CN109708758A - 基于干涉效应的成像光谱仪及高空间分辨率光谱成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于干涉效应的成像光谱仪及高空间分辨率成像光谱成像方法；通过控制器件不同控制条件下同一个像素元所探测到的相干光强度互不相同，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；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。本成像系统制备工艺简单，不需要光栅等精密光学器件，与传统超光谱成像系统相比，体积较小，成本较低，性能较高。

Description

基于干涉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

任何物质无论其是以固态、液态还是气态方式存在，都有着固有的光谱特性(与其化学材料的组成有关)，其固有特性利用光谱分析的办法获得。超光谱成像技术可记录这些固体、液体和气体物质的光谱特性和空间分布，从图形和光谱两方面对样本进行分析。

目前，超光谱成像技术已广泛应用于陆地海洋地理遥感、大气、土壤和水体的污染物的遥感监测，医疗光谱成像诊断，军事目标侦察探测、监视等多个军用和民用领域。成像技术结合不同的光谱分光技术，形成了相应的超光谱成像仪器，传统的超光谱成像系统主要通过干涉分光和光栅分光的方式进行光谱测量，国外披露的傅里叶变换超光谱成像仪和光栅扫描型超光谱成像仪都属于传统成像光谱仪的类型，它们需要使用复杂的光学结构，且成本高、体积大、结构精密复杂，不适宜恶劣工作环境，在实际场景中应用较少。

因此成像光谱仪开始朝着小型化和组件化的方向发展，例如近年来发展的基于线性渐变滤波片的成像光谱仪利用线性渐变滤光片作为分光器件具有系统简单、结构紧凑、体积小的特点。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以满足实际应用要求。

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：

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

所述干涉器件可令入射光发生干涉效应，且相同频率相同强度的入射光射到干涉器件的不同部位后所射出相干光具有不同的相干光强，且不同频率相同强度的入射光射到干涉器件的相同部位后所射出相干光的相干光强也不同；

所述准直器件设置于所述干涉器件和阵列式探测芯片之间，使得入射到干涉器件的不同部位所射出的相干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干涉器件，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相干光强互不相同；

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，以改变干涉器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉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，所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡；或所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且各透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀；或所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面粗糙不平整，所述粗糙不平整的表面由一组大小不同的纳米或微米尺度的台阶或者凹坑构成，且大小不同的台阶或者凹坑的分布不均匀。

优选地，所述成像光谱仪还包括设置于所述干涉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干涉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干涉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干涉器件后，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干涉器件之前光强度，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。

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为本发明的利用干涉效应的成像光谱仪的结构原理示意图。

图2为本发明中待测光谱成像区域发出的光经过干涉器件不同部位的台阶和凹槽射出相干光的示意图。

图3为本发明的利用步进电机进行调制的成像光谱仪的三维结构原理示意图。

图4为本发明的利用光强调制器和高功率光源进行调制的成像光谱仪的三维结构原理示意图。

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为干涉器件中某个色散面的第一个部位，12为干涉器件中某个色散面的第二个部位，13为干涉器件中某个色散面的第三个部位，14为干涉器件，15为光波长转换部件，16为待测光谱成像区域所发的光，17为经过干涉器件后的干涉光，18为前置器件，19为准直器件，20为干涉台阶，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，25为控制器件，31为干涉器件中第一个色散面，32为干涉器件中第二个色散面，33为干涉器件中第三个色散面，34为干涉器件中第四个色散面，35为干涉器件中第五个色散面，36为干涉器件中第k个色散面，50为阵列式探测芯片，99为干涉器件中某个色散面的第k个部位，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干涉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、干涉器件14、控制器件25、准直器件19、阵列式探测芯片50和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，所述前置器件18、干涉器件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位于所述干涉器件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干涉器件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°。所述干涉器件14用于令入射到干涉器件14的光发生干涉效应，干涉器件14可以使得不同频率相同强度的入射光经过干涉器件的相同部位后所透射出相干光具有不同的相干光强，且相同频率相同强度的入射光经过干涉器件的不同部位所透射出相干光的光强也不同。

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设置于所述干涉器件14和阵列式探测芯片50之间，所述准直器件19可以令沿着从干涉器件14干涉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，它可以使干涉器件14的不同部位所发出的相干光17分别投射在阵列式探测芯片50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25用于控制干涉器件14，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。

