CN109556716B - 一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法，该成像光谱仪包括第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片及与阵列式探测芯片连接的数据计算与分析系统，第一准直器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的其中一束光以固定角度入射到衍射器件表面的不同部位；衍射器件用于令入射到衍射器件的光发生衍射效应，使得不同频率相同强度的入射光经过衍射器件的相同部位后所发射出的衍射光具有不同的衍射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过衍射器件的不同部位所发射出衍射光的光强角分布也不同。通过将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，可分别利用阵列式探测芯片上不同的像素元区域实时进行成像光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法，可用于遥感与成像技术领域。
背景技术
成像光谱仪是新一代传感器，它是以多路、连续并具有高(超)光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个至几千个波段的地物反射光谱图像。它在20世纪80年代初正式开始研制。研制这类仪器的主要目的是想在获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据。目前成像光谱仪主要应用于高(超)光谱航空遥感。成像光谱仪的构造与CCD线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。
成像光谱仪按其结构的不同，可分为两种类型。一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪，它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描。利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪，它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。然而，传统的成像光谱仪中光栅制作精度要求较高，并且光栅体积较大，因此研究小型化、低成本、实时测量的成像光谱仪和相关探测方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于衍射效应的成像光谱仪，包括第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片电性连接的数据计算与分析系统，所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；
所述第一准直器件位于所述衍射器件之前，第一准直器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的光的其中一束以固定角度入射到衍射器件表面的各部位，而将其它光滤除；
所述衍射器件用于令入射到衍射器件的光发生衍射效应，衍射器件使得不同频率相同强度的入射光经过衍射器件的相同部位后所透射出的衍射光具有不同的衍射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过衍射器件的不同部位所透射出衍射光的光强角分布也不同；
所述第二准直器件设置于所述衍射器件和阵列式探测芯片之间，第二准直器件用于令沿着从衍射器件中心到阵列式探测芯片中心连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且使衍射器件的不同部位所发出的衍射光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的光探测像素元，
所述数据计算与分析系统对光探测像素元所探测到的数据进行分析处理得到待测光谱成像区域的光谱成像。
优选地，所述第一准直器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，待测光谱成像区域所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处。
优选地，所述第二准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。
优选地，所述成像光谱仪还包括设置于所述衍射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。
优选地，所述衍射器件包括构建在透明基底其中一个表面上的不透明挡光层中的一系列衍射孔或衍射缝，所述一系列衍射孔或衍射缝具有不同孔径尺寸大小或不同缝宽且在挡光层中随机分布，各衍射孔或衍射缝的深度与挡光层厚度相同。
优选地，所述衍射器件中的各衍射孔或衍射缝的孔径尺寸或缝宽与信号光波长接近，孔径尺寸或缝宽的范围在信号光波长的0.3-5倍之间。
优选地，所述阵列式探测芯片为CCD或CMOS，所述光波长转换部件设置于衍射器件之后。
