CN103743482B - 一种光谱成像装置及光谱成像反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光谱成像装置及光谱成像反演方法，光谱成像装置包括依次设置的前置镜、哈达码变换编码模板、第一汇聚镜、棱镜、第二汇聚镜以及探测器：所述前置镜将目标光谱立方体辐射汇聚成平行光场，所述哈达码变换编码模板调制所述光场，所述第一汇聚镜传输调制后的所述光场至所述棱镜，所述棱镜对调制后的所述光场进行色散，所述第二汇聚镜传输色散后的所述光场至所述探测器进而成像。增加棱镜色散的编码孔径光谱成像装置的可行性，并提供多波段光谱和大面阵成像的光谱复原。

Description

一种光谱成像装置及光谱成像反演方法

技术领域

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种光谱成像装置及光谱成像反演方法。

背景技术

目前常见的光谱成像仪有色散型、干涉型、滤光片型、计算层析型和衍射光学元件型等。应用于哈达码变换（Hadamard transfer）原理的光谱仪主要是色散型，色散型又可以分为基于棱镜和光栅等形式，其中以采用光栅的色散型哈达码成像仪最为突出，如图1所示编码孔径光栅色散型光谱成像仪，通过采用具有哈达码变换性质的编码模板代替常规光谱成像仪中狭缝通光，实现多孔调制目标空间光学信息，其包括前置光学系统、哈达码变化编码模板、分光系统及数据采集系统，通过汇聚镜11将目标光场辐射汇聚成平行光场，然后经过光阑12限制杂散光，由哈达码变换编码模板13调制光路，利用衍射光栅14对光场进行色散，以及两次利用凹面反射镜15、凹面反射镜16使光学系统紧凑，最终将光谱信息成像在CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）探测器17上。

上述采用光栅的色散型成像光谱仪，所能探测到的光谱谱段数目往往受限于哈达码变换编码阶数（7阶，即7个谱段）；而且，光栅色散本身对通光调制的狭缝位置要求也很精确，采用哈达码变换模板就不可避免会引起各个波段的成像条纹光谱混叠，如不加修正和光谱复原算法相应更改，其复原结果不理想，如果采用棱镜色散，又会存在棱镜色散自身的谱线弯曲畸变以及非线性的色散效应；同时，采用的光谱复原方案都针对小区域目标光谱复原，没有针对大幅宽成像，影响哈达码成像仪应用的范围和时效性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种光谱成像装置及光谱成像反演方法，使用棱镜色散并提供多波段光谱和大面阵成像的光谱复原。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光谱成像装置，包括依次设置的前置镜、哈达码变换编码模板、第一汇聚镜、棱镜、第二汇聚镜以及探测器：

所述前置镜将目标光谱立方体辐射汇聚成平行光场，所述哈达码变换编码模板调制所述光场，所述第一汇聚镜传输调制后的所述光场至所述棱镜，所述棱镜对调制后的所述光场进行色散，所述第二汇聚镜传输色散后的所述光场至所述探测器进而成像，哈达码变换编码模板22的阶数大于等于10。

一种光谱成像反演方法，对上述光谱成像装置的成像进行复原，包括：

将各像元所对应的所有光谱从重叠光谱中一一对应的提取出来；

将各像元所对应的各光谱进行配准以及将各像元所对应的各光谱值进行标定，得到标定矩阵；

根据各像元所对应的所有光谱以及标定矩阵实现光谱复原。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于棱镜色散的光谱复原技术，改变光栅分光的局限，增加棱镜色散的编码孔径光谱成像装置的可行性，并提供多波段光谱和大面阵成像的光谱复原技术，克服光谱复原质量低、光谱波段数少、单行或单列图像复原的缺点，适用于信息工业、生物医学、食品快速检测等民用领域所需的光谱检测需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为传统编码孔径光栅色散型光谱成像仪示意图。

图2为本发明实施例提供的光谱成像装置示意图。

图3为本发明实施例提供的光谱成像反演方法中棱镜的非线性色散曲线示意图。

图4为本发明实施例提供的光谱成像反演方法中连续单色积分球定标示意图。

图5为本发明实施例提供的光谱成像反演方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提出一种基于棱镜色散的编码孔径光谱成像装置的光谱复原技术，针对类似于哈达码变换函数形式的二维编码模板对目标进行多次曝光，以及一个棱镜对编码模板调制后的光场进行色散后的光学成像进行反演解码，改变目前常见编码孔径光谱成像仪采用光栅分光的局限，增加棱镜色散的编码孔径光谱成像仪的可行性，并提供多波段光谱和大面阵成像的光谱复原新技术，克服常见编码孔径光谱成像仪光谱复原质量低、光谱波段数少、单行或单列图像复原的缺点，适用于信息工业、生物医学、食品快速检测等民用领域所需的光谱检测需求。