所述干涉器件14有多种结构和制作方法，下面列举几种优选方案：

第一种方案：

所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡。

该干涉器件可采用成熟工艺制备得到，例如，其中一种方法是：将氦气、氖气、氩气、氪气或是氙气等惰性气体连续注入到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及其衍生物或者聚苯乙烯(PS)或者聚碳酸酯(PC)等聚合物熔体中，并通过超声波将惰性气体气泡进行细化，待聚合物熔体中气泡含量和分布趋近于稳定后，将其涂覆在透明基底表面上，然后降温使聚合物熔体凝固为聚合物涂层，这样，就会在聚合物涂层中产生分布不均，大小不一的气泡。第二种方法是：在一定温度下，将PMMA、PS或PC等聚合物溶解到有机溶剂中(例如四氢呋喃、丙酮、甲苯等)，得到PMMA、PS或PC等聚合物的溶液，然后将其旋涂在透明基底上，并缓慢降温至室温，在降温的过程中，溶剂的挥发导致在所形成的聚合物涂层中产生形状各异的气孔。

第二种方案：

所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀。

该干涉器件可采用成熟工艺制备得到，例如，纳米粒子涂层中的透明粒子采用二氧化硅(S_iO₂)，通过正硅酸乙酯水解缩合方法制成包含不同大小的纳米至微米尺度的二氧化硅粒子的混合悬浊液，具体方法如下：在常温下将一定量的乙醇、水和氨水加入到反应瓶中；十分钟后，在搅拌下加入一定体积的正硅酸乙酯(TEOS)并继续搅拌，加入后立即可看到乳液变为乳白色；反应3-24小时后，就可以得到具有相同大小的二氧化硅纳米粒子的悬浊液，离心分离备用。通过调整该方法中的各组分比例和温度就可以分别得到大小不一的二氧化硅纳米粒子的悬浊液。将这些悬浊液混合后就可以得到不同大小的二氧化硅纳米粒子的混合悬浊液。得到含有不同大小纳米粒子的混合悬浊液后，即可通过静电自组装方法使所述混合悬浊液中的纳米粒子沉积于基底表面，形成纳米粒子涂层。静电自组装的方法需要在基底表面制作聚电解质层，其作用是使得上述纳米粒子可以通过浸涂而沉积在基底之上。基底采用透明材料，例如二氧化硅(S_iO₂)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，但如果使用PMMA等聚合物材料作基底，需要做亲水处理，即用包含亲水基团的偶联剂处理PMMA的表面。PMMA可用旋涂的方法制成。所述聚电解质可采用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)。

聚电解质层的具体制作方法如下：将基底进行化学清洗，并用蒸馏水洗涤和惰性气体吹干；将该基底浸入特定浓度的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中2至10分钟，基底表面沉积一层聚二烯丙基二甲基氯化铵涂层，再用蒸馏水洗去物理吸附的杂质并用惰性气体吹干；然后再浸入特定浓度的聚苯乙烯磺酸钠2至10分钟，用以在上述涂层上再沉积一层聚苯乙烯磺酸钠；重复上述过程直至得到约5至20层的上述两种聚电解质的双层，并使最后一层为聚二烯丙基二甲基氯化铵。上述聚电解质层制作好后将具有聚电解质层的基底放入制备好的含有不同大小纳米粒子的混合悬浊液中2至10分钟，不同大小的纳米粒子通过与聚电解质相互作用而沉积在基底表面，经蒸馏水洗涤和惰性气体吹干后可制备得到具有一层二氧化硅纳米粒子涂层的基底薄片。重复上述过程利用静电自组装的方法使聚电解质分子与二氧化硅纳米粒子交替沉积，即可制备多层纳米粒子涂层。

第三种方案：

所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面粗糙不平整，所述粗糙不平整的表面由一组大小不同的纳米或微米尺度的台阶20或者凹坑构成，且台阶20或者凹坑的大小各不同，各种大小台阶20或者凹坑在透明基底表面分布不均匀。如图2所示，同一束光经过不同大小的干涉台阶或者凹槽后再次相遇，从而发生干涉效应，由于相位差不同所得到的干涉光的光强也互不相同。

该干涉器件可采用成熟工艺制备得到，例如，基底采用普通玻璃，通过对普通玻璃进行清洗、烘干，然后将其一个表面用氢氟酸和氟化铵的磨砂溶液进行侵蚀，当玻璃表面受到氢氟酸的作用后，玻璃中的主要成分如二氧化硅、氧化钙、氧化钠等氧化物则形成氟化物进入磨砂溶液中，磨砂溶液中的氟化铵又能促使氟硅酸钙砂的生成，由于氢氟酸对玻璃表面不同位置的腐蚀程度及反应形成砂砾的大小和分布具有随机性，使玻璃表面变成凹凸不平的粗糙面，之后再进行清洗、烘干即可。另一种方法是：对普通玻璃进行清洗、烘干，然后通过气泵或喷枪将石英砂或者金刚砂非常快速的喷射玻璃的一个表面，玻璃在遇到石英砂或者金刚砂的高速撞击后形成诸多大小不同的细微的凹凸表面，之后再进行清洗、烘干即可。