本发明还揭示了一种基于衍射效应的成像光谱仪的高光谱成像方法，该方法包括以下步骤：
S1：将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，m为整数，因为m数目一般较大，每个子单元区域所发出的光强度视为均匀，光谱曲线也相同，每个子单元区域发出的光依次经所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件，或依次经所述第一准直器件、衍射器件、光波长转换部件、第二准直器件，最终照射在阵列式探测芯片的n个光探测像素元上，而不同子单元区域所发出的光经过衍射器件上不同的衍射部位衍射，最终被阵列式探测芯片不同像素元区域内的像素元所探测，其中第k个子单元区域发出的光经过衍射后被n个像素元所探测到的光强值，记为I1，I2，...In，上述m、n、k均为整数；
S2：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，各频率段的中心频率为f1，f2，...fn；成像光谱仪所能探测的频率范围按照以下方法确定：从光波长转换部件所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及阵列式探测芯片所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述成像光谱仪所能探测的频率范围；
S3：通过求解以下矩阵方程，得到第k个子单元区域发出的光中各中心频率为f1，f2，...fn的频段的光分量的强度I(f1)，I(f2)，...I(fn)：
校准矩阵H中各单元Hij(i＝1，2...n)(j＝1，2...n)为中心频率为fj的窄带校准光在经过所述衍射器件后所述阵列式探测芯片对应位置的n个像素元中第i个像素元所探测到的光强度与中心频率为fj的窄带校准光经过所述衍射器件之前光强度的比值，通过实验预先测得；
S4：对I(f1)，I(f2)，...I(fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到第k个子单元区域入射光的光谱；
S5：分别取k＝1，2...m，多次重复以上步骤，通过分别求解上述矩阵方程，即可分别得到待测光谱成像区域各个子单元区域的光谱，在得到空间维的光谱信息后，通过将所得结果进行计算和处理，即可得到待测光谱成像区域所发各频率光的像。
优选地，在所述S3步骤中的矩阵方程可通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法中的其中一种进行求解；在凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法的基础上加入光滑系数项，使得所述S4步骤中拟合得到的光谱曲线更加平顺光滑。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
通过将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，可以分别利用阵列式探测芯片上不同的像素元区域实时进行成像光谱测量。通过控制探测子单元区域的大小，就可以控制成像光谱仪的光谱分辨率和空间分辨率。
该装置在使用过程中可通过选择合适的波长转换光学材料，或选择合适的阵列式探测芯片，使得成像光谱仪的频谱测量范围较宽。
该装置制备工艺简单，不需要精密光学器件，与传统光谱成像仪相比，本专利中的成像光谱仪的体积较小，成本较低，性能较高。
附图说明
图1为本发明的一种基于衍射效应的成像光谱仪的结构原理示意图。
图2为本发明的圆孔型衍射器件横截面示意图。
图3为本发明的狭缝型衍射器件横截面示意图。
图4为待测光谱成像区域内某个子单元区域所发光谱在成像光谱仪所能探测的频率范围内的频率划分示意图；其中，横坐标表示频率，纵坐标是光谱强度；用微积分的方法把成像光谱仪所能探测的频率范围划分成n等份，每一份取其中心频率，每一份的频宽为Δf，fj是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I(fj)。
附图说明：10为待测光谱成像区域，1为待测光谱成像区域第一个子单元区域，2为待测光谱成像区域第二个子单元区域，3为待测光谱成像区域第三个子单元区域，4为第一凸透镜，5为第二凸透镜，6为第一小孔光阑，7为第三凸透镜，8为第四凸透镜，9为第二小孔光阑，11为衍射器件中第一个衍射部位，12为衍射器件中第二个衍射部位，13为衍射器件中第三个衍射部位，14为衍射器件，15为光波长转换部件，16为待测光谱成像区域所发的射到衍射器件表面不同部位的入射光，17为经过衍射器件后的衍射光，18第一准直器件，19为第二准直器件，20为衍射孔，21为阵列式探测芯片第一个像素元区域，22为阵列式探测芯片第二个像素元区域，23为阵列式探测芯片第三个像素元区域，24为前置入射光学组件，50为阵列式探测芯片，99为衍射器件中第m个衍射部位，999为待测光谱成像区域第m个子单元区域，9999为阵列式探测芯片第m个像素元区域。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于衍射效应的成像光谱仪，如图1所示，该成像光谱仪包括第一准直器件18、衍射器件14、第二准直器件19、阵列式探测芯片50，以及与所述阵列式探测芯片50电性连接的数据计算与分析系统，数据计算与分析系统在图1中未示出，所述准直器件18、衍射器件14、第二准直器件19、阵列式探测芯片50沿光路方向依次设置。
