CN102818631A - 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，该系统的构成至少包括前置成像物镜、随机波前相位调制器、光电探测器和计算机，所述的前置成像物镜将物面成像于第一成像面上，在该第一成像面后设置随机波前相位调制器和光电探测器，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入端相连。该压缩光谱成像系统基于压缩感知理论，对光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。它可以工作在单次多点测量模式或多次多点测量模式，也可以工作在多次单点测量模式，且探测单元无需在探测面上紧密排布，排布形状可以随意选择。

Description

基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统

技术领域

本发明涉及压缩光谱成像系统，特别是一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统。

背景技术

光谱成像是同时获取物体的两维空间图像信息和一维光谱信息的过程，是对三维数据进行采集的过程，其数据形式如图1所示。它同时实现成像和光谱分光的功能。由于现有探测器是两维的，所以在传统光谱成像系统中，都需要时间扫描来获得三维光谱图像数据。由于光谱成像数据量大，降低探测单元数目以及降低扫描时间是光谱成像技术领域亟需解决的问题。

压缩感知理论是一种全新的信号采集、编解码理论。它在信号采集阶段对数据进行压缩，降低了数据采集量，为光谱成像技术中要求降低探测数据量的问题提供了一个良好的解决途径。其基本原理如下：假设待测信号X的长度为N，存在某组正交基Ψ＝[Ψ₁Ψ₂…Ψ_N]，将X在该组正交基下展开，使得X＝ΨX′，X′只含有少数几个非零元素，或者X′中大部分元素值相对于其他元素值很小。也就是说，信号X在正交基Ψ下是稀疏或可压缩的。在此条件下，采用与Ψ不相关的测量矩阵Ф对X进行投影测量，得到长度为M的矢量Y，即Y＝ФΨX′。通过求解非线性优化问题：

$\underset{X^{\′}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|Y-\mathrm{\Φ\Ψ}{X}^{\′}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|X^{\′}\left|\right|}_1---\left(1\right)$

可以在M<<N的条件下，以很大概率重构出X。这里M是所需采集的数据点数，N是恢复出的数据点数，可以看出采用该理论可以大大降低数据采集量。与传统信号采集过程不同，基于该理论的信号采集过程包括两个步骤：

第一个步骤是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基，对信号作投影测量；

第二个步骤是通过非线性优化算法，重构信号。

利用压缩感知理论，可以对信号进行压缩采集的条件是信号X在某一表达基Ψ下是稀疏的，测量矩阵Ф与表达矩阵Ψ是不相关的。自然界中大部分物体的图像信息在某一正交基（比如小波变换基）下展开是稀疏或可压缩的。高斯随机测量矩阵与任意正交基都不相关，是良好的测量矩阵的候选。这为压缩感知理论在成像中的应用奠定了理论基础。

基于压缩感知理论，美国Rice大学的科研人员提出了单像素相机[参见文献1，M.F.Duarte,M.A.Davenport,D.Takhar,J.N.Laska,T.Sun,K.F.Kelly,and R.G.Baraniuk,Single-pixel imaging via compressivesampling,IEEE Signal Proc.Mag.,25(2008),pp.83-91.]。该相机只用一个单像素探测器进行多次测量，即可对物体进行二维成像。它通过数字微镜器件，使一部分空间位置处的光透过，其他位置处的光损失掉，即对待测物体的空间图像进行空间随机振幅调制，来实现将包含物体的二维空间图像信息的数据整体在互不相关的随机测量基下进行投影测量，用单像素探测器记录该投影测量结果，再通过非线性优化算法重构出图像。把该单像素相机接上传统的光谱分光系统，比如由光栅和线阵探测器构成的分光系统，就可实现光谱成像。受到数字微镜器件窗口材料透射谱段及尺寸的限制，将该压缩成像方案推广运用到中、远红外成像领域存在困难。此外，该数字微镜器件起到振幅调制的作用，它导致损失一半光能量。

美国Duke大学的研究人员研制出了基于空间随机二元振幅编码的压缩成像光谱仪[参见文献2，A.A.Wagadarikar,N.P.Pitsianis,X.Sun,and D.J.Brady,“Video rate spectral imaging using a coded aperturesnapshot spectral imager,”Opt.Express17,6368–6388(2009).]。它先将物体成像于第一成像面上，在该成像面上放置二元振幅掩模板对物体的像进行振幅调制，将调制后的像通过一个分光棱镜后成像于第二成像面上，在该第二成像面上放置面阵探测器进行探测。在该成像光谱仪中，只在光谱维进行全局投影测量，并实现压缩采集。在空间维并没有使用全局投影测量，因此在空间维并没有实现压缩采集。另外，该系统要通过移动振幅掩模来实现较高的空间分辨率，且在光调制阶段会损失一半的光能。

