CN109708756A - 基于衍射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衍射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、衍射器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；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衍射光强度互不相同，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成像测量，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

基于衍射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

成像光谱仪主要功能是在获取大量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，因此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。目前成像光谱仪主要应用于高光谱航空遥感，同时也广泛应用于物证检验、军事、生物医学、安全检测等领域。

便携式的小型成像光谱仪将原有的仪器各个单元模块化，调整其内部的结构，使其具有体积小、质量轻、易于携带等突出的优点，同时价格相比较传统的大型成像光谱仪而言更加低廉，这使得便携式成像光谱仪具有巨大的市场潜力。

图像传感器制造工艺的提高、计算机行业的快速发展和新型光学元件的出现，使得成像光谱仪更加便携化、微型化，发展日渐成为成熟。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，但光栅成本较高，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。

随着人们对仪器设备的要求越来越高，成像光谱仪除了做到小型化以外，还需要具备低成本、高光谱和空间分辨率等特性，以满足各种各样的应用场合。比如采用成像光谱仪对生物组织切片样本进行分析时，患癌的组织未作出疾病标识，病理学家需要通过成像光谱仪观察细胞的形状和排列，识别出组织中的癌症特征。然而实际情况往往是恶性肿瘤细胞组织较小，无法通过普通的成像光谱仪把它与正常的红血球、健康细胞组织等区分开。再如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。而现有的商用成像光谱仪只注重提高光谱分辨率，其空间分辨率却较低(几十甚至几百米)，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：

一种基于衍射效应的成像光谱仪，包括前置器件、衍射器件、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、衍射器件、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衍射器件之前，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衍射器件表面的不同部位，而将其它光滤除；

所述衍射器件可令入射光发生衍射效应，且相同频率相同强度的入射光射到衍射器件的不同部位后所射出光具有不同的衍射光强角分布，且不同频率相同强度的入射光射到衍射器件的相同部位后所射出光的衍射光强角分布也不同；

所述准直器件设置于所述衍射器件和阵列式探测芯片之间，使得衍射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衍射器件，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，所述控制器件通过光调制、电调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变衍射器件中衍射孔或衍射缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射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，所述衍射器件由一系列不同大小或分布的衍射孔构成，所述控制器件采用步进电机，所述步进电机通过电和机械手段旋转衍射器件，所述步进电机每次旋转衍射器件阵列式探测芯片内同一个像素元探测到的衍射光强度互不相同。

优选地，所述成像光谱仪还包括设置于所述散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衍射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衍射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衍射器件后，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衍射器件之前光强度，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衍射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衍射器件的另一种结构原理示意图。

图4为本发明的利用光强调制器进行调制的成像光谱仪的结构原理示意图。

图5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6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为衍射器件中某个衍射面的第一个衍射部位，12为衍射器件中某个衍射面的第二个衍射部位，13为衍射器件中某个衍射面的第三个衍射部位，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光，17为经过衍射器件后的衍射光，18为前置器件，19为准直器件，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，31为衍射器件中第一个衍射面，32为衍射器件中第二个衍射面，33为衍射器件中第三个衍射面，34为衍射器件中第四个衍射面，35为衍射器件中第五个衍射面，36为衍射器件中第k个衍射面，50为阵列式探测芯片，99为衍射器件中某个衍射面的第k个衍射部位，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衍射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、衍射器件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、衍射器件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位于所述衍射器件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衍射器件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°。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，所述准直器件19可以令沿着从衍射器件14衍射面中心到阵列式探测芯片50中心连线相同方向传输的光通过，而将沿其它方向传输的光滤除。因此，它可以使衍射器件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。

所述控制器件用于控制衍射器件，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。

作为一个实施例，所述衍射器件14是一个圆形透明基底并覆盖有金属薄膜，金属薄膜中分布有衍射孔阵列，每一个小孔阵列组成一个衍射面。如图1和图2所示，衍射器件中有一系列衍射面，包括第一个衍射面31，第二个衍射面32，第三个衍射面33，第四个衍射面34，第五个衍射面35，…第k个衍射面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衍射器件14，步进电机每次旋转衍射器件就有切换到相应的衍射面对入射光进行衍射，准直器件将其中一个衍射面上各个不同的衍射孔所射出的衍射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衍射器件14，阵列式探测芯片内不同的像素元都能接收到同一个衍射面内各个不同的衍射孔所透射的光，而且步进电机每次旋转就有不同衍射面内的不同衍射孔所射出的光射到同一个像素元上，这些衍射孔的孔径为待测目标所发光波长的0.3-5倍之间，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衍射光强度，旋转次数越多成像光谱仪的光谱分辨率越高。