所述第一准直器件18位于所述衍射器件14之前，第一准直器件使得待测光谱成像区域内各不同部位所发出的其中一束光以固定角度入射到衍射器件表面对应的的不同部位，而将其它光滤除，在本技术方案中，该固定角度的范围为-90°～90°。所述衍射器件14用于令入射到衍射器件14的光发生衍射效应，衍射器件14可以使得不同频率相同强度的入射光经过衍射器件的相同部位后所透射出衍射光具有不同的衍射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过衍射器件的不同部位所透射出衍射光的光强角分布也不同。
所述阵列式探测芯片50包括一系列具有相同频谱响应的光探测像素元，所述阵列式探测芯片50为CCD或CMOS，CCD为电荷耦合器件，CMOS互补金属氧化物半导体，在本技术方案中，所述阵列式探测芯片50优选为CCD。
所述第二准直器件19设置于所述衍射器件14和阵列式探测芯片50之间，第二准直器件19可以令沿着从衍射器件14中心到阵列式探测芯片50中心连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且可以使衍射器件14的不同部位所发出的衍射光17分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的光探测像素元，所述数据计算与分析系统对光探测像素元所探测到的数据进行分析处理，最终运用求解多个矩阵方程的方法得到待测光谱成像区域的光谱成像。
具体地，在本技术方案中，所述第一准直器件18包括前置入射光学组件24、第一凸透镜4、第一小孔光阑6和第二凸透镜5，所述第一小孔光阑6的透光间隙设置于第一凸透镜4和第二凸透镜5之间的共同焦点处，所述第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合。所述前置入射光学组件24，可以采用大相对孔径连续变焦前置物镜、可调谐反射镜组、变焦液体透镜组、凹透镜、MEMS微镜、自动调焦液晶透镜组等一切现有或将有的光学器件或其组合，使得待测光谱成像区域各处所发出光照射到前置入射光学组件24后射出的其中一束光平行于第一凸透镜4和第二凸透镜5的主光轴。如果采用凹透镜作为前置入射光学组件24，待测光谱成像区域10内各处射向凹透镜的焦点的光经过凹透镜后将折射成平行光，该平行光平行于第一凸透镜4和第二凸透镜5的主光轴。作为优选方案，该前置入射光学组件24还可以通过调节前置入射光学组件24中透镜或者反射镜的焦距等方式改变成像光谱仪的视场角，从而使得成像光谱仪可以通过调节前置入射光学组件调控单次成像的空间范围。
所述第二准直器件19包括第三凸透镜7、第二小孔光阑9和第四凸透镜8，所述第二小孔光阑8间隙设置于第三凸透镜7和第四凸透镜9之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。
如图2所示，在本技术方案中，所述衍射器件14包括衍射孔20，衍射孔20的大小、形状或分布在衍射器件中为不均匀设置。本发明中，衍射器件14用于令入射到衍射器件的光之间发生衍射效应，衍射器件14可以使得不同频率相同强度的入射光经过衍射器件的相同部位后所透射出衍射光具有不同的衍射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过衍射器件的不同部位所透射出衍射光的光强角分布也不同。
衍射器件14一般采用简单并且易于制备的结构，图2和图3分别为圆孔型衍射器件和狭缝型衍射器件的横截面示意图。该衍射器件采用构建在透明基底其中一个表面上的不透明挡光层中的一系列衍射孔或衍射缝构成，所述一系列衍射孔或衍射缝具有不同孔径尺寸大小或不同缝宽且在挡光层中随机分布，各衍射孔或衍射缝的深度与挡光层厚度相同。根据圆孔衍射或狭缝衍射的公式，衍射光强的角分布与入射光的波长以及孔径尺寸大小或缝宽尺寸大小相关，因此其后的阵列式探测芯片CCD中的各像素元就探测到不同的衍射光强，这样就可通过将阵列式探测芯片某一区域(21或22或23或...99)内的像素元所测数据代入到矩阵方程的增广矩阵中，并通过事先测得的系数矩阵数据，经求解矩阵方程从而复原出目标区域内其中一个子单元区域的光谱，然后通过将CCD不同区域内(21，22，23，...99)像素元的数据分别代入到不同的矩阵方程，接着求解这一系列矩阵方程，就可以分别得到整个待测光谱成像区域不同单元所发出光的光谱。
所述成像光谱仪还包括设置于所述衍射器件之前或之后的光波长转换部件15，所述光波长转换部件15包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合。
本发明所使用的波长转换材料，可以是一切具有吸收一种波长的光发射另一种波长的特性的材料，比如上转换发光材料、下转换发光材料等，或这些材料的组合。斯托克斯定律认为某些材料可以受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，即就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光，比如紫外线激发发出可见光，这样的材料就是下转换发光材料。相反，有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光，这样的材料称为上转换发光材料。
