构示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的光谱成像系统的具体光学结构示意图。

图标：11-前置成像子系统；12-色散分光-合光子系统；13-反相滤光移像子系统；14-光探测子系统；111-成像物镜；112-狭缝；121-准直镜；122-色散棱镜；131-平面折转镜；132-反相滤光器件；133-传像器件；141-光探测器；142-数据处理器；1331-主镜；1332-次镜。

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：前置成像子系统11、色散分光-合光子系统12、反相滤光移像子系统13以及光探测子系统14。

其中，前置成像子系统11，用于对目标物成像形成第一目标物像，并将第一目标物像的第一光线出射至色散分光-合光子系统12。

其中，如图2所示，前置成像子系统11包括成像物镜111和狭缝112；

成像物镜111，用于将目标物缩小成像于狭缝位置处形成第一目标物像。

其中，成像物镜111可采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。

狭缝112中的第一目标物像发出的第一光线出射至色散分光-合光子系统12；其中，狭缝112的位置在成像物镜111的像面处。

色散分光-合光子系统12，用于对第一光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第一逆反射光线，并将第一逆反射光线出射至反相滤光移像子系统13。

其中，如图3所示，色散分光-合光子系统12包括准直镜121和色散棱镜122。

准直镜121，用于将前置成像子系统11成像后发出的第一光线准直为第一平行光，以及用于将反相滤光移像子系统13发射的第二光线和第三光线分别准直为第二平行光和第三平行光。

准直镜121的焦点处是指目标物在前置成像子系统11中的狭缝位置。

本实施例中，准直镜121可采用透射式或反射式准直物镜，透射式准直物镜具有分辨率高的优点，反射式准直物镜具有成本低廉的优点。

色散棱镜122，用于将准直后的第一平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的平行光逆反射至准直镜121，并在其焦点处合光，得到第一逆反射光，将第一逆反射光出射至反相滤光移像子系统13；以及用于将准直后的第二平行光和第三平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的第二平行光和第三平行光分别逆反射至准直镜121，并在其焦点处合光，分别得到第二逆反射光线和第三逆反射光线，将第二逆反射光线和第三逆反射光线分别成像至光探测子系统14。

色散棱镜122的入射面也是出射面，镀有增透膜；色散棱镜内反射面镀有增反膜；色散棱镜的顶角范围为10°-20°。

本实施例中，色散棱镜122的入射面也是出射面，为增加其透射率，可在色散棱镜122的入射面镀有工作波段范围的增透膜；同时，为了增加色散棱镜122内反射面的反射率，可在色散棱镜122内反射面镀以该装置工作波段范围的增反膜，使得色散棱镜122内反射面的反射率大于90％；与此同时，色散棱镜122的顶角大小范围为控制在10°-20°之间，使其能够更好的接收和反射平行光。

本申请实施例中的色散分光-合光子系统12因内部组成的器件数量少，能够在一定程度上避免器件加工引入的装置误差，同时因其组成的器件数量少，还具有易于装调和成本低的优点。

反相滤光移像子系统13，用于对第一逆反射光线形成第二目标物像，并将第二目标物像采取无滤光处理及传像后的第二光线发射至色散分光-合光子系统12；以及用于对第一逆反射光线形成第二目标物像，并对第二目标物像滤除目标待测光线及传像后的第三光线发射至色散分光-合光子系统12。

其中，如图4所示，反相滤光移像子系统13包括平面折转镜131、反相滤光器件132和传像器件133；

平面折转镜131，用于改变第一逆反射光的方向，形成第二目标物像，并将第二目标物像出射至反相滤光器件132。

平面折转镜131为中部具有圆形通光孔径的整块平面反射镜。

本实施例中，平面折转镜131与本系统主光路的角度范围为30°-60°，这里的角度在实际应用时，可根据需求进行调整；平面折转镜131可使用中部镂空可透射光线的整块平面反射镜，以达到增加光线反射面积并降低装调难度的效果。

反相滤光器件132，用于分别对第二目标物像进行无滤光处理和滤除目标待测光线处理后发射至传像器件133，其中，第一目标物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，第二目标物像进行无滤光处理后的光线为第二光线，第二目标物像进行滤除目标待测光线处理后的光线为第三光线。

这里第二目标物像包括多行设定波长区间的光线，比如对于380nm～400nm的第一目标物像，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。

