CN109708757A - 基于散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散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、散射器件、准直器件、阵列式探测芯片、控制器件、数据计算与分析系统；本发明所公开的成像光谱仪通过控制器件控制散射器件，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

基于散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

现代光学测试分析方法中，成像和光谱技术占有重要地位，而成像光谱仪能同时实现目标物体图像和光谱分布探测，将成像和光谱分析拓展到新的应用领域。成像光谱仪根据采集波长间隔的不同可以同时采集不同数量的灰度图像，各个光谱通道的灰度图像分别包含了该波段的目标物的光谱信息。因此可以获得全探测波段的图像信息和光谱信息，通常将其称为“数据立方体”。

成像光谱仪这种兼具采集图像和光谱信息的特点，使其能同时获得目标物组成成分、表面结构等信息，使探测和分析更加准确，因此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、IC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分光方式实现光谱分光，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，因此需要开发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：

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

所述散射器件可令入射光发生散射效应，且相同频率相同强度的入射光射到散射器件的不同部位后所射出光具有不同的强度角分布，且不同频率相同强度的入射光射到散射器件的相同部位后所射出光的强度角分布也不同；

所述准直器件设置于所述散射器件和阵列式探测芯片之间，使得入射到散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散射器件，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、机械调制或者以上调制方法的组合，以改变散射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散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，所述散射器件包括透明基底及分布在透明基底表面或者内部的散射粒子，散射粒子的大小、形状或分布在散射器件中为不均匀设置。

优选地，所述散射器件中的散射粒子为银粒子，所述散射器件的制备方法如下：

S1：将体积为50m1浓度为1.0×10^-2mol·L^-1的AgNO₃按照1：9的比例与水混合，将混合液搅拌并加热至沸腾；然后注入l0ml百分比浓度为l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热，使其保持沸腾状态40分钟，得到银胶体，冷却至室温备用；

S2：对基底进行清洗并干燥，将干燥后的基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟后再次进行清洗并干燥，得到表面覆盖有PDDA的基底；

S3：将表面覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，然后取出清洗并干燥。

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。

优选地，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散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散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散射器件后，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散射器件之前光强度，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为本发明的利用机械调制的成像光谱仪的三维结构原理示意图。

图2为本发明的利用正向散射的成像光谱仪的结构原理示意图。

图3为本发明的利用反向散射的成像光谱仪的结构原理示意图。

图4为本发明的散射原理示意图。

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为散射器件中某个散射面的第一个散射部位，12为散射器件中某个散射面的第二个散射部位，13为散射器件中某个散射面的第三个散射部位，14为散射器件，15为光波长转换部件，16为待测光谱成像区域所发的光，17为经过散射器件后的散射光，18为前置器件，19为准直器件，20为散射粒子，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为散射器件中第一个散射面，32为散射器件中第二个散射面，33为散射器件中第三个散射面，34为散射器件中第四个散射面，35为散射器件中第五个散射面，36为散射器件中第k个散射面，50为阵列式探测芯片，99为散射器件中某个散射面的第k个散射部位，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散射效应的成像光谱仪及其高空间分辨率光谱成像方法，如图1所示，该成像光谱仪包括：前置器件18、散射器件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、散射器件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位于所述散射器件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散射器件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°。所述散射器件14用于令入射到散射器件14的光发生散射效应，散射器件14可以使得不同频率相同强度的入射光经过散射器件的相同部位后所透射出散射光具有不同的散射光强角分布，且相同频率相同强度的入射光经过散射器件的不同部位所透射出散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设置于所述散射器件14和阵列式探测芯片50之间，所述准直器件19可以令沿着从散射器件14散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，它可以使散射器件14的不同部位所发出的散射光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散射器件，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。

作为第一个实施例，所述散射器件14包括圆形透明基底及分布在透明基底表面的k个散射面，这里k是阵列式探测芯片上像素元的个数。每个散射面上分布有散射粒子20。所述透明基底使用玻璃或二氧化硅等透明材料制成，散射粒子20的大小、形状或分布在散射器件14中均为不均匀设置，由于散射粒子的尺寸不同、排列不规则，因此不同频率的光照射到散射粒子上会形成不同的散射光强分布，而同一频率的光经不同位置的散射粒子散射后，其散射光强分布也不一样。

所述控制器件可采用步进电机，它通过电和机械手段旋转散射器件14，使得从前置器件射出的光在步进电机不同步数调控下入射到散射器件表面的不同散射面(即散射器件中第一个散射面31，散射器件中第二个散射面32，散射器件中第三个散射面33，散射器件中第四个散射面34，散射器件中第五个散射面35，…散射器件中第k个散射面36)，散射面表面的散射粒子形状分布不均匀，这些散射粒子中心之间的距离小于阵列式探测芯片内相邻像素元中心之间的距离，步进电机每旋转一次散射器件14，阵列式探测芯片内不同的像素元都能接收到同一个滤波面内各个不同的散射粒子所射出的光，而且步进电机每次旋转就有不同散射面内的不同散射粒子所射出的光射到同一个像素元上，因此阵列式探测芯片中同一个像素元在步进电机不同步数条件下所探测到的光强度会发生变化。

作为第二个实施例，散射器件14表面只有一个散射面，散射面表面的散射粒子形状分布不均匀，这些散射粒子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。通过步进电机使用电和机械手段旋转散射器件14，使得从前置器件射出的光在步进电机不同步数调控下入射到该散射面的不同位置处，从而改变散射面上各位置处的散射粒子与阵列式探测芯片上同一个像素元之间的相对位置，也可以使得阵列式探测芯片中同一个像素元在步进电机不同步数条件下所探测到的光强度会发生变化。