本发明所采用的光波长转换部件15设置于衍射器件之前或之后均可实现光谱测量范围的拓展，但考虑到多数现有波长转换发光材料的发射光谱带宽较窄，为了使得光经过衍射器件后，不同频率的光在阵型式探测芯片表面的光强分布差异更加显著，从而有利于通过求解矩阵方程的方法复原出光谱，本发明优选将光波长转换部件15设置于分光器件之后，即位于衍射器件与阵列式探测芯片之间。
本发明宽频光谱仪中的波长转换光学材料可采用现有或将有的各种上转换或下转换材料，只要满足部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，而发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内，则均可有效扩展光谱仪的测量范围。比如可采用一种下转换光学材料(MOF)Eu3(MFDA)4(NO3)(DME)3(H2MFDA＝9，9-dimethylfluorene-2，7-dicarboxylic acid)[Xinhui Zhou et al，A microporousluminescent europium metal-organic framework for nitro explosive sensing，Dalton Trans.，2013，42，5718-5723]，其吸收光谱范围大约是在250nm～450nm，发射光谱范围大约是在590nm～640nm，假如阵列式探测芯片采用型号为SONY-ICX285AL的CCD芯片，它的探测波段大约是400nm～1000nm。所以采用上述下转换光学材料制成的光波长转换部件，可使得成像光谱仪的波长探测范围扩展约至250nm～1000nm，比探测阵列芯片本身的探测波长范围更宽。
亦可采用上转换光学材料制成光波长转换部件，比如采用龙彩科技(HCP)生产的型号为HCP-IR-1201中红外显示卡，该中红外显示卡使用上转换发光材料制成，0.3mW的红外光照射即可激发出可见光，有效光激发波段主要在700nm～10600nm，发光强度与激发功率呈正比增长关系。假如阵列式探测芯片采用型号为SONY-ICX285AL的CCD芯片，它的探测波段大约是400nm～1000nm，所以采用上述中红外显示卡作为光波长转换部件，可使得成像光谱仪的波长探测范围扩展约至400nm～10600nm，比探测阵列芯片本身的探测波长范围更宽。
本发明中光波长转换部件不是必需器件，当成像光谱仪没有采用光波长转换部件时，该成像光谱仪的波长探测范围即为所采用的阵列式探测芯片的波长响应范围。采用光波长转换部件的目的仅仅是为了拓展成像光谱仪的波长探测范围，但没有光波长转换部件也同样可以进行超光谱成像。
下面总结一下本实施例所述超光谱成像系统的光谱成像过程：待测光谱成像区域中各个子单元区域发出光束，各个子单元区域具体为：第一个子单元区域1、第二个子单元区域2、第三个子单元区域3…第m个子单元区域999，这些光束通过第一光学准直器件18后分别投射至衍射器件14表面各个部位，各个部位具体为：衍射器件中第一个衍射部位11、衍射器件中第二个衍射部位12、衍射器件中第三个衍射部位13…衍射器件中第m个衍射部位99，衍射器件14可令入射光发生衍射效应，从衍射器件14透射出的衍射光17经过一个光波长转换部件15后，再通过第二光学准直器件19分别射到其后阵列式探测芯片50的第一个像素元区域21、第二个像素元区域22、第三个像素元区域23…第m个像素元区域9999，再由以上各像素元区域内的各个像素元所探测，最后信号处理单元对各像素元所测数据进行数据分析与处理。
本发明还揭示了一种成像光谱仪的高光谱成像方法，该方法包括以下步骤：
S1：将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，m为整数，因为m数目一般较大，每个子单元区域所发出的光强度视为均匀，光谱曲线也相同，每个子单元区域发出的光依次经所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件，或依次经所述第一准直器件、衍射器件、光波长转换部件、第二准直器件，最终照射在阵列式探测芯片的n个光探测像素元上，而不同子单元区域所发出的光经过衍射器件上不同的衍射部位衍射，最终被阵列式探测芯片不同像素元区域内的像素元所探测，其中第k个子单元区域发出的光经过衍射后被n个像素元所探测到的光强值，记为I1，I2，...In，上述m、n、k均为整数；
S2：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段。图3为待测光谱成像区域域某个子单元区域所发光谱的频率划分示意图。如图3所示，各频率段的中心频率为f1，f2，...fn。
图4中，横坐标表示频率，纵坐标是光谱强度；用微积分的方法把待测光谱成像区域第k个子单元区域所发光谱在成像光谱仪所能探测的频率范围内按照频率划分成n等份，每一份取其中心频率，每一份的频宽为Δf，fj是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I(fj)。
