一種光譜成像裝置及光譜成像反演方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種光譜成像裝置及光譜成像反演方法，光譜成像裝置包括依次設(shè)置的前置鏡、哈達(dá)碼變換編碼模板、第一匯聚鏡、棱鏡、第二匯聚鏡以及探測器：所述前置鏡將目標(biāo)光譜立方體輻射匯聚成平行光場，所述哈達(dá)碼變換編碼模板調(diào)制所述光場，所述第一匯聚鏡傳輸調(diào)制后的所述光場至所述棱鏡，所述棱鏡對調(diào)制后的所述光場進(jìn)行色散，所述第二匯聚鏡傳輸色散后的所述光場至所述探測器進(jìn)而成像。增加棱鏡色散的編碼孔徑光譜成像裝置的可行性，并提供多波段光譜和大面陣成像的光譜復(fù)原。
【專利說明】一種光譜成像裝置及光譜成像反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種光譜成像裝置及光譜成像反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常見的光譜成像儀有色散型、干涉型、濾光片型、計(jì)算層析型和衍射光學(xué)元件型等。應(yīng)用于哈達(dá)碼變換(Hadamard transfer)原理的光譜儀主要是色散型,色散型又可以分為基于棱鏡和光柵等形式，其中以采用光柵的色散型哈達(dá)碼成像儀最為突出，如圖1所示編碼孔徑光柵色散型光譜成像儀，通過采用具有哈達(dá)碼變換性質(zhì)的編碼模板代替常規(guī)光譜成像儀中狹縫通光，實(shí)現(xiàn)多孔調(diào)制目標(biāo)空間光學(xué)信息，其包括前置光學(xué)系統(tǒng)、哈達(dá)碼變化編碼模板、分光系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過匯聚鏡11將目標(biāo)光場輻射匯聚成平行光場，然后經(jīng)過光闌12限制雜散光，由哈達(dá)碼變換編碼模板13調(diào)制光路，利用衍射光柵14對光場進(jìn)行色散，以及兩次利用凹面反射鏡15、凹面反射鏡16使光學(xué)系統(tǒng)緊湊，最終將光譜信息成像在CO) (Charge-coupled Device,電荷I禹合元件)探測器17上。
[0003]上述采用光柵的色散型成像光譜儀，所能探測到的光譜譜段數(shù)目往往受限于哈達(dá)碼變換編碼階數(shù)(7階，即7個(gè)譜段)；而且，光柵色散本身對通光調(diào)制的狹縫位置要求也很精確，采用哈達(dá)碼變換模板就不可避免會(huì)引起各個(gè)波段的成像條紋光譜混疊，如不加修正和光譜復(fù)原算法相應(yīng)更改，其復(fù)原結(jié)果不理想，如果采用棱鏡色散，又會(huì)存在棱鏡色散自身的譜線彎曲畸變以及非線性的色散效應(yīng)；同時(shí)，采用的光譜復(fù)原方案都針對小區(qū)域目標(biāo)光譜復(fù)原，沒有針對大幅寬成像，影響哈達(dá)碼成像儀應(yīng)用的范圍和時(shí)效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種光譜成像裝置及光譜成像反演方法，使用棱鏡色散并提供多波段光譜和大面陣成像的光譜復(fù)原。
[0005]本發(fā)明實(shí)施例的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種光譜成像裝置，包括依次設(shè)置的前置鏡、哈達(dá)碼變換編碼模板、第一匯聚鏡、棱鏡、第二匯聚鏡以及探測器:
[0007]所述前置鏡將目標(biāo)光譜立方體輻射匯聚成平行光場，所述哈達(dá)碼變換編碼模板調(diào)制所述光場，所述第一匯聚鏡傳輸調(diào)制后的所述光場至所述棱鏡，所述棱鏡對調(diào)制后的所述光場進(jìn)行色散，所述第二匯聚鏡傳輸色散后的所述光場至所述探測器進(jìn)而成像，哈達(dá)碼變換編碼模板22的階數(shù)大于等于10。
[0008]一種光譜成像反演方法，對上述光譜成像裝置的成像進(jìn)行復(fù)原，包括:
[0009]將各像元所對應(yīng)的所有光譜從重疊光譜中--對應(yīng)的提取出來；
[0010]將各像元所對應(yīng)的各光譜進(jìn)行配準(zhǔn)以及將各像元所對應(yīng)的各光譜值進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定矩陣；
[0011]根據(jù)各像元所對應(yīng)的所有光譜以及標(biāo)定矩陣實(shí)現(xiàn)光譜復(fù)原。
