CN109708755B - 基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法，成像光谱仪包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；本发明所公开的成像光谱仪通过控制器件控制滤波器件，不同控制条件下同一个像素元所探测到的光强度互不相同，代入到矩阵方程计算光谱，可通过控制器件输出更多的控制参数，实现更高的光谱分辨率；由于阵列式探测芯片上的像素元数量较多，通过对待测目标进行区域划分，每个像素元都可以用来作为单独的探测器对待测成像区域的不同子单元区域进行光谱测量，因此光谱成像的空间分辨率较高。与传统成像光谱仪相比，本发明所公开的成像光谱仪体积较小，成本较低，性能较高。

Description

基于滤波效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法

技术领域

本发明涉及一种获得空间维和光谱维丰富信息的成像光谱仪及其光谱成像方法，可用于高空间分辨率和高光谱分辨率的遥感与成像技术领域。

背景技术

成像光谱仪可以获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息构成的数据立方体。随着超光谱成像技术的不断发展，星载超光谱成像将被应用在越来越多的领域，发展前景广阔。

它在军事上可用于识别各种伪装目标，探测大规模杀伤性武器的释放，调查武器生产、海军作战、打击效果评价、检测我军战略武器、基地的伪装效果、改进和发展我国的伪装技术。民用领域可应用于农作物长势和产量评估、作物类别调查和病虫害监测、林业遥感、海洋资源普查、水色水质变化、叶绿素和浮游生物含量分析、海岸带和海洋生态变化及海洋污染监测、地质资源调查、环境监测、洪涝、干旱、冰雹、林火和地震等多种灾害监测与灾情评估。

该技术除了主要的机载、星载遥感平台应用需求外，在很多近距战术观测平台上都有着巨大的潜在应用需求，因此研究适合需要的小型化、实用化、低成本的光谱成像仪器和相关探测方法具有重要意义，是成像光谱探测技术的一个重要研究趋势。而现有的便携式成像光谱仪多基于光栅色散方式实现光谱分光，光栅成本较高，且在光谱测量上存在光谱分辨率与空间分辨率难以兼顾等问题。

现有的商用成像光谱仪空间分辨率较低，一般为几十甚至几百米。如果采用现有成像光谱仪产品，人造卫星对地面进行遥感监测时，由于人造卫星上的成像光谱仪离地面较远，普通相机所拍摄的地面某个微小的像点可能就是需要监测的重要目标，该像点采用空间分辨率不够的商用成像光谱仪可能就无法监测。因此需要开发同时具有较高空间分辨率和光谱分辨率的成像光谱仪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种满足实际应用需要的、低成本、高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于滤波效应的成像光谱仪，包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；所述前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；

所述前置器件位于所述滤波器件之前，前置器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；

所述滤波器件可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，且相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出光的光强也不相同；

所述准直器件设置于所述滤波器件和阵列式探测芯片之间，使得滤波器件的不同部位所射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的像素元；

所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的像素元；

所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同；

所述数据计算与分析系统记录每一次控制条件下各像素元所测值，通过对不同控制条件下各像素元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，所述控制器件通过电调制、光调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变滤波器件中滤波孔或滤波缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变滤波器件与阵列式探测芯片内同一个像素元之间的相对位置或者放置角度，以上控制条件改变后阵列式探测芯片中同一个像素元所探测到的光强度会发生变化。

优选地，所述前置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，所述滤波器件和阵列式探测芯片之间距离小于阵列式探测芯片中相邻像素元之间距离，所述准直器件为空气。

优选地，所述成像光谱仪还包括设置于所述滤波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一切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。

本发明还揭示了一种基于滤波效应的成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，该方法包括以下步骤：

S1：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；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。

S2：令所述控制器件在不同时刻先后输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下从滤波器件射出光的光强分布互不相同，相应地所述阵列式探测芯片上第m个像素元在这n个控制参数的作用下可以分别探测到n个不同的光强度，第m个像素元先后所测的这n个不同的光强度分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I_m1,I_m2,…I_mn；