成像光谱仪所能探测的频率范围按照以下方法确定：从光波长转换部件所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及阵列式探测芯片所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述成像光谱仪所能探测的频率范围。
S3：通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法等数学优化算法的其中一种或其改进方法求解以下矩阵方程，得到第k个子单元区域发出的光中各中心频率为f1，f2，...fn的频段的光分量的强度I(f1)，I(f2)，...I(fn)：
校准矩阵H中各单元Hij(i＝1，2...n)(j＝1，2...n)为中心频率为fj的窄带校准光在经过所述衍射器件后所述阵列式探测芯片对应位置的n个像素元中第i个像素元所探测到的光强度与中心频率为fj的窄带校准光经过所述衍射器件之前光强度的比值，通过实验预先测得；
S4：对I(f1)，I(f2)，...I((fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到第k个子单元区域入射光的光谱。
S5：分别取k＝1，2...m多次重复以上步骤，通过分别求解上述矩阵方程，即可分别得到待测光谱成像区域各个子单元区域的光谱，在得到空间维的光谱信息后，通过将所得结果进行计算和处理，即可得到待测光谱成像区域所发各频率光的像。
上述矩阵方程可通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法等数学优化算法中的其中一种进行求解，也可以对现有数学优化方法进行进一步改进，使其更适合本发明中的应用，比如在现有算法中加入光滑系数等优化项，使得S4步骤中拟合得到的光谱线更加平顺光滑。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：包括第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片，以及与所述阵列式探测芯片电性连接的数据计算与分析系统，所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；采用基于衍射效应的成像光谱仪的高光谱成像方法实现实时高光谱成像；
所述第一准直器件位于所述衍射器件之前，第一准直器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的其中一束光以固定角度入射到衍射器件表面的不同部位，而将其它光滤除；所述第一准直器件包括前置入射光学组件、第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，待测光谱成像区域所发出的光射向所述前置入射光学组件后出射的其中一束光平行于第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴，所述第一小孔光阑间隙设置于第一凸透镜和第二凸透镜之间的共同焦点处；
所述衍射器件用于令入射到衍射器件的光发生衍射效应，衍射器件使得不同频率相同强度的入射光经过衍射器件的相同部位后所透射出的衍射光具有不同的衍射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过衍射器件的不同部位所透射出衍射光的光强角分布也不同；
所述成像光谱仪还包括设置于所述衍射器件之前或之后的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内；所述波长转换光学材料为具有吸收一种波长的光，并发射其它不同波长光的特性的材料，或这些材料的组合；
所述第二准直器件设置于所述衍射器件和阵列式探测芯片之间，第二准直器件用于令沿着从衍射器件中心到阵列式探测芯片中心连线方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除，并且使衍射器件的不同部位所发出的衍射光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的光探测像素元；
所述数据计算与分析系统对光探测像素元所探测到的数据进行分析处理得到待测光谱成像区域的光谱成像；
所述基于衍射效应的成像光谱仪的高光谱成像方法，包括以下步骤：
S1：将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，m为整数，因为m数目一般较大，每个子单元区域所发出的光强度视为均匀，光谱曲线也相同，每个子单元区域发出的光依次经所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件，或依次经所述第一准直器件、衍射器件、光波长转换部件、第二准直器件，最终照射在阵列式探测芯片的n个光探测像素元上，而不同子单元区域所发出的光经过衍射器件上不同的衍射部位衍射，最终被阵列式探测芯片不同像素元区域内的像素元所探测，其中第k个子单元区域发出的光经过衍射后被n个像素元所探测到的光强值，记为I1，I2，...In，上述m、n、k均为整数；