[0012]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，基于棱鏡色散的光譜復(fù)原技術(shù)，改變光柵分光的局限，增加棱鏡色散的編碼孔徑光譜成像裝置的可行性，并提供多波段光譜和大面陣成像的光譜復(fù)原技術(shù)，克服光譜復(fù)原質(zhì)量低、光譜波段數(shù)少、單行或單列圖像復(fù)原的缺點(diǎn)，適用于信息工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品快速檢測等民用領(lǐng)域所需的光譜檢測需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0014]圖1為傳統(tǒng)編碼孔徑光柵色散型光譜成像儀示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜成像裝置示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜成像反演方法中棱鏡的非線性色散曲線示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜成像反演方法中連續(xù)單色積分球定標(biāo)示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜成像反演方法的流程示意圖。
[0019]【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例提出一種基于棱鏡色散的編碼孔徑光譜成像裝置的光譜復(fù)原技術(shù)，針對類似于哈達(dá)碼變換函數(shù)形式的二維編碼模板對目標(biāo)進(jìn)行多次曝光，以及一個(gè)棱鏡對編碼模板調(diào)制后的光場進(jìn)行色散后的光學(xué)成像進(jìn)行反演解碼，改變目前常見編碼孔徑光譜成像儀采用光柵分光的局限，增加棱鏡色散的編碼孔徑光譜成像儀的可行性，并提供多波段光譜和大面陣成像的光譜復(fù)原新技術(shù)，克服常見編碼孔徑光譜成像儀光譜復(fù)原質(zhì)量低、光譜波段數(shù)少、單行或單列圖像復(fù)原的缺點(diǎn)，適用于信息工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品快速檢測等民用領(lǐng)域所需的光譜檢測需求。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種光譜成像裝置，包括依次設(shè)置的前置鏡21、哈達(dá)碼變換編碼模板22、第一匯聚鏡23、棱鏡24、第二匯聚鏡25以及探測器26:
[0023]前置鏡21將目標(biāo)光譜立方體20輻射匯聚成平行光場，哈達(dá)碼變換編碼模板22調(diào)制所述光場，第一匯聚鏡23傳輸調(diào)制后的所述光場至所述棱鏡24，棱鏡24對調(diào)制后的所述光場進(jìn)行色散，第二匯聚鏡25傳輸色散后的所述光場至探測器26進(jìn)而成像，哈達(dá)碼變換編碼模板22的階數(shù)大于等于10。
[0024]可見，前置鏡21將目標(biāo)光譜立方體20輻射匯聚成平行光場，哈達(dá)碼變換編碼模板22調(diào)制所述光場輸出平行光場，第一匯聚鏡23匯聚調(diào)制后的所述光場至所述棱鏡24，棱鏡24對調(diào)制后的所述光場進(jìn)行色散輸出平行光場，第二匯聚鏡25匯聚色散后的所述光場至探測器26進(jìn)而成像。利用第一匯聚鏡頭進(jìn)行傳輸光場，通過棱鏡對光場進(jìn)行色散，以及利用第二匯聚鏡頭使光學(xué)系統(tǒng)緊湊，最終將光譜信息成像在探測器上。
[0025]其中，哈達(dá)碼變換編碼模板具有很多狹縫小孔(編碼單元孔)，實(shí)現(xiàn)多孔調(diào)制目標(biāo)空間光學(xué)信息，哈達(dá)碼變換編碼模板階數(shù)是指各行都正交的最多行數(shù)量。哈達(dá)碼變換編碼模板24可以由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每次沿著列移動(dòng)一個(gè)編碼單元(碼元)的距離，也即每次步進(jìn)一行，探測器26對應(yīng)的采集一次信號(hào)，哈達(dá)碼變換編碼模板22移動(dòng)η次后完成編碼η次采集到的信號(hào)，使最終所有曝光次數(shù)所得的各幅采集圖像聯(lián)同具備哈達(dá)碼循環(huán)矩陣屬性。經(jīng)哈達(dá)碼變換解碼等光譜復(fù)原計(jì)算后最終得到目標(biāo)在各譜段的光譜圖像。
[0026]還有，哈達(dá)碼變換編碼模板22每步進(jìn)一次成像時(shí)，哈達(dá)碼變換編碼模板22當(dāng)下的編碼形式是正交的函數(shù)形式。