反相滤光器件132的位置在第一逆反射光线经平面折转镜131反射后形成的第二目标物像的像面上。

这里目标待测光线指该第二目标物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。

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的第二目标物像的每一行对应的波长区间。

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

在对第二目标物像进行逐行滤光时，当第一次滤除第二目标物像的第2行对应的波长区间时，第二目标物像其它所有行对应的波长区间均不被滤除；当第二次滤除第二目标物像的第3行对应的波长区间时，第二目标物像其它所有行对应的波长区间均不被滤除；在滤除第二目标物像其它行时，原理同上，保证每次滤光时只滤除第二目标物像的一行。通过表1能够看出，因第二目标物像的每一行对应一个波长区间，且每次滤光时只滤除第二目标物像的一行，而其它行对应的波长区间并不被滤除，因此，本实施例可实现对第二目标物像进行逐行滤光。

可选地，反相滤光器件采用逐行控制光线透过的液晶空间光调制器，其限制光线透过的行像元方向与前置成像子系统中狭缝的长度方向一致，与第二目标物像中的色散方向垂直；或采用位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像子系统中狭缝的色散方向运动，细丝的长度方向与狭缝的长度方向一致，与第二目标物像中的色散方向垂直。

此处采用的液晶空间光调制器具有转换效率高、能耗低和速度快的优点；细丝可根据滤光需求进行粗细调整，方便快速。

本实施例中，反相滤光器件132对第二目标物像进行无滤光处理或逐行滤光处理，并将无滤光的第二目标物像或当前滤光后的第二目标物像出射至传像器件133；在进行逐行滤光时，反相滤光器件132可控制第二目标物像中与前置成像子系统11中狭缝112长度方向一致的任一一行所对应波段的光线被吸收或反射至除传像器件133的其他位置，而第二目标物像的其他所有行对应的波段都可以透过反相滤光器件132并出射至传像器件133；在进行无滤光处理时，只需使第二目标物像的所有行对应的波段都透过反相滤光器件132并出射至传像器件133即可；反相滤光器件132的位置在第一逆反射光经平面折转镜反射后形成的第二目标物像的像面上。

本申请实施例中的反相滤光移像子系统13不仅能够对第二目标物像进行逐行滤除，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。

传像器件133，用于对第二光线传像后形成第三目标物像，并将第三目标物像的光线出射至平面折转镜131；对第三光线传像后形成第四目标物像，并将第四目标物像的光线出射至平面折转镜131。

上文表述到，第二目标物像进行无滤光处理后的光线为第二光线，第二目标物像进行滤除目标待测光线处理后的光线为第三光线，这里，第二光线经过传像器件传像后，形成的即为第三目标物像，第三光线经过传像器件传像后，形成的即为第四目标物像。为了后续简便，仍然将第三目标物像的光线称为第二光线，将第四目标物像的光线称为第三光线。

本实施例中，传像器件133可采用奥夫纳(Offner)结构反射镜，其像面位置与反相滤光器件132上的第二目标物像的像面重合，其传像后形成的第三目标物像经平面折转镜131成像的像面位置与第一目标物像经平面折转镜131成像后的像面位置关于本系统主光路对称；同时第三目标物像经平面折转镜131成像的像面位置也是色散分光-合光子系统12的反相离轴位置；此处的奥夫纳(Offner)结构反射镜在传像时具有速度快分辨率高的优点。

平面折转镜131，还用于将第三目标物像的光线和第四目标物像的光线反射至色散分光-合光子系统12。

色散分光-合光子系统12，还用于对第二光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第二逆反射光线，对第三光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第三逆反射光线，并分别将第二逆反射光线和第三逆反光线出射至光探测子系统14。

这里的第二光线即为第三目标物像的光线，第三光线即为第四目标物像的光线。

光探测子系统14，用于基于第二逆反射光线得到第二光谱数据，基于第三逆反射光线得到第三光谱数据，并基于第二光谱数据和第三光谱数据得到目标待测光线的光谱数据。

需要注意的是：这里的第二光谱数据指代的是无滤光处理后第二逆反射光线中包括的所有光谱的总数据，第三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逆反射光线中包括的所有总数据，然后后期可以通过第二光谱数据与第三光谱数据相减，得到设定波长区间的目标待测光线的光谱数据。

其中，如图5所示，光探测子系统14包括光探测器141和数据处理器142。

光探测器141，用于获取第二逆反射光线所形成的色散像，并将第二逆反射光线所形成的色散像的光信号转换为对应的第一电信号，用于获取第三逆反射光线所成的色散像，并将第三逆反射光线所成的色散像的光信号转换为对应的第二电信号，以及用于将第一电信号和所述第二电信号发送至数据处理器142。