所述控制器件25有多种结构和控制方法，下面列举几种优选方案：

第一种方案：

干涉器件14采用如上三种干涉器件制备方案中任一，所述控制器件25可采用步进电机，它通过电和机械手段旋转干涉器件14，如图3所示，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干涉器件表面的不同色散面(即干涉器件中第一个色散面31，干涉器件中第二个色散面32，干涉器件中第三个色散面33，干涉器件中第四个色散面34，干涉器件中第五个色散面35，…干涉器件中第k个色散面36)，每个色散面内的粒子或气泡大小形状分布不均匀，因此步进电机每旋转一次干涉器件14，阵列式探测芯片内不同的像素元都能接收到同一个色散面内各个不同的粒子或气泡所透射出的相干光，而且步进电机每次旋转就有不同色散面内的不同粒子或气泡所射出的相干光射到同一个像素元上，由于这些相互干涉的光之间的相位差各不相同，这些光产生的相干光强也不同，因此阵列式探测芯片中同一个像素元在步进电机每次旋转干涉器件后所探测到的相干光强度会发生变化。

第二种方案：

干涉器件14采用如上三种干涉器件制备方案中任一，干涉器件14表面只有一个色散面，通过步进电机使用电和机械手段旋转干涉器件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色散面的不同位置处，从而改变色散面上各位置处的粒子或气泡与阵列式探测芯片上同一个像素元之间的相对位置，由于色散面中的粒子或气泡大小形状分布不均匀，且相邻粒子或气泡中心之间的间距小于或等于相邻像素元中心之间的间距，步进电机每次旋转干涉器件后，干涉器件出射的各束光之间的相位差各不相同，这些光产生的相干光强也不同。也可以使得阵列式探测芯片中同一个像素元在步进电机每次旋转干涉器件后所探测到的光强度会发生变化。

第三种方案：

干涉器件14由生长于透明基底材料的本征半导体薄膜构成，半导体薄膜表面粗糙且透光，该粗糙不平整的表面由一组大小不同分布不均的纳米或微米尺度的台阶或者凹坑构成，且相邻台阶或者凹坑之间的间距小于相邻像素元之间的间距。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，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)照射于半导体薄膜的粗糙表面，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，从而半导体介电常数发生变化，因此半导体粗糙表面的折射率会发生变化。当折射率发生变化时，入射光经过干涉器件后从不同粗糙表面射出的光的光程差会发生变化，因此从使用光强调制器每次改变入射到半导体粗糙表面的光强，由于色散面中各部位的微纳米尺度的台阶或者凹坑大小不同，干涉器件出射的各束光之间的相位差各不相同，这些光产生的相干光强也不同，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干涉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设置于干涉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干涉器件后，不同波长的光经过干涉器件的相同位置后，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料:(MOF)Eu₃(MFDA)₄(NO₃)(DMF)₃

(H2MFDA＝9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylic acid)[Xinhui Zhou etal,A microporous luminescent europium metal–organic framework for nitroexplosive 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后分别投射至干涉器件14中一个色散面的表面各个部位，各个部位具体为：色散面中第一个部位11、色散面中第二个部位12、色散面中第三个部位13…色散面中第k个部位99，干涉器件14可令入射光发生干涉效应，从干涉器件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干涉器件，使得前置器件18射出的光分别投射到不同的色散面上，产生不同的干涉光强，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(n≥3，n越大光谱分辨率越高)，在这n个控制参数的作用下从干涉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干涉器件后，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干涉器件之前光强度，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)

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

所述干涉器件可令入射光发生干涉效应，且相同频率相同强度的入射光射到干涉器件的不同部位后所射出相干光具有不同的相干光强，且不同频率相同强度的入射光射到干涉器件的相同部位后所射出相干光的相干光强也不同；

所述准直器件设置于所述干涉器件和阵列式探测芯片之间，使得入射到干涉器件的不同部位所射出的相干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干涉器件，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相干光强互不相同；

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所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，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，以改变干涉器件中介质的形状、尺寸、分布、结构、介电常数、电导率或者折射率，或者改变干涉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所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，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所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，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所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，其特征在于：所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层透明涂层，所述透明涂层中包含有一组尺寸或形状不均匀分布的气泡；或所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面上固着有至少一层纳米粒子涂层，所述纳米粒子涂层由一组纳米至微米尺度的透明粒子构成，且各透明粒子的尺寸或形状的分布不均匀；或所述干涉器件包括透明基底，所述透明基底的至少一个表面粗糙不平整，所述粗糙不平整的表面由一组大小不同的纳米或微米尺度的台阶或者凹坑构成，且大小不同的台阶或者凹坑的分布不均匀。

6.根据权利要求1所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪还包括设置于所述干涉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所述的一种基于干涉效应的成像光谱仪，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干涉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干涉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干涉器件后，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干涉器件之前光强度，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所述的一种基于干涉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所述的一种基于干涉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。