[发明专利]一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法

权利要求书

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，...I_n，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，...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；

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，...f_n的频段的光分量的强度I(f₁)，I(f₂)，...I(f_n)：

其中为校准矩阵，

校准矩阵H中各单元H_ij(i＝1，2...n)(j＝1，2...n)为中心频率为f_j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f_j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(f_n)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。