CN102944305A - 一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪，实现画幅式拍照。光谱仪包括线性渐变滤光片阵列和光场成像机构，光场成像机构包括主镜、微透镜阵列和探测器。滤光片阵列在主镜镜片之间的孔径光阑处，滤光片阵列由若干等宽的滤光片间隙排列组成，滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带。微透镜阵列在前置光学成像系统的成像面，探测器在微透镜阵列的焦平面上。光谱成像方法将目标发射或反射的不同方向光经主镜和滤光片阵列调制后，成像于某个微透镜上，经该微透镜将光分散到探测器的像元上形成子图像，最终获得的三维光谱图像数据。本发明实现了一次拍照就获取目标的完整光谱图像信息，可应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中。

Description

一种快照式高通量的光谱成像方法和光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种利用基于微透镜阵列的光场成像技术和线性渐变滤光片色散实现画幅式拍照的光谱成像方法和光谱成像仪。

背景技术

传统色散型或干涉型成像光谱技术都需要至少某种扫描方式获取目标场景的空间和光谱信息，无法在一次曝光内同时获取完整图像光谱信息，因而限制了成像光谱仪在快速运动或变化目标的监测等方面的应用。此外，这类成像光谱仪的扫描运动对其搭载的推扫平台或自身扫描机构的运动精度和稳定性都有很高要求，易受震动等外部冲击影响，因此加大了运动部件的加工难度和成本，不适用于复杂的工作环境。20世纪90年代，随着计算机技术的发展，出现了基于计算层析成像的光谱成像技术，该技术可在一次拍摄中同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，通过计算机层析计算原理可以获取目标光谱数据立方体。但是该技术对分光元件的精度要求高，且对探测器阵面利用率低，成本高，难以实用化。

近年来，国际上兴起了一种新型的计算成像技术——光场成像技术，该技术通过在传统光学成像系统添加解调单元，将目标二维空间分布信息和几何光线传播的二维方向信息同时记录下来，可提取不同方向角下的目标信息即目标物体的二维光强度分布，利用特定的信息处理方法可以实现对目标图像的数字对焦处理，从而形成清晰的图像，还可以处理得到物空间的景深方向的信息，相较于传统光学成像技术，在信息获取上具有很大的优势。光场成像技术的多维信息获取能力，为瞬时获取目标的三维光谱图像数据立方体提供了技术支持。

参考文件1[R.Horstmeyer and et al.,“Flexible multimodal camera using a light fieldarchitecture,”International Conference on Computational Photography(2009)]利用小孔阵列作为光场成像技术的调制元件，将多模式滤光片阵列置于前置光学系统光瞳处，一次拍摄获取目标不同波长的光谱图像。但是存在如下缺点：（1）小孔阵列的光通量低，加大了曝光时间，无法应用于快速变化或移动的目标；（2）小孔阵列的物理衍射光斑大，探测器像元利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种高通量、快照式的成像光谱技术，实现一次拍照获取目标的完整光谱图像信息，应用于快速变化或移动目标的监测与追踪。

本发明提供的一种快照式高通量的光谱成像仪，包括线性渐变滤光片阵列和基于微透镜阵列的光场成像机构，光场成像机构包括成像系统的主镜、微透镜阵列和探测器。滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带，滤光片阵列被放置在主镜镜片之间的孔径光阑处，形成前置光学成像系统；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像系统的成像面；探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置系统。每个滤光片都与探测器的一行或者一列像元平行。所述主镜由透镜组L₁和透镜组L₂组成，滤光片阵列位于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处，透镜组L₂位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，滤光片阵列经透镜组L₁得到滤光片阵列像，设透镜组L₁对滤光片阵列的放大率为M₁，则滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/fM₁，其中，p表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距。

本发明提供的一种快照式高通量的光谱成像方法，具体包括如下步骤：

步骤1，在光场成像机构的主镜镜片之间的孔径光阑处放置滤光片阵列，形成前置光学成像系统，所述滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带。设主镜由透镜组L₁和透镜组L₂组成，滤光片阵列位于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处，滤光片阵列经透镜组L₁得到滤光片阵列像。滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/fM₁，p表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距，M₁为透镜组L₁对滤光片阵列的放大率。