如图2所示，本发明实施例提供一种光谱成像装置，包括依次设置的前置镜21、哈达码变换编码模板22、第一汇聚镜23、棱镜24、第二汇聚镜25以及探测器26：

前置镜21将目标光谱立方体20辐射汇聚成平行光场，哈达码变换编码模板22调制所述光场，第一汇聚镜23传输调制后的所述光场至所述棱镜24，棱镜24对调制后的所述光场进行色散，第二汇聚镜25传输色散后的所述光场至探测器26进而成像，哈达码变换编码模板22的阶数大于等于10。

可见，前置镜21将目标光谱立方体20辐射汇聚成平行光场，哈达码变换编码模板22调制所述光场输出平行光场，第一汇聚镜23汇聚调制后的所述光场至所述棱镜24，棱镜24对调制后的所述光场进行色散输出平行光场，第二汇聚镜25汇聚色散后的所述光场至探测器26进而成像。利用第一汇聚镜头进行传输光场，通过棱镜对光场进行色散，以及利用第二汇聚镜头使光学系统紧凑，最终将光谱信息成像在探测器上。

其中，哈达码变换编码模板具有很多狭缝小孔（编码单元孔），实现多孔调制目标空间光学信息，哈达码变换编码模板阶数是指各行都正交的最多行数量。哈达码变换编码模板24可以由步进电机进行驱动，每次沿着列移动一个编码单元（码元）的距离，也即每次步进一行，探测器26对应的采集一次信号，哈达码变换编码模板22移动n次后完成编码n次采集到的信号，使最终所有曝光次数所得的各幅采集图像联同具备哈达码循环矩阵属性。经哈达码变换解码等光谱复原计算后最终得到目标在各谱段的光谱图像。

还有，哈达码变换编码模板22每步进一次成像时，哈达码变换编码模板22当下的编码形式是正交的函数形式。

可见，哈达码变换编码模板阶数提高，其相应的光谱分割波段数就可以增加，同时增大模板本身的面积，可以实现大面阵成像，相比低阶数模板（如7阶）要实现大面阵只能靠编码单元孔增大，这样成像面积可以增大，但是成像分辨率会降低。

把整个成像过程用数学矩阵表达，其成像过程的表达式为：

$M_{{\mathrm{hi}}^{\′}{j}^{\′}}=\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{hij}}{X}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}---\left(1\right)$

其中，M_hi′j′表示所述探测器上第(i′,j′)像素的光辐射值，S_hij表示所述哈达码变换编码模板在第h步循环（即第h次成像）中第(i,j)点的光调制作用，X_iji′j′表示所述探测器上第(i′,j′)像素中有贡献的景物第(i,j)点的原始光谱辐射值，因此得到M_hi′j′将遍历所有的(i,j)点在所述探测器第(i′,j′)像素的光谱辐射值乘积再求和。有贡献的景物可以理解为经过哈达码变换编码模板第h步的各个狭缝小孔时，如果第(i,j)点原始景物点恰好能够顺利通光穿过哈达码变换编码模板，进入探测器则称其为有贡献的。

可见，相比同类型采用7或4n-1阶数的哈达码变换光谱仪方案，哈达码变换编码模板22的阶数更随意、更大，复原光谱范围宽，光谱波段数目大，可以不受限于某种属性小阶数的哈达码循环矩阵函数设计，小至几个波段数，大至数十、上百波段数均可设计实现；光谱波段从可见光到近红外和中波红外均可以。

如图2所示，哈达码变换编码模板22可以为10阶。

前置镜可以为；各种球面或非球面前置镜。

棱镜可以为阿米西Amici棱镜；或者非球面棱镜等。

第一汇聚镜可以为各种球面或非球面汇聚镜。

第二汇聚镜可以为各种球面或非球面汇聚镜。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于棱镜色散的光谱复原技术，改变光栅分光的局限，增加棱镜色散的编码孔径光谱成像装置的可行性，并提供多波段光谱和大面阵成像的光谱复原技术，克服光谱复原质量低、光谱波段数少、单行或单列图像复原的缺点，适用于信息工业、生物医学、食品快速检测等民用领域所需的光谱检测需求。

本发明实施例提供一种光谱成像反演方法，对上述光谱成像装置的成像进行复原，包括：

步骤1、将各像元所对应的所有光谱从重叠光谱中一一对应的提取出来；

步骤2、将各像元所对应的各光谱进行配准排除棱镜色散的误差以及将各像元所对应的各光谱值进行标定，得到标定矩阵；

步骤3、根据各像元所对应的所有光谱以及标定矩阵实现光谱复原。

具体的，步骤1所述将各像元（指原始景物点）所对应的所有光谱从重叠光谱中一一对应的提取出来，数学表达上每个像元的空间信息和光谱信息分离则采用下面的逆运算公式：

${\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{hij}}^{-1}{M}_{{\mathrm{hi}}^{\′}{j}^{\′}}---\left(2\right)$