上述压缩光谱成像系统，从原理上都是基于对光场的强度调制来实现成像的。根据现有的成像理论，采用波前相位调制也可以实现成像。传统的透镜成像就是一种基于波前相位调制的成像。该系统采用的波前相位调制函数是

在不考虑透镜口径限制的情况下，经过这一调制，它将物面上的一个点源映射成像面上的一个点源。即它的点扩散函数是一个点，直接测量像面上的光强分布就得到了物体的图像信息。改变这一相位调制函数，将改变点扩散函数的空间分布，实现物空间到像空间的一点到多点映射。这时，测量像面上的光强分布不能直接得到物体的图像信息，需要再经过后期数据处理，恢复出原始物体的图像信息。这是基于波前相位调制成像的一般原理。目前已经报道的基于波前相位调制的成像并不是基于压缩感知理论的成像，并不能解决降低探测单元个数或减少探测时间的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，以解决降低探测单元个数或减少探测时间的问题。该压缩光谱成像系统基于压缩感知理论，对光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。它可以工作在单次多点测量模式或多次多点测量模式，也可以工作在多次单点测量模式，且探测单元无需在探测面上紧密排布，排布形状可以随意选择。

随机波前相位调制器对光场进行随机波前相位调制，它将物面上的一个点源映射为像面上的随机光强分布，即散斑场。该系统的测量矩阵的某一列对应的是物面上某个位置上、某个中心波长的窄带点源形成的散斑场。该测量矩阵是一个随机矩阵。物面上不同位置或不同波长的窄带点源形成的散斑场是不相关的，相应地，测量矩阵的不同列是不相关的。因此，该系统的测量方式满足压缩感知的条件。从数据获取角度来看，该系统分两步来完成数据获取。第一步为数据测量：把包含待测物体的二维空间图像信息和一维光谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下作投影测量，用光电探测器记录各投影测量结果。第二步为数据重构：通过非线性算法[参见文献3，M.Figueiredo,R.Nowak,and S.Wright,“Gradient projection for sparse reconstruction:Application tocompressed sensing and other inverse problems,”IEEE J.Sel.Top.SignalProcess.vol.1,no.4,pp.586–598,2007.]，从测量信号中重构出待测物体的二维空间图像信息和光谱信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种压缩光谱成像系统，其特点在于该系统的构成包括前置成像物镜、随机波前相位调制器和光电探测器，所述的前置成像物镜将物面成像于第一成像面上，在该第一成像面后设置随机波前相位调制器和光电探测器，所述的光电探测器置于原始探测面上，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入端相连。

在所述的随机波前相位调制器和光电探测器之间还有第一放大成像透镜，该第一放大成像透镜置于所述的随机波前相位调制器后，所述的光电探测器置于所述的第一放大成像透镜的成像面上。

还有色散元件，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件位于第一放大成像透镜和光电探测器之间。

还有色散元件和第二放大成像透镜，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件和第二放大成像透镜置于第一放大成像透镜和光电探测器之间，所述的光电探测器置于第一放大成像透镜、色散元件和第二放大成像透镜的成像面上。

所述的随机波前相位调制器是透射式器件或反射式器件，所述的随机波前相位调制器具有位置移动和锁定的机构。

所述的前置成像物镜是望远镜、照相物镜或显微物镜。

所述的光电探测器是单点探测器或多点探测器。

所述的多点探测器的各探测单元在探测平面上的分布为线状排列、方形排列或无规则排列。

该系统对光谱和二维空间信息同时进行投影测量，采用了三维数据压缩采集方式；或系统工作在二维压缩采集模式下，将成像和光谱分光分成两部分，只对二维图像空间进行压缩采集，在光谱域采用经典光谱分光方式。

所述的随机波前相位调制器和相应的光电探测器，根据工作在可见光、近红外、中红外、远红外光谱波段来选择。

所述随机波前相位调制器，对从第一成像面发出的光进行随机波前相位调制。使得从第一成像面上某一点发出的光经过该相位调制器件后，在紧挨空间随机相位调制器后方的一段空间区域内形成较高对比度的散斑场。由于第一成像面上的光场在空间上是非相干的，整个探测面上的光强分布是第一成像面上不同点发出的光形成的散斑场的强度叠加。根据工作谱段的不同，选择不同的材料来制作随机波前相位调制器件。例如，在可见及近红外波段，可以选择经过磨砂或化学腐蚀的K9玻璃或石英玻璃作为随机波前相位调制器。在中红外波段、远红外波段可以选择在该波段具有高透过率的材料来制作透射型随机波前相位调制器或者选择在该波段具有高反射率的材料来制作反射型随机波前相位调制器。