步骤2，在前置光学成像系统的成像面放置微透镜阵列，透镜组L₂位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，在微透镜阵列的焦平面上放置探测器。

步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过主镜和滤光片阵列调制后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光分散到探测器的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(N_λ,N_x,N_y)，其中，

$N_{\mathrm{\λ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{y,i}}{p},$ $(N_x,N_y)=(\frac{W_x}{d},\frac{W_y}{d});$

n为滤光片阵列中所含的线性渐变滤光片的个数，a_y，i为第i个滤光片在探测器上所覆盖的垂直方向的长度，W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸。

本发明的光谱成像仪及其光谱成像方法，优点和积极效果在于：

（1）本发明的光谱成像仪及其光谱成像方法采用基于微透镜阵列的光场成像机构与滤光片阵列作为光谱调制元件，具有一次曝光就可以获取完整三维数据的优势，可实现一次拍照就获取目标的完整光谱图像信息，应用于快速变化或移动目标的监测与追踪中。

（2）本发明的光谱成像仪采用微透镜阵列作为光场调制元件，微透镜相较于小孔具有高通量、低衍射极限的优势，可以满足对微光照明或快速变化的目标检测中高系统光通量的要求，低衍射极限减小目标成像覆盖的像元数，有利于减少相邻像的混叠，提高探测器像元利用率，进而提高系统光谱分辨率。

（3）本发明的光谱成像仪采用线性渐变滤光片间隙排布，避免由于衍射及机械装夹配准误差造成的相邻线性滤光片所成像混叠的问题；各线性渐变滤光片的光谱沿长度方向连续，可通过定标确定对应像元的谱段，因此滤光片阵列排布时只需沿宽度方向间隙排布，可有效提高探测器像元利用率，进而提高系统的光谱分辨率。

附图说明

图1为本发明的成像光谱仪的一维原理示意图；

图2为本发明的成像光谱仪的应用结构示意图；

图3为滤光片单元与探测器位置关系示意图；

图4为本发明的成像光谱方法的流程示意图。

图中：

1-目标；2-主镜；3-滤光片阵列；4-微透镜阵列；5-探测器；31-滤光片阵列像。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明采用滤光片阵列作为色散调制元件，通过利用基于微透镜阵列的光场成像机构，使色散光谱位置信息与成像系统中光线方向信息对应，达到将光谱信息与微透镜阵列后像元位置一一对应，同时多个微透镜对应目标不同位置的像，从而一次获取二维空间的目标的光谱和图像信息数据立方体。本发明具有一次曝光完成数据获取的优势，且微透镜的能量利用率远高于小孔，因此具有高通量、快照式的优点。

本发明提供的快照式高通量的成像光谱仪，主要包括一个线性渐变滤光片阵列3和基于微透镜阵列的光场成像机构。基于微透镜阵列的光场成像机构包括主镜2、微透镜阵列4和探测器5。滤光片阵列3由多个相互间隔的等宽滤光片排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带，每个滤光片都与探测器5的一行或者一列像元平行，如图2所示，滤光片是沿水平方向间隙排列的，每个滤光片都与探测器5的一列像元平行，x轴、v轴、t轴所在方向为水平方向，y轴、u轴、s轴所在方向为垂直方向。被置于光场成像机构的前置的主镜2的光瞳处，也就是主镜2的镜片之间的孔径光阑处，形成前置光学成像系统。滤光片阵列3的外围尺寸可以是规则的矩形，也可以是圆形，圆形时，由于外围尺寸限制，单个滤光片的长度会不同。同时采用微透镜阵列4作为光场调制单元被置于前置光学成像系统的成像面。探测器被置于微透镜阵列的焦平面上，形成光场成像后置系统。线性渐变滤光片阵列和基于微透镜阵列的光场成像机构结合形成本发明的高通量、快照式光场光谱成像光谱仪。

