[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于散射效应的获得空间维和光谱维丰富信息的成像光谱仪，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；采用高空间分辨率光谱成像方法实现高空间分辨率光谱成像；

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散射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散射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散射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；

所述高空间分辨率光谱成像方法，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)，m≤k，k代表像素元数量:其中为校准矩阵，

校准矩阵H中各单元H_mij为中心频率为f_j的窄带校准光i＝1,2…n，j＝1,2…n，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。