CN102322954A - 一种超光谱压缩成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超光谱压缩成像方法与系统，其方法包括下列步骤：对目标物成像、准直后进行第一次色散；对色散后的光信号聚焦并进行空间强度调制；对调制号的光信号再次聚焦并进行第二次色散；对第二次色散后的光信号聚焦并由探测器探测，由计算机采集，进行数据解算，恢复所摄目标物的三维数据立方体；其中，所述第一次色散和第二次色散为采用棱镜-光栅-棱镜器件实现的线性色散，且第一次色散和第二次色散的色散方向相反，所述空间强度调制采用空间光调制器实现。本发明在减小数据量的同时，便于实现保真度高的数据解算，有利于成像系统的小型化设计和成像多样化。

Description

一种超光谱压缩成像方法与系统

技术领域

本发明涉及一种成像光谱技术，尤其涉及一种超光谱压缩成像方法以及实现该方法的系统。

背景技术

超光谱成像技术可获得所摄景物空间二维、光谱一维的三维数据立方体，自上世纪80年代诞生以来，已被广泛应用于大气监测、资源勘测、森林保护、医学诊察等领域。传统超光谱成像仪需用狭缝限制视场范围，入射光通量由狭缝宽度决定，而增大狭缝宽度会导致光谱成像仪的光谱分辨率降低。对于光强弱、散射强的目标物，无法在保证高分辨率的同时,获取高信噪比图像。推扫获得的三维数据立方体数量庞大，给实时处理和对地传输带来困难，数据量问题成为制约超光谱成像技术应用发展的一个重要因素。

为了克服超光谱成像以上缺陷对其应用发展带来的桎梏，超光谱压缩成像技术应运而生。现有技术中，报道的超光谱压缩成像技术为基于单个非线性色散器件及固定编码调制板的成像方法。该方法的实现原理为：前置系统将一定视场内的目标物成像到经光刻制备的编码调制板上，实现入射光信号的强度调制；经调制的出射光经准直透镜准直，投射到非线性色散器件（棱镜)上实现色散；色散后的光信号经物镜聚焦到探测器焦平面，焦平面采集到的是经空间调制和波长混叠后的二维图像；依据系统的正向传输模型和特定算法，可由采集的二维图像数据解算出拍摄目标物的三维数据立方体。该方法实现了超光谱压缩成像，具有提高光通量和信噪比、较大程度的削减采集的数据量等优点。

然而，上述基于空间编码调制的超光谱压缩成像方法存在如下不足：

1.基于单个非线性色散器件的成像系统模型具非线性，依此构造保真度高的数据解算方法较为困难，通过采集的二维图像数据恢复拍摄目标物三维数据立方体的精度有限。

2.采用的色散器件为棱镜，对入射准直光进行色散后，出射光较入射光发生了一定角度的转向，不仅给光路调试带来困难，还引起成像系统垂直光轴方向的尺寸变大，不利于成像系统实现轻小化。

3.所选用编码调制板的单元尺寸约为十微米甚至更低量级，受光刻等工艺的限制，按设计要求制备的编码调制板的单元尺寸精度等性能难以与设计要求完全吻合，影响成像配准，降低系统成像质量。

4.由于光刻工艺的复杂性，编码调制板的制备价格昂贵，单个编码调制板一旦制备完毕，其编码图形的样式和分辨率均不可变，无法通过单一硬件配置实现变分辨率多种编码形式的空间光强度调制。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种超光谱压缩成像方法，以大幅减小数据量，同时克服现有技术的不足，使其实现装置轻小化，增强系统的可扩展性。本发明的另一个目的是提供一种实现该超光谱压缩成像方法的系统。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种超光谱压缩成像方法，包括下列步骤：对目标物成像、准直后进行第一次色散；对色散后的光信号聚焦并进行空间强度调制；对调制好的光信号再次聚焦并进行第二次色散；对第二次色散后的光信号聚焦并由探测器探测，由计算机采集，进行数据解算，恢复所摄目标物的三维数据立方体；其中，所述第一次色散和第二次色散为采用棱镜-光栅-棱镜器件实现的线性色散，且第一次色散和第二次色散的色散方向相反，所述空间强度调制采用空间光调制器实现。