本发明实施例中前置光学成像系统为透射式成像系统，也可以采用反射式成像系统来实现。如图1所示，为本发明的成像光谱仪的一维原理示意图，滤光片阵列3被简化为数个不同波长的滤光带，前置光学成像系统被简化为一个位于光场成像机构的前置镜头的光瞳处的理想透镜，即图1所示的主镜2，滤光片阵列3位于主镜2的光瞳处。目标1发射或反射的不同方向光经过主镜2和滤光片阵列3调制后，将对应于不同波长的光，滤光片阵列2各个位置的滤光片谱段信息与光场内光线方向为一一对应关系。目标经前置光学成像系统成像于微透镜阵列4上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的来自目标1的不同方向的光分散到微透镜之后的探测器5的像元上形成子图像，每个探测器5的像元所获取的目标图像对应于目标1在不同方向上的光能辐射。由于滤光片阵列3的调制作用，目标1在不同方向上的光能辐射被调制为特定波长的光，因此每个探测器5的像元获取的是目标特定波长上的光能辐射。通过建立滤光片阵列3各谱段在滤光片的位置与光能辐射方向的映射关系，以及光能辐射方向与微透镜阵列4后的探测器像元的映射关系，可以获取目标1在滤光片阵列2的谱段范围内的光谱信息曲线。当目标1扩展为二维目标时，其经过前置光学成像系统成像于微透镜阵列4所在的成像面上，每个微透镜对应目标1所成像的一个空间单元，因此可以获取目标1的空间二维信息。同时由于微透镜的调制作用，其后的探测器像元获取的是该目标1的空间单元不同谱段光的辐射信息，通过提取每个微透镜形成的子图像中某一波长对应的像元，可以获取目标1在该波长下的光谱图像。将多幅不同波长下的光谱图像组合，就可以获取目标1完整的光谱图像数据立方体。

本发明中微透镜阵列4的各微透镜的F数与前置光学成像系统的有效F数相等，且探测器5被置于微透镜阵列4的焦平面处。为有效利用探测器5的像元且使得经相邻微透镜后产生的子图像间不产生混叠，滤光片阵列3经微透镜阵列4后在探测器5上实际覆盖成像范围应不大于微透镜覆盖的像元范围d即：

$\frac{\mathrm{Hf}}{L}\≤d$

如图1所示，L为滤光片阵列像到微透镜阵列4的距离，在图1一维原理图中，即为滤光片阵列3到微透镜阵列4的距离，H为滤光片阵列3长度方向的尺寸，f为微透镜的焦距。因为是一维原理成像图，所以，微透镜在探测器5上的覆盖成像范围d为圆形微透镜直径或方形微透镜的宽度。

本发明的成像光谱仪的一个实施方案如图2所示，其中本发明采用的滤光片阵列3，由多个线性渐变滤光片组成，被置于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处，透镜组L₁和透镜组L₂组成主镜2。滤光片阵列1经透镜组L₁成像为滤光片阵列像31。微透镜阵列4位于透镜组L₂之后，滤光片阵列像31与微透镜阵列3之间的距离即为图1中所示的L。设透镜组L₁对滤光片阵列3的放大率为M₁，则单个线性渐变滤光片最后在探测器上覆盖成像的范围(a_x，a_y)为：

$(a_x,a_y)=\frac{f}{L}(h_v,h_u)=\frac{{\mathrm{fM}}_1}{L}(l_v,l_u)$

a_x,a_y分别表示单个线性渐变滤光片在探测器上覆盖成像的宽度和高度；h_v,h_u分别表示滤光片阵列像31中单个线性渐变滤光片所成像的宽度和高度，l_v,l_u分别表示滤光片阵列3中单个线性渐变滤光片的宽度和高度。

本发明中各滤光片的间距满足如下要求：相邻两个滤光片在探测器上的成像间距至少为一个探测器像元大小p，具体设置相邻两个滤光片的间距J大于等于pL/fM₁。

本发明提的成像光谱仪可分辨的谱段数N_λ为：

$N_{\mathrm{\λ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{y,i}}{p}$

其中，n为滤光片阵列3中所含的线性渐变滤光片的个数，a_y，i为第i个线性渐变滤光片在探测器上所覆盖的垂直方向的长度，p为探测器4的像元尺寸。

本发明实施例中，微透镜阵列3被置于目标经过前置光学成像系统成像的像面上，微透镜阵列3中的一个微透镜对应于目标1经前置光学成像系统所成像的一个像素点，因此成像光谱仪的空间分辨率由微透镜阵列4中的微透镜数目决定，而微透镜数目由探测器大小和微透镜大小决定：

