CN102589695B

CN102589695B - 一种光谱成像方法及其系统

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Publication number: CN102589695B
Application number: CN201210045753.5A
Authority: CN
Inventors: 陈宇恒; 季轶群; 周建康; 陈新华; 曾文明; 沈为民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: CN102589695A

Abstract

本发明公开了一种光谱成像方法及其系统。该光学系统包括生成具有不同图案波带片的空间光调制器，探测器置于波带片的等效焦平面处，拍摄目标与探测器之间设置一光阑，将由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像采集到探测器的焦平面上，滤去不被用于采集的其他级次衍射像。光谱成像时，生成n幅图案不同的波带片，分别将拍摄目标不同波长的像聚焦到探测器的焦平面上，得到拍摄目标不同波长的光谱图像。本发明通过变化波带片的构建参数，不经推扫即能在指定像面上直接获取拍摄景物各波段的光谱图像。系统构建简单，易于控制像差，直接获取拍摄景物的各个波段原始光谱数据，数据保真度高。

Description

一种光谱成像方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种光谱成像技术，特别涉及一种波长扫描式光谱成像方法及其系统。

背景技术

光谱成像技术可获得所摄景物空间二维、光谱一维的三维光谱数据立方体，自上世纪80年代诞生以来，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。传统光谱成像可分为波长扫描式、空间扫描式和时间扫描式三类。波长扫描式光谱成像选用滤光片、声光调制器等可调谐滤光器件实现拍摄景物的波段选择，每次拍摄获取景物某一波段的光谱图像，通过对滤光器件进行调节并对景物实施数次拍摄可获取其多波段的光谱图像获取。利用此类方法实施的光谱成像波段范围和波段数有限，不便于实现高光谱分辨率宽波段范围的光谱成像。空间扫描式光谱成像需用狭缝对视场进行限制，选用棱镜、光栅等色散器件对狭缝像进行分光，并将各个波段的狭缝像一次性投射到探测器焦平面上。受狭缝限制，此方法中入射光通量有限，难以获得高成像信噪比。为拍摄较大空间范围的景物，需使成像光谱仪沿垂直狭缝方向进行推扫，使所获数据的时间一致性降低。时间扫描式光谱成像又称干涉型光谱成像，此法在对景物拍摄的同时构建一定的光程差，完成拍摄后，通过对采集数据实施一定的后期处理（如傅立叶变换）即可提取拍摄景物的光谱信息。此方法数据处理所需的开销巨大，且易受环境串扰从而降低光程差构建精度乃至光谱数据提取精度。

由此可见，传统光谱成像方法尽管形式各异，但成像时均需加以一定形式的扫描以获得庞大的光谱数据，且无法同时满足宽光谱范围多谱段、对大视场瞬时拍摄、高信噪比等成像要求。为克服以上缺陷对其应用发展带来的桎梏，自上世纪末，科研工作者们开始着手研究新型光谱成像方法，其中，较具代表性的是1997年美国亚历桑那大学的Michael R. Descour率先报道的计算层析光谱成像技术（Computed Tomography Imaging Spectrometer,CTIS)及2006年美国杜克大学D. J. Brady成功创立的孔径编码凝视型光谱成像技术(Coded Aperture Snapshot Spectral Imagin,CASSI)。自上述两项标志性的新型光谱成像技术诞生之后，国外围绕新型光谱成像技术开展研究工作的势头日益迅猛，一系列的系统优化和应用研究工作在随后不间断的得以实施和报道。这其中标志性的事件是2009年美国莱斯大学生物工程系首次将图像切片光谱仪（Image Slicing Spectrometer,ISS)应用于超光谱荧光成像术中，以及英国赫瑞瓦特大学和美国剑桥研究仪器中心于次年联合报道的图像折叠光谱成像仪（Image-Replicating Imaging Spectrometer,IRIS)。