优选的技术方案，所述第一次色散和第二次色散中，每次色散后出射的中心波长光线相对入射光线的偏向角为零。

上述技术方案中，采用的空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。空间光调制器单元尺寸一般在数微米到数十微米的数量级，尺寸精准有保证，调制单元数量可达百万量级，利于实现大规模微小尺寸单元的空间光振幅和相位调制。目前未见该类器件用于超光谱压缩成像技术以实现空间编码调制的报道。

棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism，PGP)器件是一类独特的具有色散能力的光学器件，其最大特点是入射的准直光经其出射可实现色散，且中心波长光线以零偏向角出射，即做到“直进直出”。因此以此器件构成的分光成像系统仍属同轴系统，可克服使用普通色散器件造成的离轴系统体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。目前未见以棱镜-光栅-棱镜器件作为压缩超光谱成像色散器件的报道。

为实现上述方法，本发明提供一种超光谱压缩成像系统，包括物镜、准直镜、色散器件、空间强度调制器件、中继镜、透镜和探测器，所述准直镜对物镜所成像发出的光信号进行准直以平行光形式投射到后续的色散器件上，所述空间强度调制器件为空间光调制器，所述色散器件包括分别位于空间光调制器前后的第一棱镜-光栅-棱镜器件和第二棱镜-光栅-棱镜器件，第一棱镜-光栅-棱镜器件和第二棱镜-光栅-棱镜器件相同但放置方向相反，以形成数值相等方向相反的两次色散，所述中继镜包括位于第一棱镜-光栅-棱镜器件和空间光调制器之间的第一中继镜和位于空间光调制器和第二棱镜-光栅-棱镜器件之间的第二中继镜，第二棱镜-光栅-棱镜器件的出射光经透镜聚焦在探测器上。

上述技术方案中，每个棱镜-光栅-棱镜器件由第一棱镜、光栅基片、光栅、光栅保护玻璃、第二棱镜依次组合构成，其中，第一棱镜和第二棱镜对称设置。

优选的技术方案，第一棱镜-光栅-棱镜器件和第二棱镜-光栅-棱镜器件相对于空间光调制器对称设置。

上述技术方案中，所述物镜用于对拍摄目标成像，普通透镜即可满足使用要求。所述准直镜对物镜所成像发出的光信号进行准直以平行光形式投射到后续的色散器件上。所述棱镜-光栅-棱镜器件用以在光信号的空间调制前后各实施一次色散方向相反的线性色散,对于每个器件,色散后出射的中心波长光线相对入射光线的偏向角为零。所述空间光调制器实现空间光信号的强度调制，常见的透射式或反射式空间光调制器均可满足使用要求，通过对其上各单元的控制，可实现变分辨率多种编码形式的空间编码调制。所述中继镜用以实现光信号在两次色散及其间空间编码调制时所需经历的传输。所述透镜将调制和色散后的光信号成像到探测器焦平面上。所述探测器为面阵探测器，一般选自面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明以两个对称放置的棱镜-光栅-棱镜器件为色散元件构建成像系统,两次对称色散可完全消除单次非线性色散给成像系统数据解算精度提高带来的困难，便于实现保真度高的数据解算。

2.本发明以棱镜-光栅-棱镜作为色散元件，使得色散前后的入射光束和出射光束保持在同一轴线上，克服离轴系统装调困难、稳定性差等缺陷，构建系统在垂直轴线方向的尺寸减小，有利于此类成像系统的小型化设计。

3.本发明使用空间光调制器取代编码调制板实现光信号的空间强度调制，保证了编码调制单元的尺寸精度，避免了由光刻制备的编码调制板像元尺寸偏差所造成的成像配准问题，有利于抑制由上述原因造成的系统成像质量下降。

4.通过控制空间光调制器上各编码单元图案变化，可获得基于各类编码矩阵的编码调制图案；通过空间光调制器上的编码单元合并，可实现变分辨率多种编码调制图案的设置；仅使用单一硬件配置，即可根据应用需要实现大规模变分辨率多种编码形式下的空间光强度调制，使成像模式多样化。