S3：假设第m个像素元所测到的光来自待测光谱成像区域内的第m个子单元区域所出的光，通过求解以下矩阵方程可得到待测光谱成像区域内的第m个子单元区域(m≤k，k代表像素元数量)发出的光中各中心频率为f₁,f₂,…f_n的频段的光分量的强度I_m(f₁),I_m(f₂),…

其中

为校准矩阵，

校准矩阵H中各单元H_mij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为中心频率为f_j的窄带校准光，经过控制器件第i个控制参数控制下的滤波器件后，所述阵列式探测芯片的第m个像素元所探测到的光强度，与中心频率为f_j的窄带校准光经过所述滤波器件之前光强度，分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；

S4：对I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测光谱成像区域内第m个子单元区域所发出光的光谱；

S5：阵列式探测芯片k个不同的像素元分别接收待测光谱成像区域k个不同子单元区域所发出的光，令m分别取1,2…k，采用以上步骤，求解多个矩阵方程，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、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。

优选地，在凸优化算法、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：该技术方案提出一种小型化、低成本、高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪及其光谱成像方法。

通过将待测光谱成像区域分成k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进行成像光谱测量。由于阵列式探测芯片上的像素元数量较多，而每个像素元都可以用来作为单独的探测器对待测成像区域的不同子单元区域进行光谱成像，因此光谱成像的空间分辨率较高。

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。

该装置在使用过程中可通过控制器件输出更多的控制参数，实现更高的光谱分辨率。

该装置制备工艺简单，不需要光栅等精密光学器件，与传统超光谱成像系统相比，本技术方案中的成像系统体积较小，成本较低，性能较高。

附图说明

图1为本发明的利用步进电机进行调制的成像光谱仪的三维结构原理示意图。

图2为本发明的利用步进电机进行调制的成像光谱仪的滤波器件的一种结构原理示意图。

图3为本发明的利用步进电机进行调制的成像光谱仪的滤波器件的另一种结构原理示意图。

图4为本发明的加入波长转换器件的成像光谱仪的结构原理示意图。

图5为待测光谱成像区域第m个子单元区域所发光的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△f,f_j是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I(f_j)。

附图说明：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，10为待测光谱成像区域，11为滤波器件中某个滤波面的第一个滤波部位，12为滤波器件中某个滤波面的第二个滤波部位，13为滤波器件中某个滤波面的第三个滤波部位，14为滤波器件，15为光波长转换部件，16为待测光谱成像区域所发的光，17为经过滤波器件后的滤波光，18为前置器件，19为准直器件，20为滤波膜，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，31为滤波器件中第一个滤波面，32为滤波器件中第二个滤波面，33为滤波器件中第三个滤波面，34为滤波器件中第四个滤波面，35为滤波器件中第五个滤波面，36为滤波器件中第k个滤波面，50为阵列式探测芯片，99为滤波器件中某个滤波面的第k个滤波部位，999为待测光谱成像区域第k个子单元区域，9999为阵列式探测芯片第k个像素元。

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。

本发明揭示了一种能获得空间维和光谱维丰富信息的基于滤波效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法，如图1所示，该成像光谱仪包括：前置器件18、滤波器件14、准直器件19、阵列式探测芯片50以及控制器件和数据计算与分析系统，控制器件和数据计算与分析系统在图1中未示出，所述前置器件18、滤波器件14、准直器件19、阵列式探测芯片50沿光路方向依次设置。

如图1所示，所述前置器件18位于所述滤波器件14前方，前置器件18使得待测光谱成像区域10内各不同部位所发出的其中一束光以固定角度入射到滤波器件14表面对应的不同部位，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°。滤波器件14可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，滤波器件14可以使得相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位后所透射出光的光强也不相同。

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。

所述准直器件19设置于滤波器件14和阵列式探测芯片50之间，所述准直器件19可以使滤波器件14的不同部位所发出的光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。

所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同。

具体地，在本技术方案中，所述前置器件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、三反射式物镜、双高斯物镜、反摄远物镜、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9间隙设置于第三凸透镜7和第四凸透镜8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。