本申请实施例中，光探测器141用于获取无滤光的第二逆反射光线或滤光后的第三逆反射光线，将第二逆反射光线和第三逆反射光线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142；本实施例采用线阵探测器，其位于所述第二逆反射光线所形成的色散像或第三逆反射光线所成的色散像的像面位置，并且光探测器141为线阵探测器，线阵探测器相比面阵探测器具有成本低，加工工艺要求低的优势。

数据处理器142，用于对接收到的第一电信号和电信号进行模数转换后作差，得到目标待测光线的光谱数据。

本申请实施例中，数据处理器142用于接收记录光探测器141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，得到目标物在前置成像子系统11中狭缝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狭缝112长度方向的空间相对位置。

本实施例中，数据处理器142对转换后得到的数字信号进行处理是采用反相相减获取目标物在滤光波段光谱的方法,即利用获取的无滤光的第二逆反射光线或滤光后的第三逆反射光线的信号数据相减，得到目标物在该滤光波段的光谱数字信号，从而确定目标物的光谱数据；数据处理器142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。

如图6所示，下面以反相滤光移像子系统为例进行说明：

第二目标物像A中与前置成像子系统11中的狭缝112长度方向一致的行图像对应狭缝112的空间位置信息，与狭缝112长度垂直的方向对应狭缝112的光谱信息；即第二目标物像A中与狭缝112长度方向一致的行像元为狭缝112在任一固定波长范围的强度，与狭缝112长度方向垂直方向的列图像为狭缝112上任一位置点在各个波长上的光谱分布。本实施例中，反相滤光器件132可控制第二目标物像A中与狭缝112长度方向一致的任一一行像元被吸收或反射，而第二目标物像A的其他所有行都可以透过反相滤光器件132；反相滤光器件132的位置在第一逆反射光经平面折转镜反射后形成的第二目标物像A的像面上。

本实施例中，传像器件133可采用奥夫纳(Offner)结构反射镜，其物面位置与反相滤光器件132上的第二目标物像A的像面重合；其传像后的形成的第三目标物像A’和第四目标物像A’的位置为色散分光-合光子系统12的反相离轴位置经平面折转镜131成像后的像面位置。

本实施例中，传像器件133包括两同心反射球面的主镜1331和次镜1332组成；物(即第二目标物像A)、球心(即主镜1331和次镜1332的球心)和像(即第三目标物像A’)三者位于同一直线上，而且物和像关于球心对称，物象中心之间的距离D由以下公式(1)确定：

其中，r₁为主镜1331的球面半径，r₂为次镜1332的球面半径。

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7所示：

该光谱成像系统包括：前置成像子系统11、色散分光-合光子系统12、反相滤光移像子系统13、光探测子系统14。

本实施例中，前置成像子系统11包括成像物镜111和狭缝112，色散分光-合光子系统12包括准直镜121和色散棱镜122，反相滤光移像子系统13包括平面折转镜131、反相滤光器件132和传像器件133，其中传像器件(图7中未示出，具体见图6)包括主镜1331和次镜1332。

本实施例的工作过程为：前置成像子系统11的成像物镜111把目标物成像至狭缝112上，形成第一目标物像A₀；狭缝112中的第一目标物像A₀发出的光线经过色散分光-合光子系统12的准直镜121进行准直，准直后的平行光线以小角度入射至色散棱镜122；同一入射角度的不同波长的平行光线被色散棱镜122色散、逆反射后，不同波长的平行光线按照色散关系以不同的角度返回至准直镜121；反向入射至准直镜121的对应不同波长的不同角度平行光被准直镜121会聚合光，得到逆反射光(即第一逆反射光)，将该第一逆反射光出射至反相滤光移像子系统13，经反相滤光移像子系统13中的平面折转镜131折返光线，形成狭缝色散像A(即第一目标物像)；反相滤光器件132对狭缝色散像A分别进行滤光处理和无滤光处理，其中，狭缝色散像A的每一行光线对应一个波长区间，且每次滤光狭缝色散像A的一行；传像器件133将当前滤光后的狭缝色散像或无滤光的狭缝色散像传像至色散分光-合光子系统12的反向离轴对称位置(即反向离轴位置在平面折转镜中的像面位置)形成狭缝色散像A’(无滤光的狭缝色散像传像后形成的为第三目标物像，滤光后的狭缝色散像传像后形成的为第四目标物像)，当无滤光的狭缝色散像A’经平面折转镜131折返后出射至色散分光-合光子系统12进行再次处理(即将狭缝色散像A’出射的光线依次进行准直、色散、逆反射和合光)得到逆反射光(即第二逆反射光)，当滤光的狭缝色散像A’经平面折转镜131折返后出射至色散分光-合光子系统12进行再次处理(即将狭缝色散像A’出射的光线依次进行准直、色散、逆反射和合光)得到逆反射光(即第三逆反射光)，然后将第二逆反射光和第三逆反射光先后成像于光探测子系统14上形成狭缝色散像A₀’(即第二逆反射光线所形成的色散像或第三逆反射光所形成的色散像)，光探测子系统14获取无滤光的狭缝色散像A₀’和滤光后的狭缝色散像A₀’的光信号，并将光信号转换为对应的电信号，并对该电信号并进行处理，从而确定目标物的光谱数据。