$(N_x,N_y)=(\frac{W_x}{d},\frac{W_y}{d})$

其中，W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸，若微透镜为圆形，则d为微透镜的直径，若微透镜为方形，则d为方形微透镜的宽度。最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(N_λ,N_x,N_y)。

本发明采用微透镜阵列作为光场调制元件，相对于采用小孔阵列作为光场调制元件，微透镜具有物理衍射极限小、高通量的优势。假设单个线性渐变滤光片经微透镜阵列在探测器像元所成理想像宽度为一个探测器像元尺寸p，由于物理衍射影响，滤光片所成实际像的宽度为p+d_PSF，其中d_PSF为光场调制元件的衍射斑直径。衍射斑直径越大，目标所成像在探测器上覆盖的像元越多，探测器像元的利用率越低。对一个直径为d，焦距为f的圆形微透镜，其点扩散衍射斑直径d_PSF,m为：

$d_{\mathrm{PSF},m}=\frac{2.44\mathrm{\λf}}{d}$

其中，λ为波长大小，小脚标m表示微透镜microlens，与后面小孔pinhole对应的下脚标p相区别。而相同焦距的小孔的点扩散衍射斑直径d_PSF,p为：

$d_{\mathrm{PSF},p}\≈3\·\sqrt{\mathrm{\λf}}(1+|M_p\left|\right)$

其中，M_p＝f/L，为小孔在成像光谱仪中的放大率，在实际中远小于1，可以忽略。因此，对波长λ=550nm的光，焦距为f＝0.54mm，直径为0.09mm的微透镜产生的衍射斑大小约为8μm，而相同焦距的小孔衍射斑大小约52μm。对比可知，相同设计参数下微透镜的衍射斑小于小孔的衍射极限，因此一个线性渐变滤光片的宽度在探测器5上实际覆盖的宽度在微透镜系统中远小于小孔系统，采用微透镜整列作为光场调制元件，有利于避免相邻线性渐变滤光片间由于系统衍射造成的图像混叠，且有利于提高探测器像元的利用率。

微透镜的直径或小孔的直径决定光学系统的光通量，光通量与小孔或微透镜面积成正比。上述焦距下小孔的合理直径大小约为因此小孔与微透镜的光通量比为：

$\frac{I_p}{I_m}=\frac{A_p}{A_m}=\frac{{\mathrm{\πS}}^2}{{\mathrm{\π}(d/2)}^2}=4\frac{\mathrm{\λf}}{d^2}$

其中，I_p和I_m分别为通过小孔和微透镜的光能，A_p和A_m分别为小孔和微透镜面积。对前述微透镜和小孔参数下，I_p/I_m大小约为0.0047。由此可见微透镜的光通量为小孔的两个数量级大小，因此，基于微透镜阵列的光场系统更加适用于微光照明下探测或要求快速曝光时间下的目标观测。

如图4所示，本发明提供的快照式高通量的光谱成像方法是：

步骤1，在光场成像机构的主镜镜片之间的孔径光阑处放置滤光片阵列3，形成前置光学成像系统，具体设主镜2由透镜组L₁和透镜组L₂组成，滤光片阵列3位于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处，滤光片阵列3经透镜组L₁得到滤光片阵列像；所述滤光片阵列3由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带。

步骤2，在前置光学成像系统的成像面放置微透镜阵列4，透镜组L₂位于滤光片阵列3与微透镜阵列4之间，在微透镜阵列4的焦平面上放置探测器5；设置滤光片阵列3中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/fM₁，p表示探测器5的一个像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像31到微透镜阵列3的距离，f为微透镜的焦距，M₁为透镜组L₁对滤光片阵列3的放大率。

步骤3，目标1发射或反射的不同方向光经过主镜2和滤光片阵列3调制后，成像于微透镜阵列4上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的目标不同方向的光分散到探测器5的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(N_λ,N_x,N_y)，其中，