即便克服了传统光谱成像的某些技术局限，各类新型光谱成像方法依旧存有各自的问题：计算层析光谱成像技术需要极大面阵的焦平面用以采集层析压缩后的数据图像，且存在数据缺失问题；孔径编码凝视型光谱成像技术之中，由单帧采样数据重构的拍摄景物三维光谱数据立方体时间开销巨大，且存有失真；图像折叠光谱成像仪受技术限制，目前可以达到的波段数量非常有限。因此，各类新型光谱成像方法尽管实现了一定程度的技术突破，但在数据保真度、拍摄实时性、系统便捷性等方面依然存有欠缺。综上所述，新型光谱成像方法存在如下不足：1.通过压缩成像恢复的三维光谱数据立方体存有失真，无法精确获取拍摄景物各波段的光谱图像及光谱曲线；2.成像器件数量多，降低了成像系统的光能使用率，系统构成复杂，不利于实现成像系统的轻小化；3.重构光谱数据所需时间开销大，无法实现拍摄后光谱数据的同步处理，进而无法实现高帧频光谱成像。

作为一种重要的衍射光学器件，波带片不仅具有类似透镜成像的功用，且具有普通物镜无法比拟的特点，目前已被广泛应用于激光聚焦、红外与紫外成像、远程光通信、全息照相术等领域。但将其应用于光谱成像目前还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种不经推扫即能对较大范围景物实施光谱成像，能有效提高系统光能使用率，便于实现系统的轻小化的光谱成像方法及其系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种光谱成像方法，由n幅图案不同的菲涅尔波带片，分别将拍摄目标不同波长的像聚焦到探测器焦平面上，得到拍摄目标不同波长的光谱图像；所述探测器采集由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像，不被用于采集的其他级次衍射像由波带片与探测器之间的光阑滤去。

n为≥ 10的整数。

一种实现上述光谱成像方法的系统，包括 n幅图案不同的菲涅尔波带片图案的生成装置置于拍摄目标前，探测器焦平面置于波带片的等效焦平面处；光阑置于拍摄目标和探测器之间，滤去不被用于采集的其他级次衍射像，将由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像通过光阑采集到探测器焦平面上。

所述的菲涅尔波带片图案的生成装置为空间光调制器，所述的菲涅尔波带片图案由空间光调制器的调制面输出。

所述的探测器为面阵探测器。

本发明技术方案依据的是波带片成像原理，提供一种由空间光调制器实现分光成像的光谱成像方法与系统。波带片的构成形式有多种，其中以不同间距和宽幅的明暗相间的同心环带形式最为常见。波带片不同波长下的等效焦距与环带的构建参数有着直接关系，通过改变波带片环带的构建参数，可以改变特定波长下的等效焦距。基于此原理，本发明通过改变波带片环带的构建参数，可依次使一定数量不同波长的像投射到同一焦平面位置上，通过面阵探测器器的采集即可实现景物的光谱成像拍摄。本法明依据上述原理提供的光谱成像系统，无需色散元件及任何形式的扫描，易于构建和操作。

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，调制单元的尺寸精度有保证，调制单元数量可达百万量级，利于实现大规模微小单元的空间光振幅和相位调制。本发明通过设置空间光调制器的单元形态，可在其上高帧速的实现各类波带片形态的调制，从而实现由空间光调制器设置波带片图案实现分光成像的新型光谱成像方法与系统。

与现有技术相比，采用本发明技术方案取得了以下显著的效果：

1、本发明以波带片作为关键成像器件，通过变化波带片的构建参数，在指定像面上直接获取拍摄景物各波段的光谱图像。系统构建简单，易于控制像差，直接获取拍摄景物的各个波段原始光谱数据，数据保真度高。

2、用波带片同时实现成像和色散功能，减少了已见系统中包括色散元件在内的成像器件数量，降低了成像器件对光能的衰减，有利于实现系统的轻小化。

3、使用空间光调制器实现波带片图案的编码调制，避免了光刻制备的波带片单元尺寸偏差所造成的成像质量下降，有利于抑制由上述原因造成的系统成像质量下降，同时为实现此项新型光谱成像方法的高帧频拍摄提供了硬件保证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种光谱成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中由空间光调制器设置波带片图案的参数构建示意图；

图中：1、拍摄目标；2、空间光调制器；3、光阑；4、探测器；5、第零级次衍射光线；6、第一级次衍射光线；7、其它级次衍射光线。

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：

参见附图1，空间光调制器2被置于拍摄目标1的正前方适当位置,通过设置其上调制单元的形态，使其调制面构成不同间距和宽幅的明暗相间的同心环状的菲涅尔波带片图案。光阑3置于拍摄目标1和探测器4之间，光阑3的作用为滤去空间光调制器2波带片图案生成的第零级次衍射光线5和其它级次衍射光线7，而仅使空间光调制器波带片图案生成的第一级次衍射光线6的像投射并聚焦到探测器4的焦平面上。