当所述滤波器件和阵列式探测芯片之间距离小于阵列式探测芯片中相邻像素元之间距离时，也就是说当滤波器件紧贴着阵列式探测芯片的像素元表面时，也可以使得滤波器件各位置发出的光分别射到阵列式探测芯片的各个不同像素元，此时所述准直器件19可以空置。

作为一个实施例，所述滤波器件14是一个圆形透明基底并覆盖一系列滤波膜阵列，每一个滤波膜阵列组成一个滤波面。如图1和图2所示，滤波器件中有一系列滤波面，包括第一个滤波面31，第二个滤波面32，第三个滤波面33，第四个滤波面34，第五个滤波面35，…第k个滤波面36。控制器件采用步进电机，步进电机通过电和机械手段旋转滤波器件14，步进电机每次旋转滤波器件就有切换到相应的滤波面对入射光进行滤波，准直器件将其中一个滤波面上各个不同的滤波膜所透射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同的像素元，因此步进电机每旋转一次滤波器件14，阵列式探测芯片内不同的像素元都能接收到同一个滤波面内各个不同的滤波膜所透射的光，而且步进电机每次旋转就有不同滤波面内的不同滤波膜所射出的光射到同一个像素元上，，这些滤波膜的透射谱互不相同，且相邻滤波膜中心之间的间距等于相邻像素元中心之间的间距，所以阵列式探测芯片内同一个像素元在步进电机每次旋转时能探测到各不相同的光强，旋转次数越多成像光谱仪的光谱分辨率越高。

这些滤波膜可采用微波染色法、明胶染色法、喷墨打印法的其中一种方法制备。本实施例中，采用微波染色法制备光学彩色聚酯薄膜作为滤波膜，其制备方法如下：

(1)将聚酯原膜传输进入在水相稳定的分散染料悬浮液中，同时利用微波加热悬浮液进行着色，加热温度为80℃～85℃，着色时间在10秒～120秒之间；

(2)对着色的聚酯薄膜进行水洗，直至彻底洗去薄膜表面的染料分散剂，水洗液为含有质量比为0.1％～5％的表面活性剂；

(3)对水洗后的着色聚酯薄膜用溶剂进行再次清洗，溶剂为低沸点的有机溶剂，比较好的洗涤溶剂包括乙醇、丙酮或乙酸乙酷，考虑到毒副作用以及清洗效果，选择乙醇最佳；

(4)将经溶剂洗后的着色聚酯薄膜进行烘干，烘干温度130℃～170℃，烘干时间在10秒～120秒之间。

作为另一个实施例，如图3所示，所述滤波器件14是一个圆形透明基底并在其上杂乱无章分布有一系列量子点作为滤波膜20，这些量子点中心之间的距离小于或等于阵列式探测芯片内相邻像素元中心之间的距离。该量子点可采用文献[J.Bao and M.G.Bawendi,“A colloidal quantum dot spectrometer”,Nature 523,67(2015)]所用材料。也可以采用现有商用量子点显示器中所采用的量子点材料，这种材料的特性是：2nm大小的量子点可吸收长波的红色；8nm大小的量子点可吸收短波的蓝色。这一特性使得量子点材料能够改变其所透射光线的光谱。控制器件可采用步进电机或量子点电视机中控制显色的装置。如采用步进电机作为控制器件，步进电机通过电和机械手段旋转滤波器件14，步进电机每旋转一次滤波器件14，阵列式探测芯片内不同的像素元都能接收到各个不同的量子点所透射的光，而且步进电机每次旋转就有不同的量子点所射出的光射到同一个像素元上，所以阵列式探测芯片内同一个像素元在步进电机每次旋转时能探测到的各不相同的光强度，旋转次数越多成像光谱仪的光谱分辨率越高。

所述成像光谱仪还包括设置于所述滤波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。

本发明中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，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设置于滤波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，本发明优选将光波长转换部件15设置于滤波器件之后，如图4所示，该设置可使得光经过滤波器件后，不同波长的光经过滤波器件的相同位置后，阵列式探测芯片同一像素元所探测到的光强差异更加显著，从而有利于通过求解矩阵方程的方法复原出待测成像区域各位置处的光谱。

