[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

说明书

本发明揭示了一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法，该成像光谱仪包括第一准直器件、衍射器件、第二准直器件、阵列式探测芯片及与阵列式探测芯片连接的数据计算与分析系统，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；衍射器件用于令入射到衍射器件的光发生衍射效应，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发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发射出衍射光的光强角分布也不同。通过将待测光谱成像区域分成m个子单元区域，可分别利用阵列式探测芯片上不同的像素元区域实时进行成像光谱测量。

技术领域

本发明涉及一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法，可用于遥感与成像技术领域。

背景技术

成像光谱仪是新一代传感器，它是以多路、连续并具有高(超)光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个至几千个波段的地物反射光谱图像。它在20世纪80年代初正式开始研制。研制这类仪器的主要目的是想在获取大量地物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。目前成像光谱仪主要应用于高(超)光谱航空遥感。成像光谱仪的构造与CCD线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。

成像光谱仪按其结构的不同，可分为两种类型。一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪，它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描。利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪，它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。然而，传统的成像光谱仪中光栅制作精度要求较高，并且光栅体积较大，因此研究小型化、低成本、实时测量的成像光谱仪和相关探测方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于衍射效应的成像光谱仪及其超光谱成像方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于衍射效应的成像光谱仪，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；

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光的其中一束以固定角度入射到衍射器件表面的各部位，而将其它光滤除；

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。

优选地，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。

优选地，所述第二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。