一种成像光谱仪及其高光谱成像方法技术

本发明专利技术公开了一种成像光谱仪及其高光谱成像方法，该成像光谱仪包括色散器件、光学准直器件和阵列式探测芯片；色散器件用于令入射光之间发生干涉效应，使得不同频率相同强度的入射光经过色散器件的相同部位后透射出不同的相干光强，且相同频率相同强度的入射光经过色散器件的不同部位所产生的相干光强也不同；光学准直器件用于滤除传输方向各异的散射光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过光学准直器件后入射到阵列式探测芯片对应区域内不同的光探测像素元。该装置可实现较高的频谱分辨率或空间分辨率，通过选择合适的波长转换光学材料或阵列式探测芯片使得成像光谱仪的频谱测量范围较宽。

【技术实现步骤摘要】
一种成像光谱仪及其高光谱成像方法
本专利技术涉及一种能实时获得空间维和光谱维丰富信息的成像光谱仪及其高光谱成像方法，涉及遥感与成像

技术介绍
传统的光学成像技术是利用物质的形态特征来区分它们，而这种技术并不总是高效率的。例如，对海水中叶绿素浓度的测量单靠形态学的特征，其测量精度往往是很低的。然而，若利用物质光谱特征法来进行解决，便可得到人们极其满意的结果。为此，人们提出了高光谱成像探测技术，它不同于传统的单一宽波段成像技术，它将成像技术和光谱测量技术结合在一起，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方体”。由于绝大多数物质都有其独特的辐射、反射或吸收光谱特征，因此根据阵列探测器上探测到的目标物光谱分布特征，可以准确地分辨像素所对应的目标成分。它在军事上可用于识别各种伪装目标，探测大规模杀伤性武器的释放，调查武器生产、海军作战、打击效果评价、检测我军战略武器、基地的伪装效果、改进和发展我国的伪装技术。民用领域可应用于农作物长势和产量评估、作物类别调查和病虫害监测、林业遥感、海洋资源普查、水色水质变化、叶绿素和浮游生物含量分析、海岸带和海洋生态变化及海洋污染监测、地质资源调查、环境监测、洪涝、干旱、冰雹、林火和地震等多种灾害监测与灾情评估。国外的高光谱成像仪除了美国MightsatⅡ采用干涉分光方式外，其他大部分采用offner光栅分光方式实现光谱分光。但光栅体积较大，成本较高，因此研究适合需要的小型化、低成本、实时测量的光谱成像仪器和相关探测方法具有重要意义，是成像光谱探测技术的一个重要研究趋势。专利技术内容本专利技术的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种小型化、低成本、实时测量的成像光谱仪及其高光谱成像方法。本专利技术的目的将通过以下技术方案得以实现：一种成像光谱仪，包括色散器件、光学准直器件、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；所述色散器件、光学准直器件、阵列式探测芯片沿光路入射方向依次设置，所述色散器件用于令入射光之间发生干涉效应，使得不同频率相同强度的入射光经过色散器件的相同部位后透射出不同的相干光强，且相同频率相同强度的入射光经过色散器件的不同部位所产生的相干光强也不同；所述阵列式探测芯片包括一系列具有相同频谱响应的光探测像素元；所述光学准直器件用于滤除传输方向各异的散射光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过光学准直器件后入射到阵列式探测芯片对应区域内不同的光探测像素元。优选地，在所述色散器件前还设置有一光学组件，待测光谱成像区域位于光学组件的前方，所述光学组件用于使得待测光谱成像区域不同子单元区域发出的光射到色散器件的不同部位。优选地，所述光学组件包括第一凸透镜、第一小孔光阑和第二凸透镜，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，所述成像光谱仪还包括设置于所述色散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，所述波长转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料及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，或这些材料的组合。优选地，所述光学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。优选地，所述色散器件包括透明基底，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；或所述色散器件包括透明基底，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；或所述色散器件包括透明基底，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。本专利技术还揭示了一种成像光谱仪的高光谱成像方法，该方法包括以下步骤：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，其中第k个子单元区域发出的光射到色散元件不同部位后，再经过光波长转换部件、光学准直器件，被阵列式探测芯片对应位置的n个光探测像素元所探测，所探测到的光强值，记为I1,I2,…In，n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,…fn；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,…fn的频段的光分量的强度I(f1),I(f2),…I(fn):校准矩阵H中各单元Hij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为均匀的中心频率为fj的窄带校准光在经过与不经过所述色散器件的情况下，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比值，通过实验预先测得；S4：对I(f1),I(f2),…I(fn)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，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，即可得到待测区域所发各频率光的像。优选地，在所述S1步骤中，k是1至m之间的整数，k必须从1一直取到m才可对待测区域内的每个区域进行成像。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、模拟退火算法中的其中一种进行求解；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。相比现有技术，本专利技术技术方案的优点主要体现在：该装置克服了传统成像光谱仪体积较大，成本较高等缺点，提出了小型化、低成本、实时测量的光谱成像仪器及相关探测方法；可实现较高的频谱分辨率或空间分辨率；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。附图说明图1为本专利技术的一种成像光谱仪的结构原理示意图。图2为待测区域发出的光经过色散器件不同部位示意图。图3为待测区域第k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,fj是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I(fj)。附图说明：10为待测光谱成像区域，1为待测区域第1个子单元区域所发光，2为待测区域第2个子单元区域所发光，3为待测区域第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像光谱仪，其特征在于：包括色散器件(30)、光学准直器件(40)、阵列式探测芯片(50)，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；所述色散器件(30)、光学准直器件(40)、阵列式探测芯片(50)沿光路入射方向依次设置，所述色散器件(30)用于令入射光之间发生干涉效应，使得不同频率相同强度的入射光经过色散器件的相同部位后透射出不同的相干光强，且相同频率相同强度的入射光经过色散器件的不同部位所产生的相干光强也不同；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；所述光学准直器件(40)用于滤除传输方向各异的散射光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过光学准直器件后入射到阵列式探测芯片对应区域内不同的光探测像素元。