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。

本实施例中的准直镜121可选用准直透镜组或离轴三反式准直反射镜系统；色散棱镜122的材料可根据装置工作波段范围需要采用钡火石玻璃、重火石玻璃等材料，其入射面也是出射面，为增加其透射率，可在色散棱镜122的入射面(即出射面)镀有工作波段范围的增透膜；同时，为了增加色散棱镜122内反射面的反射率，可在色散棱镜122内反射面镀以该装置工作波段范围的增反膜，使得色散棱镜122内反射面的反射率大于90％；与此同时，色散棱镜122的顶角范围控制在10°-20°之间，使其能够更好的接收和反射平行光。

本实施例中的平面折转镜131垂直于纸面，与本装置主光轴的角度范围控制在30°至60°之间；平面折转镜131根据光学系统设计要求选用中间具有圆形通光孔的正方形平面反射镜，其反射面为后表面。

本实施例中的反相滤光器件132位于狭缝色散像A’所在的平面内，采用位置可控的细丝在孔径光阑平面内沿狭缝112色散方向运动，细丝的长度方向与狭缝112的长度方向一致，与狭缝色散像A中的色散方向垂直，以实现对狭缝色散像A中细丝所在行的光线吸收，而透过其他行的光线；其中，细丝的形状可根据狭缝112色散的谱线弯曲形状进行设置。本实施例中，反相滤光器件132的孔径光阑尺寸的长度与狭缝长度相同，宽度与狭缝色散像A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。

与现有技术中相比，本申请实施例提供的光谱成像系统，通过色散分光-合光子系统和反相滤光移像子系统，分别使得光探测子系统获得到目标物的光谱数据以及得到滤除设定波长区间的目标待测光线后的光谱数据，这样，就可以精确得到该设定波长区间的目标待测光线的光谱数据，当该设定波长区间的目标待测光线很弱时，通过直接获取目标待测光线并不能较为灵敏、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该设定波长区间的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该设定波长区间的目标待测光线的光谱数据，这里目标待测光线是通过反相滤光移像子系统滤除的第二目标物像中一个设定波长区间对应的光线，即使该设定波长区间对应的光线很微弱，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和精度，使其在弱光探测中具有更大优势。

同时光探测子系统中的探测器为线阵探测器，使用线阵探测器接收光信号，具有低成本、加工工艺要求低的优势；使用的色散分光-合光子系统，代替了传统棱镜色散光谱仪中准直镜、色散分光器件和会聚镜等多个光学系统和器件，使得该申请实施例中的光谱成像系统器件数量少、装置体积小、种类轻、易于装调且低成本的有点，并在一定程度上避免了器件加工引入的装置误差，此外光探测子系统中的数据处理器具有数据处理算法简单、算法工作量小的优势。

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 (10)

1.一种光谱成像系统，其特征在于，包括：前置成像子系统、色散分光-合光子系统、反相滤光移像子系统以及光探测子系统；

所述前置成像子系统，用于对目标物成像形成第一目标物像，并将所述第一目标物像的第一光线出射至所述色散分光-合光子系统；

所述色散分光-合光子系统，用于对所述第一光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第一逆反射光线，并将所述第一逆反射光线出射至所述反相滤光移像子系统；

所述反相滤光移像子系统，用于对所述第一逆反射光线形成第二目标物像，并将所述第二目标物像采取无滤光处理及传像后的第二光线发射至所述色散分光-合光子系统；以及用于对所述第一逆反射光线形成第二目标物像，并对所述第二目标物像滤除目标待测光线及传像后的第三光线发射至所述色散分光-合光子系统，所述目标待测光线为所述第二目标物像中一个设定波长区间对应的光线；