$N_{\mathrm{\λ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{y,i}}{p},$ $(N_x,N_y)=(\frac{W_x}{d},\frac{W_y}{d});$

n为滤光片阵列中所含的线性渐变滤光片的个数，a_yi为第i个滤光片在探测器上所覆盖的垂直方向的长度，p为探测器的像元尺寸，W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸。

本发明采用间隔排布的渐变滤光带阵列，而非多个窄波段滤光片阵列有利于尽可能消除相邻光谱混叠的情况下提高一个微透镜所覆盖的探测器像元的利用率，从而提高成像光谱仪的光谱分辨率。图3的(a)～(d)中，采用绿色、蓝色、红色和黄色四个色系来说明，空白的每个方格表示一个探测器像元。图3的(a)所示，理想系统为多个窄波段滤光片紧密排布，经成像光谱仪成像后与探测器像元一一对应，从而最大程度利用探测器像元。实际情况下如图3的(b)所示，由于机械装夹配准等误差产生位置偏移造成一个探测器像元对应多个波段光能辐射，引起光谱混叠造成无法提取有效的光谱信息。为改变这一情况如图3(c)所示，窄波段滤光片之间间隔排布，其间距满足其在探测器上的成像间距至少为一个像元大小，该情况下4个探测器像元才能保证一个谱段信息。如图3(d)所示，图中，方格中阴影表示对应色系的渐变，采用线性渐变滤光片间隔排布保证相邻线性渐变滤光片之间无混叠，同时一个线性渐变滤光片可在其光谱变化方向连续覆盖像元，每个像元所对应的线性滤光片谱段范围可通过光学定标的确认，其探测器像元利用率为图3的(c)所示的2倍。

Claims (3)

1.一种快照式高通量的光谱成像仪，其特征在于，包括线性渐变滤光片阵列和基于微透镜阵列的光场成像机构，光场成像机构包括主镜、微透镜阵列和探测器；滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带，滤光片阵列被放置在主镜镜片之间的孔径光阑处，形成前置光学成像系统；微透镜阵列作为光场调制单元被置于前置光学成像系统的成像面，探测器被置于微透镜阵列的焦平面上；每个滤光片都与探测器的一行或者一列像元平行；

所述主镜由透镜组L₁和透镜组L₂组成，滤光片阵列位于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处，透镜组L₂位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，滤光片阵列经透镜组L₁得到滤光片阵列像，设透镜组L₁对滤光片阵列的放大率为M₁，则滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/fM₁，其中，p表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的光谱成像仪，其特征在于，所述的微透镜阵列中各微透镜的F数与前置光学成像系统的有效F数相等。

3.一种快照式高通量的光谱成像方法，其特征在于，具有如下步骤：

步骤1，在光场成像机构的主镜镜片之间的孔径光阑处放置滤光片阵列，形成前置光学成像系统，所述滤光片阵列由一个以上等宽的滤光片间隙排列组成，每个滤光片为光谱连续的线性渐变滤光带；

具体设主镜由透镜组L₁和透镜组L₂组成，滤光片阵列位于透镜组L₁和透镜组L₂之间的孔径光阑处；滤光片阵列经透镜组L₁得到滤光片阵列像；滤光片阵列中相邻两滤光片的间隙J至少为pL/fM₁，p表示一个探测器像元的尺寸大小，L为滤光片阵列像到微透镜阵列的距离，f为微透镜的焦距，M₁为透镜组L₁对滤光片阵列的放大率；

步骤2，在前置光学成像系统的成像面放置微透镜阵列，透镜组L₂位于滤光片阵列与微透镜阵列之间，在微透镜阵列的焦平面上放置探测器；

步骤3，目标发射或反射的不同方向光经过主镜和滤光片阵列调制后，成像于微透镜阵列上的某个微透镜上，该微透镜将接收到的来自目标的不同方向光分散到探测器的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得的三维光谱图像数据立方体大小为(N_λ,N_x,N_y)，其中，

$N_{\mathrm{\λ}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{a_{y,i}}{p},$ $(N_x,N_y)=(\frac{W_x}{d},\frac{W_y}{d});$

n为滤光片阵列中所含的线性渐变滤光片的个数，a_y，i为第i个滤光片在探测器上所覆盖的垂直方向的长度，W_x和W_y为探测器的长和宽，d为微透镜的尺寸。

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