附图说明

图1是本发明实施例一中所选用的棱镜-光栅-棱镜器件的结构和工作原理示意图。

图2是实施例一中基于光栅-棱镜-光栅器件和空间光调制器的超光谱压缩成像系统示意图。

其中：1、第一棱镜；2、光栅基片；3、光栅；4、光栅保护玻璃；5、第二棱镜；6、入射光线；7、中心波长出射光线；8、其它波长出射光线；9、拍摄目标；10、物镜；11、准直镜；12、第一棱镜-光栅-棱镜器件；13、第一中继镜；14、空间光调制器；15、第二中继镜；16、第二棱镜-光栅-棱镜器件；17、透镜；18、探测器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一为利用本方法及系统对拍摄目标进行超光谱压缩成像的实例。

参见附图2，将超光谱压缩成像系统置于拍摄目标9的正前方适当位置。拍摄目标9一定视场的景物经物镜10成像，其像位于准直镜11的物方焦面上，像发出的光线经准直透镜11准直以平行光的形式投射到第一棱镜-光栅-棱镜器件12上。第一棱镜-光栅-棱镜器件12对入射光信号进行首次色散，色散后的中心波长光线出射时相对入射光线无偏转角，而其它波长的光线出射时有一定偏转角。完成色散的光信号由第一中继镜13聚焦到空间光调制器14上。此例中，空间光调制器14选取了透射式的工作方式，控制其上的编码单元形成一定分辨率的编码矩阵图案，可对入射光信号完成空间振幅调制。经空间调制的光信号由第二中继镜15投射到第二棱镜-光栅-棱镜器件16上。第二棱镜-光栅-棱镜器件16对入射的光信号实施第二次色散，色散之后的光信号完成空间一维信息和光谱一维信息的调制混叠。值得注意，本例中，两个棱镜-光栅-棱镜器件12和16相对空间光调制器14应对称放置,同时中继镜13和15也应对称放置，此外，棱镜-光栅-棱镜器件12和16的放置方式应相反，以保证两次色散数值相等方向相反。经两次色散和一次空间编码调制的光信号最后经由透镜17会聚到探测器18上。面阵探测器18接收到的二维数据是经调制压缩实现了降维的数据，经特定算法解算，可恢复得到拍摄视场内目标物空间二维、光谱一维的三维数据立方体。

Claims (5)

1.一种超光谱压缩成像方法，其特征在于，包括下列步骤：对目标物成像、准直后进行第一次色散；对色散后的光信号聚焦并进行空间强度调制；对调制好的光信号再次聚焦并进行第二次色散；对第二次色散后的光信号聚焦并由探测器探测，由计算机采集，进行数据解算，恢复所摄目标物的三维数据立方体；其中，所述第一次色散和第二次色散为采用棱镜-光栅-棱镜器件实现的线性色散，且第一次色散和第二次色散的色散方向相反，所述空间强度调制采用空间光调制器实现。

2.根据权利要求1所述的超光谱压缩成像方法，其特征在于：所述第一次色散和第二次色散中，每次色散后出射的中心波长光线相对入射光线的偏向角为零。

3.一种超光谱压缩成像系统，包括物镜(10)、准直镜(11)、色散器件、空间强度调制器件、中继镜、透镜(17)和探测器(18)，所述准直镜(11)对物镜(10)所成像发出的光信号进行准直以平行光形式投射到后续的色散器件上，其特征在于：所述空间强度调制器件为空间光调制器(14)，所述色散器件包括分别位于空间光调制器(14)前后的第一棱镜-光栅-棱镜器件(12)和第二棱镜-光栅-棱镜器件(16)，第一棱镜-光栅-棱镜器件(12)和第二棱镜-光栅-棱镜器件(16)相同但放置方向相反，以形成数值相等方向相反的两次色散，所述中继镜包括位于第一棱镜-光栅-棱镜器件(12)和空间光调制器(14)之间的第一中继镜(13)和位于空间光调制器(14)和第二棱镜-光栅-棱镜器件(16)之间的第二中继镜(15)，第二棱镜-光栅-棱镜器件(16)的出射光经透镜(17)聚焦在探测器(18)上。

4.根据权利要求3所述的超光谱压缩成像系统，其特征在于：每个棱镜-光栅-棱镜器件由第一棱镜(1)、光栅基片(2)、光栅(3)、光栅保护玻璃(4)、第二棱镜(5)依次组合构成，其中，第一棱镜(1)和第二棱镜(5)对称设置。

5.根据权利要求3所述的超光谱压缩成像系统，其特征在于：第一棱镜-光栅-棱镜器件(12)和第二棱镜-光栅-棱镜器件(16)相对于空间光调制器(14)对称设置。

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