本发明成像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)(DMF)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15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k个子单元区域999，这些光束通过前置器件18后分别投射至滤波器件14中一个滤波面的表面各个部位，各个部位具体为：滤波面中第一个滤波膜11、滤波面中第二个滤波膜12、滤波面中第三个滤波膜13…滤波面中第k个滤波膜99，滤波器件14可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，从滤波器件14各个滤波膜射出的光17经过一个光波长转换部件15后，再通过准直器件19分别射到其后阵列式探测芯片50的第一个像素元21、第二个像素元22、第三个像素元23…第k个像素元9999，然后通过控制器件控制滤波器件，使得前置器件18射出的光分别投射到不同的滤波面上，接着通过数据计算与分析系统将某一个像素元所测数据去除背景噪声后代入到矩阵方程的增广矩阵中进行数据分析与处理，计算出某一个待测成像区域的子单元区域的光谱，最后通过将各个像素元所测的数据分别代入到各自的矩阵方程，通过求解多个矩阵方程，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。

下面总结一下本发明成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，该方法包括以下步骤：

S1：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，图5为待测光谱成像区域某个子单元区域所发光谱的频率划分示意图。如图5所示，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；图5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m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,f_j是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I_m(f_j)。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。

S2：令所述控制器件在不同时刻先后输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下从滤波器件射出光的光强分布互不相同，相应地所述阵列式探测芯片上第m个像素元在这n个控制参数的作用下可以分别探测到n个不同的光强度，第m个像素元先后所测的这n个不同的光强度分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I_m1,I_m2,…I_mn；

S3：假设第m个像素元所测到的光来自待测光谱成像区域内的第m个子单元区域所出的光，通过求解以下矩阵方程可得到待测光谱成像区域内的第m个子单元区域(m≤k，k代表像素元数量)发出的光中各中心频率为f₁,f₂,…f_n的频段的光分量的强度I_m(f₁),I_m(f₂),…

其中

为校准矩阵，校准矩阵H中各单元H_mij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为中心频率为f_j的窄带校准光，经过控制器件第i个控制参数控制下的滤波器件后，所述阵列式探测芯片的第m个像素元所探测到的光强度，与中心频率为f_j的窄带校准光经过所述滤波器件之前光强度，分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；

S4：对I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测光谱成像区域内第m个子单元区域所发出光的光谱；

S5：k个不同的像素元分别接收待测光谱成像区域k个不同子单元区域所发出的光，令m分别取1,2…k，采用以上步骤，求解多个矩阵方程，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。

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、模拟退火算法等数学优化算法的其中一种或其改进方法求解。

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，通过控制两个相邻解之间的距离，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 (9)

1.一种基于滤波效应的获得空间维和光谱维丰富信息的成像光谱仪，其特征在于：包括前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；所述前置器件、滤波器件、准直器件、阵列式探测芯片沿光路方向依次设置；采用高空间分辨率光谱成像方法实现高空间分辨率光谱成像；

所述前置器件位于所述滤波器件之前，前置器件使得待测光谱成像区域内各部位所发出的一束光以固定角度分别入射到滤波器件表面的不同部位，而将其它光滤除；

所述滤波器件可令入射光的能量部分地转化为其他能量形式，且相同频率相同强度的入射光经过滤波器件的不同部位滤波后所透射出光的光强不同，且不同频率相同强度的入射光经过滤波器件的相同部位滤波后所透射出光的光强也不相同；

所述准直器件设置于所述滤波器件和阵列式探测芯片之间，使得经过滤波器件的不同部位滤波后所透射出的光分别投射在阵列式探测芯片内不同位置处的像素元；

所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的像素元；

所述控制器件用于控制滤波器件，使得相同频率相同强度的入射光在控制器件不同控制条件下被阵列式探测芯片中的同一个像素元所探测到的强度互不相同；

所述成像光谱仪还包括设置于所述滤波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；

所述数据计算与分析系统记录每一次控制条件下各像素元所测值，通过对不同控制条件下各像素元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；