作为另一个实施例，如图3所示，所述衍射器件14是一个圆形透明基底并覆盖有金属薄膜，金属薄膜中有分布无序、大小形状也无序的一系列衍射孔20或衍射缝，这些衍射孔或衍射缝之间的距离小于或等于阵列式探测芯片内相邻像素元之间的距离，衍射孔或衍射缝的大小与待测成像区域所发出的光的波长相当，衍射孔的孔径为待测目标所发光波长的0.3-5倍之间。控制器件采用步进电机，步进电机通过电和机械手段旋转衍射器件14，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衍射光强度，旋转次数越多成像光谱仪的光谱分辨率越高。

作为第三个实施例，衍射器件14由透明基底、本征半导体薄膜和金属层构成，由前置器件射出的光依次经过透明基底、本征半导体薄膜和金属层，金属层中有分布无序、大小形状也无序的一系列衍射孔或衍射缝，这些衍射孔或衍射缝之间的距离小于阵列式探测芯片内相邻像素元之间的距离，衍射孔或衍射缝的大小与待测成像区域所发出的光的波长相当，衍射孔的孔径一般在待测目标所发光波长的0.3-5倍之间。如图4所示，采用另一个高功率光源和光强调制器作为控制器件25，该高功率光源所发出的光(其频率不在成像光谱仪所能探测的频率范围)透过金属层中的小孔或小缝照射半导体层，使得半导体产生光生载流子。由于光生载流子的产生，使得半导体的载流子浓度发生变化，从而其介电常数发生变化，因此半导体的折射率会发生变化。根据衍射原理，当半导体折射率发生变化时，与半导体紧邻的孔或者缝产生的衍射光光强分布就会发生变化。因此使用光强调制器调制高功率光源以改变照射到金属小孔后半导体薄膜的光强，从而改变衍射器件各位置处所发出的衍射光的光强分布，也会使得阵列式探测芯片中同一个像素元在光强调制器不同控制条件下所探测到的光强度发生变化。

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，本发明优选将光波长转换部件15设置于衍射器件之后，如图5所示，该设置可使得光经过衍射器件后，不同波长的光经过衍射器件的相同位置后，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后分别投射至衍射器件14中一个衍射面的表面各个部位，各个部位具体为：衍射面中第一个衍射部位11、衍射面中第二个衍射部位12、衍射面中第三个衍射部位13…衍射面中第k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衍射器件，使得前置器件18射出的光分别投射到不同的衍射面上，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6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6所示，各频率段的中心频率为f₁,f₂,…f_n；图6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衍射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衍射器件后，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衍射器件之前光强度，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 (10)

1.一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：包括前置器件、衍射器件、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、衍射器件、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衍射器件之前，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衍射器件表面的不同部位，而将其它光滤除；

所述衍射器件可令入射光发生衍射效应，且相同频率相同强度的入射光射到衍射器件的不同部位后所射出光具有不同的衍射光强角分布，且不同频率相同强度的入射光射到衍射器件的相同部位后所射出光的衍射光强角分布也不同；

所述准直器件设置于所述衍射器件和阵列式探测芯片之间，使得衍射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衍射器件，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。

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：所述控制器件通过光调制、电调制、机械调制、磁调制、超声调制或者以上调制方法的组合，以改变衍射器件中衍射孔或衍射缝的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变衍射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所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，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所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，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所述的一种基于衍射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述衍射器件由一系列不同大小或分布的衍射孔构成，所述控制器件采用步进电机，所述步进电机通过电和机械手段旋转衍射器件，所述步进电机每次旋转衍射器件阵列式探测芯片内同一个像素元探测到的衍射光强度互不相同。

6.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：所述成像光谱仪还包括设置于所述散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。

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，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。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于衍射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衍射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),…I_m(f_n)：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衍射器件后，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衍射器件之前光强度，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。

9.根据权利要求8所述的一种基于衍射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、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。

10.根据权利要求8所述的一种基于衍射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、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。