所述色散分光-合光子系统，还用于对所述第二光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第二逆反射光线，对所述第三光线依次进行准直、色散、逆反射和合光后得到第三逆反射光线，并分别将所述第二逆反射光线和所述第三逆反光线出射至所述光探测子系统；

所述光探测子系统，用于基于所述第二逆反射光线得到第二光谱数据，基于所述第三逆反射光线得到所述第三光谱数据，并基于所述第二光谱数据和所述第三光谱数据得到所述目标待测光线的光谱数据。

2.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述前置成像子系统包括成像物镜和狭缝；

所述成像物镜，用于将所述目标物缩小成像于狭缝位置处形成所述第一目标物像；

所述狭缝中的所述第一目标物像发出的光线出射至所述色散分光-合光子系统；其中，所述狭缝的位置在所述成像物镜的像面处。

3.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述色散分光-合光子系统包括准直镜和色散棱镜；

所述准直镜，用于将所述前置成像子系统成像后发出的第一光线准直为第一平行光，以及用于将所述反相滤光移像子系统发射的所述第二光线和所述第三光线分别准直为第二平行光和第三平行光；

所述色散棱镜，用于将准直后的第一平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的平行光逆反射至所述准直镜，并在其焦点处合光，得到第一逆反射光，将所述第一逆反射光出射至所述反相滤光移像子系统；以及用于将准直后的第二平行光和第三平行光按照不同波长进行色散分光，并将色散后的第二平行光和第三平行光分别逆反射至所述准直镜，并在其焦点处合光，分别得到所述第二逆反射光线和所述第三逆反射光线，将第二逆反射光线和所述第三逆反射光线分别成像至所述光探测子系统。

4.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于，所述准直镜的焦点处是指目标物在所述前置成像子系统中的狭缝位置；

所述色散棱镜的入射面也是出射面，镀有增透膜；所述色散棱镜内反射面镀有增反膜；所述色散棱镜的顶角范围为10°-20°。

5.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述反相滤光移像子系统包括平面折转镜、反相滤光器件和传像器件；

所述平面折转镜，用于改变所述第一逆反射光的方向，形成所述第二目标物像，并将所述第二目标物像出射至所述反相滤光器件；

所述反相滤光器件，用于分别对所述第二目标物像进行无滤光处理和滤除目标待测光线处理后发射至所述传像器件，其中，所述第一目标物像的每一行光线对应一个波长区间，且每次滤光所述第二目标物像的一行；其中，所述第二目标物像进行无滤光处理后的光线为所述第二光线，所述第二目标物像进行滤除目标待测光线处理后的光线为所述第三光线；

所述传像器件，用于对所述第二光线传像后形成第三目标物像，并将所述第三目标物像的光线出射至所述平面折转镜；对所述第三光线传像后形成第四目标物像，并将所述第四目标物像的光线出射至所述平面折转镜；

所述平面折转镜，还用于将所述第三目标物像的光线和所述第四目标物像的光线反射至所述色散分光-合光子系统。

6.根据权利要求5所述的光谱成像系统，其特征在于，所述平面折转镜为中部具有圆形通光孔径的整块平面反射镜。

7.根据权利要求5所述的光谱成像系统，其特征在于，所述反相滤光器件的位置在所述第一逆反射光线经所述平面折转镜反射后形成的所述第二目标物像的像面上。

8.根据权利要求7所述的光谱成像系统，其特征在于，所述反相滤光器件采用逐行控制光线透过的液晶空间光调制器，其限制光线透过的行像元方向与前置成像子系统中狭缝的长度方向一致，与所述第二目标物像中的色散方向垂直；或采用位置可控的细丝，其在孔径光阑平面内沿前置成像子系统中狭缝的色散方向运动，所述细丝的长度方向与狭缝的长度方向一致，与所述第二目标物像中的色散方向垂直。

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

所述光探测器，用于获取所述第二逆反射光线所形成的色散像，并将所述第二逆反射光线所形成的色散像的光信号转换为对应的第一电信号，用于获取所述第三逆反射光线所成的色散像，并将所述第三逆反射光线所成的色散像的光信号转换为对应的第二电信号，以及用于将所述第一电信号和所述第二电信号发送至所述数据处理器；

所述数据处理器，用于对接收到的所述第一电信号和所述电信号进行模数转换后作差，得到所述目标待测光线的光谱数据。

10.根据权利要求9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，其位于所述第二逆反射光线所形成的色散像或所述第三逆反射光线所成的色散像的像面位置。