所述放大成像透镜将随机波前相位调制器后方某一距离处的散斑场放大成像。将所述光电探测器放置于成像面上，对放大后的散斑场进行采样测量。当光电探测器单元尺寸足够小时，也可以去除放大成像部分。

所述色散元件可以是光学棱镜，也可以是光栅等。它的作用是将不同波长的光强分布在探测面上错开一定距离，以提高系统的光谱分辨率。在不包括该色散元件的情况下，该光谱成像系统仍然可以工作，此时系统的光谱分辨率由随机波前相位调制器件的色散能力决定。

本发明的技术效果：

1、本发明提出了一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统。它对包含物体二维空间图像信息和一维光谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下进行投影测量，实现压缩采集图像数据。该系统实现了光谱和图像数据的三维压缩采集，与现有压缩光谱成像系统相比，进一步减少了数据采集量，从而进一步降低了对探测器像元数目或测量时间的要求。由于该系统基于相位调制，在调制阶段不损失光能，与基于幅度调制的压缩成像系统相比，具有更高的能量利用率。

2、本发明系统可以工作在多点单次测量成像模式下，也可以工作在多点多次测量成像模式或单点多次测量成像模式下。测量次数越多，则所需的探测单元越少。在多点探测模式下，各探测单元无需紧密排布，可以在探测面上随意分布。

附图说明

图1为光谱成像所获取的数据形式

图中每个立方代表一个数据点。（x,y）代表空间位置，λ代表波长

图2为本发明压缩光谱成像系统实施例1的结构框图

图3是本发明光电探测器的探测单元分布示意图

图4为本发明压缩光谱成像系统实施例2的结构框图

图5为本发明压缩光谱成像系统实施例3的结构框图

图6为本发明压缩光谱成像系统实施例4的结构框图

图中：1-物面  2-前置成像物镜  3-第一成像面  4-空间随机相位调制器  5-原始探测面  6-光电探测器  7-计算机  8-第一放大成像透镜9-探测面  10-色散元件  11-第二放大成像透镜

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2为本发明压缩光谱成像系统实施例1的结构框图。由图可见，本发明实施例压缩光谱成像系统的构成包括前置成像物镜2、随机波前相位调制器4、光电探测器6和计算机7，所述的前置成像物镜2将物面1成像于第一成像面3上，在该第一成像面3后设置随机波前相位调制器4和光电探测器6，所述的光电探测器6置于原始探测面5上，所述的光电探测器6的输出端与计算机7的输入端相连。物体经过成像透镜2成像于第一成像面3，在第一成像面3上不同波长的空间图像是叠加在一起的。借助光场的衍射效应，随机波前相位调制器把第一成像面3上不同位置处、不同中心波长的各个窄带点光源分别映射成原始探测面5上的一套较高对比度的散斑，对于不同空间位置或不同中心波长的点源，所对应的散斑场也不同，且散斑的关联性随着点源的空间间隔或中心波长间隔增大而降低。通过非线性优化算法可以把不同的散斑场区分开。

图4为本发明压缩光谱成像系统实施例2的结构框图，本实施例的构成是与实施例1相比，区别是在所述的随机波前相位调制器4和光电探测器9之间设有第一放大成像透镜8，所述的光电探测器6置于所述的第一放大成像透镜8的成像面9上，所述的光电探测器6的输出端与计算机7的输入端相连。

图5为本发明压缩光谱成像系统实施例3的结构框图。本实施例的构成是与实施例2相比，还有色散元件10，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件位于第一放大成像透镜8和光电探测器6之间。

图6为本发明压缩光谱成像系统实施例4的结构框图。本实施例的构成是与实施例3相比，还有色散元件10和第二放大成像透镜11，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件10和第二放大成像透镜11置于第一放大成像透镜8和光电探测器6之间，所述的光电探测器6置于第一放大成像透镜8、色散元件10和第二放大成像透镜11的成像面9上。

所述的随机波前相位调制器4是透射式器件或反射式器件，所述的随机波前相位调制器具有位置移动和锁定的机构。

所述的前置成像物镜是望远镜、照相物镜或显微物镜。

所述的光电探测器是单点探测器或多点探测器。

所述的多点探测器的各探测单元在探测平面上的分布为线状排列、方形排列或无规则排列，图3是本发明光电探测器的探测单元的无规则排列分布示意图。

该系统对光谱和二维空间信息同时进行投影测量，采用了三维数据压缩采集方式；或系统工作在二维压缩采集模式下，将成像和光谱分光分成两部分，只对二维图像空间进行压缩采集，在光谱域采用经典光谱分光方式。