S2：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，各频率段的中心频率为f1，f2，...fn；成像光谱仪所能探测的频率范围按照以下方法确定：从光波长转换部件所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及阵列式探测芯片所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述成像光谱仪所能探测的频率范围；
S3：通过求解以下矩阵方程，得到第k个子单元区域发出的光中各中心频率为f1，f2，...fn的频段的光分量的强度I(f1)，I(f2)，...I(fn)：
校准矩阵H中各单元Hij(i＝1，2...n)(j＝1，2...n)为中心频率为fj的窄带校准光在经过所述衍射器件后所述阵列式探测芯片对应位置的n个像素元中第i个像素元所探测到的光强度与中心频率为fj的窄带校准光经过所述衍射器件之前光强度的比值，通过实验预先测得；
S4：对I(f1)，I(f2)，...I(fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到第k个子单元区域入射光的光谱；
S5：分别取k＝1，2...m，多次重复以上步骤，通过分别求解上述矩阵方程，即可分别得到待测光谱成像区域各个子单元区域的光谱，在得到空间维的光谱信息后，通过将所得结果进行计算和处理，即可得到待测光谱成像区域所发各频率光的像。
2.根据权利要求1所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述第二准直器件包括第三凸透镜、第二小孔光阑和第四凸透镜，所述第二小孔光阑间隙设置于第三凸透镜和第四凸透镜之间的共同焦点处，所述第三凸透镜和第四凸透镜的主光轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述衍射器件包括构建在透明基底其中一个表面上的不透明挡光层中的一系列衍射孔或衍射缝，所述一系列衍射孔或衍射缝具有不同孔径尺寸大小或不同缝宽且在挡光层中随机分布，各衍射孔或衍射缝的深度与挡光层厚度相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述衍射器件中的各衍射孔或衍射缝的孔径尺寸或缝宽与信号光波长接近，孔径尺寸或缝宽的范围在信号光波长的0.3-5倍之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述阵列式探测芯片为CCD或CMOS，所述光波长转换部件设置于衍射器件之后。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪的高光谱成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，m为整数，因为m数目一般较大，每个子单元区域所发出的光强度视为均匀，光谱曲线也相同，每个子单元区域发出的光依次经所述第一准直器件、衍射器件、第二准直器件，或依次经所述第一准直器件、衍射器件、光波长转换部件、第二准直器件，最终照射在阵列式探测芯片的n个光探测像素元上，而不同子单元区域所发出的光经过衍射器件上不同的衍射部位衍射，最终被阵列式探测芯片不同像素元区域内的像素元所探测，其中第k个子单元区域发出的光经过衍射后被n个像素元所探测到的光强值，记为I1，I2，...In，上述m、n、k均为整数；
S2：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频宽为Δf的频率段，各频率段的中心频率为f1，f2，...fn；成像光谱仪所能探测的频率范围按照以下方法确定：从光波长转换部件所包含的所有波长转换光学材料的吸收光谱以及阵列式探测芯片所能探测的频率范围中选出频率最大值和频率最小值，所述频率最大值和频率最小值之间的频率范围即为所述成像光谱仪所能探测的频率范围；
S3：通过求解以下矩阵方程，得到第k个子单元区域发出的光中各中心频率为f1，f2，...fn的频段的光分量的强度I(f1)，I(f2)，...I(fn)：
校准矩阵H中各单元Hij(i＝1，2...n)(j＝1，2...n)为中心频率为fj的窄带校准光在经过所述衍射器件后所述阵列式探测芯片对应位置的n个像素元中第i个像素元所探测到的光强度与中心频率为fj的窄带校准光经过所述衍射器件之前光强度的比值，通过实验预先测得；
S4：对I(f1)，I(f2)，...I(fn)进行线性拟合，并经光谱定标，得到第k个子单元区域入射光的光谱；
S5：分别取k＝1，2...m，多次重复以上步骤，通过分别求解上述矩阵方程，即可分别得到待测光谱成像区域各个子单元区域的光谱，在得到空间维的光谱信息后，通过将所得结果进行计算和处理，即可得到待测光谱成像区域所发各频率光的像。
7.根据权利要求6所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪的高光谱成像方法，其特征在于：在所述S3步骤中的矩阵方程可通过凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法中的其中一种进行求解；在凸优化算法、Tikhonov正则化算法、L1范数正则化算法、遗传算法、交叉方向乘子法、模拟退火算法的基础上加入光滑系数项，使得所述S4步骤中拟合得到的光谱曲线更加平顺光滑。
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