参见附图2，它是本实施例中由空间光调制器设置波带片图案的参数构建示意图。波带片图案由透光和不透光的同心圆环交替构成，当像距值（空间光调制器2的调制面和探测器4的焦平面之间的距离）为定值f时（f的取值范围与系统的尺寸大小有关，一般可取100～500mm），欲采集拍摄目标1的波长

处的光谱图像，可通过公式

Figure 2012100457535100002DEST_PATH_IMAGE002

确定最小圆环的半径值

，并将空间光调制器其内的调制单元均设置成不透光状态。空间光调制器半径值之外各圆环内的调制单元被依次间隔的设置成透光和不透光状态，直至圆环范围超出空间光调制器的边缘像素，其中，波带片中第i个圆环的半径

可由公式

计算得到。空间光调制器2的调制单元尺寸一般在微米数量级，足以保证波带片图案的设置精度。空间光调制器2的调制帧频和探测器4的拍摄帧频均可达到每秒数百帧的量级，因此，本实施例提供的光谱成像系统，空间光调制器生成n幅图案不同的菲涅尔波带片，若完成n为上百数量级波段的光谱成像及数据采集过程，耗时少于1秒。在实际工作时，n可依据用户对拍摄目标的光谱成像需要设定，如n为≥ 10。

改变空间光调制器2的调制面上形成的波带片图案，并依次对拍摄目标1进行成像，生成的各波长衍射像被会聚于空间光调制器2后方探测器的焦平面处。光阑3位于空间光调制器2和探测器4之间，仅使经由空间光调制器2形成的待采集的第一级次衍射像光信号通过，而将无需采集的其他级次衍射像光信号滤去，其具体位置及通光口径由成像指标确定。探测器4置于空间光调制器2预设的焦平面处，用以接收拍摄目标1经由空间光调制器2生成的并经由光阑3滤波的特定级次衍射像。在光谱成像过程中，依据初设的像距值（空间光调制器调制面和探测器焦平面之间的距离）和每个（共n个）预设波段的波长值，依次计算并设置空间光调制器调制面上波带片图案的构建参数，再由探测器4在焦平面上即时的接收由空间光调制器2所成的特定波长衍射像，以完成拍摄目标所有预设波段的光谱成像。

在本实施例中，空间光调制器2选自普通透射式或反射式空间光调制器，通过控制其上调制单元的形态，得到一定数量（如n = 50）的波带片图案，实施等效成像并将拍摄目标不同波长的像依次会聚到同一焦平面上。在本实施例中，探测器4为面阵探测器，一般可选自面阵CCD探测器或面阵CMOS探测器，探测器被置于空间光调制器的等效焦平面处，用以采集空间光调制器在该位置处生成的各个波长特定级次的衍射像。

Claims

1.一种光谱成像方法，其特征在于：n幅图案不同的菲涅尔波带片，分别将拍摄目标不同波长的像聚焦到探测器焦平面上，得到拍摄目标不同波长的光谱图像；所述探测器采集由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像，不被用于采集的其他级次衍射像由波带片与探测器之间的光阑滤去。

2.根据权利要求1所述的一种光谱成像方法，其特征在于：n为≥ 10的整数。

3.一种实现权利要求1所述的光谱成像方法的光谱成像系统，其特征在于：n幅图案不同的菲涅尔波带片图案的生成装置置于拍摄目标前，探测器焦平面置于波带片的等效焦平面处；光阑置于拍摄目标和探测器之间，滤去不被用于采集的其他级次衍射像，将由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像通过光阑采集到探测器焦平面上。

4.根据权利要求3所述的一种光谱成像系统，其特征在于：所述的菲涅尔波带片图案的生成装置为空间光调制器，所述的菲涅尔波带片图案由空间光调制器的调制面输出。

5.根据权利要求3所述的一种光谱成像系统，其特征在于：所述的探测器为面阵探测器。