所述的随机波前相位调制器和相应的光电探测器，根据工作在可见光、近红外、中红外、远红外光谱波段来选择。

放大成像透镜6把原始探测面5上的各套散斑放大成像到探测面上，探测面9上放置单点或多点光电探测器。选择合适的放大倍率使散斑尺寸大于光电探测器像元的尺寸。假定共有L个光谱谱段，单个波长上物体空间图像像素大小为N，探测点数为M，整个光谱成像过程可以用数学语言描述如下：

其中： $x_i=\left(\begin{array}{c}{x}_{i1}\\ x_{i1}\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ x_{\mathrm{iN}}\end{array}\right),i=1,...,L;---\left(3\right)$

表示物体在第i个谱段上的图像信息。

A矩阵是一个M行、L×N列的矩阵，它的某一列代表第一成像面上某一位置处、某一中心波长处的窄带光在探测面上所形成的散斑场光强分布。

该光谱成像系统可以分别工作在多点单次、多点多次或单点多次测量模式下。

采用多点单次模式时，在进行成像之前进行标定测量，来得到A矩阵各元素。先在第一成像面3上的不同位置（x,y）处分别放置不同波长λ的窄带点光源，用固定于探测面上的多个探测单元记录下对应的光强。这些光强值归一化后成为测量矩阵的某一列。不同(x,y,λ)对应的散斑光强分布构成测量矩阵的不同列。进行成像测量时，只曝光一次，记录下各个探测单元所探测到的光强值，作为矢量Y的各个元素。这样就通过测量得到了A矩阵和Y。再通过非线性算法就可以恢复出物体的光谱图像信息。整个过程中，空间随机相位调制器保持不动。

采用多点多次测量模式时，标定、成像过程与多点单次测量模式类似，差别在于通过增加测量次数来减少探测单元个数。在标定测量阶段，先按照多点单次测量模式的标定过程，得到测量矩阵的某些行，假定共有n个探测单元，则可以得到A矩阵的其中n行元素。移动毛玻璃，重复上述标定测量过程，又可以得到A矩阵的另外n行元素。假设毛玻璃移动了m个位置，就可以得到m×n行元素。在成像测量时，把毛玻璃分别移动到标定测量时的m个位置上，每次记录下由n个探测单元记录到的光强值，就得到Y的m×n个元素。这样就通过测量得到了A矩阵和Y。再通过线性或非线性算法就可以恢复出物体的光谱图像信息。

单点多次测量模式可以看作多点多次模式在探测次数足够多而只用一个探测单元时的特例。

实验表明，本发明系统基于压缩感知理论，对光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。它可以工作在单次多点测量模式或多次多点测量模式，也可以工作在多次单点测量模式，且探测单元无需在探测面上紧密排布，排布形状可以随意选择。

Claims (10)

1.一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，其特征在于该系统的构成包括前置成像物镜（2）、随机波前相位调制器（4）、光电探测器（6）和计算机（7），所述的前置成像物镜（2）将物面（1）成像于第一成像面（3）上，在该第一成像面（3）后设置随机波前相位调制器（4）和光电探测器（6），所述的光电探测器（6）置于原始探测面（5）上，所述的光电探测器（6）的输出端与计算机（7）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：在所述的随机波前相位调制器（4）和光电探测器（9）之间还设有第一放大成像透镜（8），所述的光电探测器（6）置于所述的第一放大成像透镜（8）的成像面（9）上。

3.根据权利要求2所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：还有色散元件（10），该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件位于第一放大成像透镜（8）和光电探测器（6）之间。

4.根据权利要求书2所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：在第一放大成像透镜（8）和光电探测器（6）之间还有色散元件（10）和第二放大成像透镜（11），该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件置于之间，所述的光电探测器（6）置于第一放大成像透镜（8）、色散元件（10）和第二放大成像透镜（11）的成像面（9）上。

5.根据权利要求1所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：所述的随机波前相位调制器（4）是透射式器件或反射式器件，所述的随机波前相位调制器具有位置移动和锁定的机构。

6.根据权利要求1至5任一项所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：所述的前置成像物镜是望远镜、照相物镜或显微物镜。

7.根据权利要求1至5任一项所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：所述的光电探测器是单点探测器或多点探测器。

8.根据权利要求7所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：所述的多点探测器的各探测单元在探测平面上的分布为线状排列、方形排列或无规则排列。

9.权利要求1至5任一项所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：该系统对光谱和二维空间信息同时进行投影测量，采用了三维数据压缩采集方式； 或系统工作在二维压缩采集模式下，将成像和光谱分光分成两部分，只对二维图像空间进行压缩采集，在光谱域采用经典光谱分光方式。

10.权利要求1至5任一项所述的压缩光谱成像系统，其特征在于：所述的随机波前相位调制器和相应的光电探测器根据工作在可见光、近红外、中红外、远红外光谱波段来选择。 

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