【技术特征摘要】
1.一种成像光谱仪，其特征在于：包括色散器件(30)、光学准直器件(40)、阵列式探测芯片(50)，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；所述色散器件(30)、光学准直器件(40)、阵列式探测芯片(50)沿光路入射方向依次设置，所述色散器件(30)用于令入射光之间发生干涉效应，使得不同频率相同强度的入射光经过色散器件的相同部位后透射出不同的相干光强，且相同频率相同强度的入射光经过色散器件的不同部位所产生的相干光强也不同；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；所述光学准直器件(40)用于滤除传输方向各异的散射光，并使得色散器件的不同部位透射出的相干光通过光学准直器件后入射到阵列式探测芯片对应区域内不同的光探测像素元。2.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪，其特征在于：在所述色散器件(30)前还设置有一光学组件(20)，所述光学组件(20)用于使得待测光谱成像区域不同子单元区域发出的光射到色散器件的不同部位。3.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪及其高光谱成像方法，其特征在于：所述光学组件(20)包括第一凸透镜(201)、第一小孔光阑(202)、第二凸透镜(203)，所述第一小孔光阑(202)间隙设置于第一凸透镜(201)和第二凸透镜(203)之间的共同焦点处。4.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪还包括设置于所述色散器件之前或之后的光波长转换部件(9)，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。5.根据权利要求4所述的一种成像光谱仪，其特征在于：所述波长转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料及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，或这些材料的组合。6.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪，其特征在于：所述光学准直器件(40)包括第三凸透镜(401)、第二小孔光阑(402)和第四凸透镜(403)，所述第二小孔光阑(402)间隙设置于第三凸透镜(401)和第四凸透镜(403)之间的共同焦点处。7.根据权利要求1所述的一种成像光谱仪，其特征在于：所述色散器件包括透明基底，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；或所述色散器件包括透明基底，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，耿清风，李兴鳌，黄维，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32