[0027]可見，哈達(dá)碼變換編碼模板階數(shù)提高，其相應(yīng)的光譜分割波段數(shù)就可以增加，同時(shí)增大模板本身的面積，可以實(shí)現(xiàn)大面陣成像，相比低階數(shù)模板(如7階)要實(shí)現(xiàn)大面陣只能靠編碼單元孔增大，這樣成像面積可以增大，但是成像分辨率會(huì)降低。
[0028]把整個(gè)成像過程用數(shù)學(xué)矩陣表達(dá)，其成像過程的表達(dá)式為:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種光譜成像裝置，其特征在于，包括依次設(shè)置的前置鏡、哈達(dá)碼變換編碼模板、第一匯聚鏡、棱鏡、第二匯聚鏡以及探測器: 所述前置鏡將目標(biāo)光譜立方體輻射匯聚成平行光場，所述哈達(dá)碼變換編碼模板調(diào)制所述光場，所述第一匯聚鏡傳輸調(diào)制后的所述光場至所述棱鏡，所述棱鏡對調(diào)制后的所述光場進(jìn)行色散，所述第二匯聚鏡傳輸色散后的所述光場至所述探測器進(jìn)而成像，哈達(dá)碼變換編碼模板22的階數(shù)大于等于10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜成像裝置，其特征在于，所述哈達(dá)碼變換編碼模板每次沿著列移動(dòng)一個(gè)編碼單元的距離，所述探測器對應(yīng)的采集一次信號(hào)，所述哈達(dá)碼變換編碼模板移動(dòng)n次后完成編碼n次采集到的信號(hào)為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光譜成像裝置，其特征在于， 所述前置鏡為球面或非球面前置鏡； 所述棱鏡為非球面棱鏡； 所述第一匯聚鏡為球面或非球面匯聚鏡； 所述第二匯聚鏡為球面或非球面匯聚鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光譜成像裝置，其特征在于，所述棱鏡為阿米西Amici棱鏡。
5.一種光譜成像反演方法，其特征在于，對權(quán)利要求1-4中任一所述光譜成像裝置的成像進(jìn)行復(fù)原，包括: 將各像元所對應(yīng)的所有光譜從重疊光譜中--對應(yīng)的提取出來； 將各像元所對應(yīng)的各光譜進(jìn)行配準(zhǔn)排除棱鏡色散的誤差以及將各像元所對應(yīng)的各光譜值進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)定矩陣； 根據(jù)各像元所對應(yīng)的所有光譜以及標(biāo)定矩陣實(shí)現(xiàn)光譜復(fù)原。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜成像反演方法，其特征在于，根據(jù)如下逆運(yùn)算公式提取光譜信息:
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述所述的光譜成像反演方法，其特征在于，將各像元所對應(yīng)的所有光譜從重疊光譜中——對應(yīng)的提取出來，包括: 判斷I的取值，1=1，2，K，K是指哈達(dá)碼變化編碼模板的階數(shù)； 讀入曝光所有次數(shù)輸出的第I行圖像，按照曝光次數(shù)先后排列組成新矩陣A，A為(M*N), N為探測器的列像素?cái)?shù)量，M為探測器的行像素?cái)?shù)量； 判斷j的取值，j=l，2，N; 提取矩陣A的第j列形成向量B; 判斷i的取值，i=l, 2, M ； 向量B與反演矩陣C的第i行點(diǎn)積相加去求和得到第j點(diǎn)所有光譜段的光譜值，C為定標(biāo)所得的i為各個(gè)階時(shí)的定標(biāo)矩陣； 按照第i行循環(huán)分別得到第i行所有點(diǎn)光譜值； 按照曝光所有次數(shù)輸出的第L行圖像循環(huán)分別得到景物第L行所有點(diǎn)光譜值。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的光譜成像反演方法，其特征在于，將各像元所對應(yīng)的各光譜進(jìn)行配準(zhǔn)排除棱鏡色散的誤差，包括: 根據(jù)棱鏡的非線性色散函數(shù)曲線fx，y ( λ )，其中，橫坐標(biāo)為色散大小幅度值X，縱坐標(biāo)為波長值1，以及探測器像素值P，得到，
【文檔編號(hào)】G01J3/14GK103743482SQ201310597435
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】劉揚(yáng)陽, 呂群波, 相里斌, 周錦松, 裴琳琳, 王建威 申請人:中國科學(xué)院光電研究院