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

本发明专利技术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。

Imaging Spectrometer Based on Interference Effect and Spectral Imaging Method with High Spatial Resolution

The invention proposes an imaging spectrometer based on interference effect and a high spatial resolution imaging spectral imaging method; the coherent light intensity detected by the same pixel under different control conditions of the control device is different from each other, and is substituted into the matrix equation calculation spectrum, which can achieve higher spectral resolution by outputting more control parameters through the control device; because the array detection core There are many pixels on the chip. By dividing the area of the target to be measured, each pixel can be used to measure the spectrum of different sub-unit areas of the imaging area, so the spatial resolution of spectral imaging is high. In the process of using, the imaging spectrometer can be made by choosing the appropriate wavelength conversion optical material or the appropriate array detection chip. The spectrum measurement range is wide. Compared with traditional hyperspectral imaging system, this imaging system has smaller volume, lower cost and higher performance.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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,…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。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Im1,Im2,…Imn；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,…fn的频段的光分量的强度Im(f1),Im(f2),…Im(fn):其中为校准矩阵，校准矩阵H中各单元Hmij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为中心频率为fj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fj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Im(f1),Im(f2),…Im(fn)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，求解多个矩阵方本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

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