所述高空间分辨率光谱成像方法，包括以下步骤：

S1：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；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；

S2：令所述控制器件在不同时刻先后输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下从滤波器件射出光的光强分布互不相同，相应地所述阵列式探测芯片上第m个像素元在这n个控制参数的作用下可以分别探测到n个不同的光强度，第m个像素元先后所测的这n个不同的光强度分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I_m1,I_m2,…I_mn；

S3：假设第m个像素元所测到的光来自待测光谱成像区域内的第m个子单元区域所出的光，通过求解以下矩阵方程可得到待测光谱成像区域内的第m个子单元区域发出的光中各中心频率为f₁,f₂,…f_n的频段的光分量的强度I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)，m≤k，k代表像素元数量:

其中

为校准矩阵，

校准矩阵H中各单元H_mij为中心频率为f_j的窄带校准光，i＝1,2…n，j＝1,2…n，经过控制器件第i个控制参数控制下的滤波器件后，所述阵列式探测芯片的第m个像素元所探测到的光强度，与中心频率为f_j的窄带校准光经过所述滤波器件之前光强度，分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；

S4：对I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测光谱成像区域内第m个子单元区域所发出光的光谱；

S5：阵列式探测芯片k个不同的像素元分别接收待测光谱成像区域k个不同子单元区域所发出的光，令m分别取1,2…k，采用以上步骤，求解多个矩阵方程，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所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述控制器件通过电调制、光调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变滤波器件中滤波孔或滤波缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变滤波器件与阵列式探测芯片内同一个像素元之间的相对位置或者放置角度，以上控制条件改变后阵列式探测芯片中同一个像素元所探测到的光强度会发生变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述前置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。

4.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述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。

5.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述滤波器件和阵列式探测芯片之间距离小于阵列式探测芯片中相邻像素元之间距离，所述准直器件为空气。

6.根据权利要求1所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪，其特征在于：所述波长转换光学材料为一切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。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：将所述成像光谱仪所能探测的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；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；

S2：令所述控制器件在不同时刻先后输出n个控制参数，在这n个控制参数的作用下从滤波器件射出光的光强分布互不相同，相应地所述阵列式探测芯片上第m个像素元在这n个控制参数的作用下可以分别探测到n个不同的光强度，第m个像素元先后所测的这n个不同的光强度分别减去环境噪声后，得到一组数值，记为I_m1,I_m2,…I_mn；

S3：假设第m个像素元所测到的光来自待测光谱成像区域内的第m个子单元区域所出的光，通过求解以下矩阵方程可得到待测光谱成像区域内的第m个子单元区域发出的光中各中心频率为f₁,f₂,…f_n的频段的光分量的强度I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)，m≤k，k代表像素元数量:

其中

为校准矩阵，

校准矩阵H中各单元H_mij为中心频率为f_j的窄带校准光，i＝1,2…n，j＝1,2…n，经过控制器件第i个控制参数控制下的滤波器件后，所述阵列式探测芯片的第m个像素元所探测到的光强度，与中心频率为f_j的窄带校准光经过所述滤波器件之前光强度，分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；

S4：对I_m(f₁),I_m(f₂),…I_m(f_n)进行线性拟合，并经光谱定标，得到待测光谱成像区域内第m个子单元区域所发出光的光谱；

S5：阵列式探测芯片k个不同的像素元分别接收待测光谱成像区域k个不同子单元区域所发出的光，令m分别取1,2…k，采用以上步骤，求解多个矩阵方程，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。

8.根据权利要求7所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，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或正则化算法或遗传算法或交叉方向乘子法或模拟退火算法的数学优化算法的其中一种或其改进方法求解。

9.根据权利要求7所述的一种基于滤波效应的成像光谱仪的高空间分辨率光谱成像方法，其特征在于：在凸优化算法或正则化算法或遗传算法或交叉方向乘子法或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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