[發明專利]一種基于散射效應的成像光譜儀及其超光譜成像方法

有效

• 申請號: 201811396934.6
• 申請日: 2018-11-22
• 公開（公告）號: CN109556717B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 楊濤;黃維;蔣正帥;何浩培
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/12;B22F9/24
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 范丹丹

1.一種基于散射效應的能實時獲得空間維和光譜維豐富信息的成像光譜儀，其特征在于：包括第一準直器件、散射器件、第二準直器件、陣列式探測芯片，以及與所述陣列式探測芯片電性連接的數據計算與分析系統; 所述第一準直器件、散射器件、第二準直器件、陣列式探測芯片沿光路方向依次設置; 采用基于散射效應的成像光譜儀的高光譜成像方法實現光譜成像；

所述第一準直器件位于所述散射器件之前，第一準直器件使得待測光譜成像區域內各部位所發出的其中一束光以固定角度入射到散射器件表面的不同部位，而將其它光濾除;所述第一準直器件包括前置入射光學組件、第一凸透鏡、第一小孔光闌和第二凸透鏡，待測光譜成像區域所發出的光射向所述前置入射光學組件后出射的其中一束光平行于第一凸透鏡和第二凸透鏡的主光軸，所述第一小孔光闌間隙設置于第一凸透鏡和第二凸透鏡之間的共同焦點處;

所述散射器件用于令入射到散射器件的光發生散射效應，使得不同頻率相同強度的入

射光經過散射器件的相同部位后所發射出的散射光具有不同的散射光強角分布，且相同頻

率相同強度的入射光經過散射器件的不同部位所發射出散射光的光強角分布也不同;

所述成像光譜儀還包括設置于所述散射器件之前或之后的光波長轉換部件，所述光波長轉換部件包括波長轉換層，所述波長轉換層中包含至少一種波長轉換光學材料；所述波長轉換光學材料的部分或全部吸收光譜超出所述陣列式探測芯片的探測范圍，發射光譜全部在所述陣列式探測芯片的探測范圍內；

所述陣列式探測芯片包括一系列具有相同頻譜響應的光探測像素元;

所述第二準直器件設置于所述散射器件和陣列式探測芯片之間，第二準直器件用于令沿著從散射器件中心到陣列式探測芯片中心連線方向傳輸的光通過，而將沿其它方向傳輸的光濾除，并且使散射器件的不同部位所發出的光分別投射在陣列式探測芯片內不同位置處的光探測像素元;

所述數據計算與分析系統對光探測像素元探測到的數據進行分析處理得到待測光譜

成像區域的光譜成像;

所述成像光譜儀的高光譜成像方法，包括以下步驟：

S1：將待測光譜成像區域分成m個子單元區域，m為整數，因為m數目一般較大，每個子單元區域所發出的光強度視為均勻，光譜曲線也相同，每個子單元區域發出的光依次經所述第一準直器件、散射器件、第二準直器件，或依次經所述第一準直器件、散射器件、光波長轉換部件、第二準直器件，最終照射在陣列式探測芯片的n個光探測像素元上，最終照射在陣列式探測芯片的n個光探測像素元上，而不同子單元區域所發出的光經過散射器件上不同的散射部位散射，最終被陣列式探測芯片不同像素元區域內的像素元所探測，其中第k個子單元區域發出的光經過散射后被n個像素元所探測到的光強值，記為I₁,I₂,…I_n，上述m、n、k均為整數；

S2：將所述成像光譜儀所能探測的頻率范圍等分為n個頻寬為Δf的頻率段，各頻率段的中心頻率為f₁, f₂,…f_n；成像光譜儀所能探測的頻率范圍按照以下方法確定：從光波長轉換部件所包含的所有波長轉換光學材料的吸收光譜以及陣列式探測芯片所能探測的頻率范圍中選出頻率最大值和頻率最小值，所述頻率最大值和頻率最小值之間的頻率范圍即為所述成像光譜儀所能探測的頻率范圍；

S3：通過求解以下矩陣方程，得到第k個子單元區域發出的光中各中心頻率為f₁, f₂,…f_n的頻段的光分量的強度I(f₁), I(f₂), … I(f_n):

校準矩陣H中各單元H_ij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)為中心頻率為f_j的窄帶校準光在經過所述散射器件后所述陣列式探測芯片對應位置的n個像素元中第i個像素元所探測到的光強度與中心頻率為f_j的窄帶校準光經過所述散射器件之前光強度的比值，通過實驗預先測得；

S4：對I(f₁), I(f₂), … I(f_n)進行線性擬合，并經光譜定標，得到第k個子單元區域入射光的光譜；

S5：分別取k＝1,2…m，多次重復以上步驟，通過分別求解上述矩陣方程，即可分別得到待測光譜成像區域各個子單元區域的光譜，在得到空間維的光譜信息后，通過將所得結果進行計算和處理，即可得到待測光譜成像區域所發各頻率光的像。