作为第三个实施例，散射器件14由本征半导体材料构成，半导体材料的其中一个表面粗糙。采用另一个高功率光源和光强调制器作为控制器件，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)照射粗糙半导体的表面，使得半导体表面产生光生载流子。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，因此半导体粗糙表面的折射率会发生变化。根据散射原理，不同折射率但大小形状相同的介质对相同波长的光产生的散射光光强分布不同。因此使用光强调制器改变入射到半导体粗糙表面的光强，从而改变散射器件各位置处所发出的散射光的光强分布，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。

散射器件中发生的散射可以是瑞利散射或米氏散射或它们的共同作用。瑞利散射又称“分子散射”，粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利散射。米散射又称“粗粒散射”或“大颗粒散射”，米散射发生时粒子尺度接近或大于入射光波长，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射，米散射的强度也与入射光波长的幂次方成反比。本实施例中优选瑞利散射方案，在瑞利散射中，散射光强与散射角度的关系是I∝1+cosθ,这里θ为散射角度。根据不同的散射角度，散射分成正向散射和反向散射。图2为利用正向散射的成像光谱仪的结构示意图，而图3为利用反向散射的成像光谱仪的结构示意图。

散射光强与入射到散射器件的光的波长相关。如图4所示，假设一束光原来的强度为I₀，经过散射器件的某部位，散射器件中的散射粒子使得光发生散射。假设粒子尺度小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，发生瑞利散射。因此经过散射器件的该部位后，透射光的光强为I_t＝I₀exp(-αz),其中α是衰减系数，该衰减系数与波长的四次方成反比，z是入射光在散射器件中经过的距离。

透射光的光强比原来的入射光的光强衰减的原因在于每个散射粒子可作为一个次波源发出散射光，且散射光的强度与波长的四次方成反比。因为，散射粒子大小或形状或分布在散射器件中不均匀，因此不同频率的光照射到散射器件同一位置上会形成不同的散射光强分布，而同一频率的光经散射器件不同位置散射后，其散射光强分布也不一样。

上述散射器件可采用现有成熟的化学腐蚀、离子刻蚀或光刻方法制备得到，使得材料的表面或内部存在一系列不均匀分布的纳米至微纳米尺度的大小不等的散射颗粒。

优选地，所述散射器件中的散射粒子为银粒子，该散射器件的制备方法如下：

首先进行银胶体的制备：将体积为50m1浓度为1.0×10^-2mol·L^-1的AgNO₃注入装有450m1水的烧瓶中，搅拌并加热至沸腾，然后注入l0ml百分比浓度为l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热沸腾40分钟，最终胶体为黄绿色。由于制备的银胶体带有负电性，因此可以利用正电性电解质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装。

具体步骤如下：先对玻璃基底进行清洗，将玻璃基底依次在体积比为1:1的乙醇-丙酮溶液、乙醇和水中超声清洗20分钟，然后置入沸腾的Piranha溶液浸泡30分钟，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，所述Piranha溶液由98％H₂SO₄与30％H₂O₂体积比3:1配制。然后将干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟使表面带上正电荷，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干。再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗3次，氩气吹干，最终得到散射器件，所述散射器件具有银纳米粒子作为散射粒子。

除了采用不透明的银纳米粒子作为散射粒子外，也可以采用透明的纳米粒子作为散射粒子。比如可以采用在普通玻璃上方贴附一层磨砂玻璃贴膜作为散射器件，或者直接采用毛玻璃作为散射器件。

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设置于散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设置于分光器件之后，该设置可使得光经过散射器件后，不同波长的光经过散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后分别投射至散射器件14中一个散射面的表面各个部位，各个部位具体为：散射面中第一个散射部位11、散射面中第二个散射部位12、散射面中第三个散射部位13…散射面中第k个散射部位99，散射器件14可令入射光发生散射效应，从散射器件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散射器件，使得前置器件18射出的光分别投射到不同的散射面上，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散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散射器件后，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散射器件之前光强度，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。

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)

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

所述散射器件可令入射光发生散射效应，且相同频率相同强度的入射光射到散射器件的不同部位后所射出光具有不同的强度角分布，且不同频率相同强度的入射光射到散射器件的相同部位后所射出光的强度角分布也不同；

所述准直器件设置于所述散射器件和阵列式探测芯片之间，使得入射到散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散射器件，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所述的一种基于散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、机械调制或者以上调制方法的组合，以改变散射器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变散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所述的一种基于散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所述的一种基于散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所述的一种基于散射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述散射器件包括透明基底及分布在透明基底表面或者内部的散射粒子，散射粒子的大小、形状或分布在散射器件中为不均匀设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于散射效应的成像光谱仪，其特征在于：所述散射器件中的散射粒子为银粒子，所述散射器件的制备方法如下：

S1：将体积为50m1浓度为1.0×10^-2mol·L^-1的AgNO₃按照1：9的比例与水混合，将混合液搅拌并加热至沸腾；然后注入l0ml百分比浓度为l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热，使其保持沸腾状态40分钟，得到银胶体，冷却至室温备用；

S2：对基底进行清洗并干燥，将干燥后的基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟后再次进行清洗并干燥，得到表面覆盖有PDDA的基底；

S3：将表面覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，然后取出清洗并干燥。

7.根据权利要求1所述的一种基于散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；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散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：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散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散射器件后，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散射器件之前光强度，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所述的一种基于散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9所述的一种基于散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。