其中，表示探测器上第(i′,j′)像素中有贡献的景物第(i,j)点的求解近似光谱辐射值，表示哈达码变换编码模板的逆矩阵在第h步循环中第(i,j)点的光解调作用，M_hi′j′表示成测器上第(i′,j′)像素的光辐射值，对h求和表示需要对所有的循环步数求和，得到将遍历哈达码变换编码模板的逆矩阵所有的循环步数中共同的某(i,j)点在探测器某(i′,j′)像素的光谱辐射值乘积再求和。

这类似于采用了傅利叶光谱成像仪的多通道探测优势。傅利叶光谱成像仪是当仪器获得一幅干涉图以后，通过傅氏变换可以在很宽的光谱范围内取得光谱图(仅受限于探测器的响应波段)，所有通道之间具有彼此正交性，且都对应于同一测量时段和视场；换句话说相当于某一数据可正向分解为很多的正交性分量，而足够的正交性分量逆向重构可得原始数值的最优估计一样，在同一测量时段和视场内，采用正交性哈达码变换编码模板的分量变化分成多次对输入景物调制曝光，就类似获得多个输入景物的正交分量数据，随曝光次数（即正交分量数量）和正交性哈达码变换编码模板的设计，可重构的景物线性运算拟合逼近原始输入景物。

具体的，步骤2中将各像元所对应的各光谱进行配准排除棱镜色散的误差，可以包括：

根据棱镜的非线性色散函数曲线f_x,y(λ)，其中，横坐标为色散大小幅度值x，纵坐标为波长值y，以及探测器像素值p，得到，

C_ij＝f_x,y(λ)/p （3）

${\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}^{\′}{\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}\·C_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$

其中，C_ij表示经过棱镜色散后到探测器显示出的离散化的光场非线性色散参数，表示经过离散化非线性色散参数修正后的

如图3为棱镜的非线性色散曲线示意图，其为一个实物Amici棱镜经检测475nm-775nm各波长色散效应所拟合得一维非线性色散函数曲线示意图，横坐标为色散大小幅度值x：mm（毫米），纵坐标为波长值y：mm，每个波长等间距下，纵坐标数值相差不等同。可见，采用棱镜作为分光元件，在光谱色散成像时将不可避免存在谱带弯曲和非线性谱线色散效应，也就是说一个波长的光线不一定都成像在探测器同一行/列的像素上，而波长色散时各波长也不是均匀色散开在探测器上，因此，配准纠正内在器件（棱镜）所引起的误差。

具体的，步骤2中将各像元所对应的各光谱值进行标定，可以包括：

采用连续单色积分球定标实现连续的单色均匀面光源，按各像元各波长得到每个波段的X_iji′j′定标值。

可见，为获得精确光谱成像结果，要降低来源于成像仪装调误差，因此最终的成像光谱仪的光谱定标必不可少，这直接关系到光谱图像复原结果的精准性。本发明实施例光谱成像反演方法，采用连续单色积分球定标实现连续的单色均匀面光源，按各像元各波长对其成像光谱辐射度值进行定标配准，实现了每个像元的空间信息和光谱信息的精确分离重建，整个景物的光谱三维立方体的重构得以实现即可。

连续单色积分球定标可以参考现有技术理解，在此不展开说明。连续单色积分球定标可以实现高均匀单色面光源，但是面光源的辐亮度通常较低，从而导致高光谱成像装置获取的数据中的噪声影响较大。而高辐亮度连续单色积分球由于有高辐射亮度可以更好的定标，也可以参考实现。

如图4为本发明实施例所提供的连续单色积分球定标方案，包括单色积分球40、积分球光源41、辅助光路42、光谱成像装置43及控制计算机44组成，其中，辅助光路42用于模拟无穷远目标，保证积分球出光口中的每一点的光都以平行光入射到光谱成像装置，积分球光源41可以是单色仪，在定标中起到积分球光源作用。计算机控制光谱成像装置的采集、定标数值分析，并控制积分球光源41产生所需波长的单色光。

下面说明标定矩阵：波段1、2、3、…100，每个波段都有一个该波段的单色光成像二维矩阵，然后这100个二维矩阵再按照色散成像散开的距离（以CCD像元个数为准）形成一个三维矩阵。

进而，步骤3根据各像元所对应的所有光谱以及标定矩阵实现光谱复原。

根据光谱以及标定矩阵实现光谱复原可以参考现有技术得理解。

如图5为本发明实施例所提供的棱镜色散光谱成像装置的光谱复原方案流程图：

步骤51、判断l的取值，l=1,2,K。K是指哈达码变化编码模板的阶数。

步骤52、读入曝光所有次数输出的第l行图像（N个像素），按照曝光次数先后排列组成新矩阵A。A为（M*N），N为探测器的列像素数量（一行有N个像素），M为探测器的行像素数量。

步骤53、判断j的取值，j=1,2,N。

步骤54、提取矩阵A的第j列形成向量B。

步骤55、判断i的取值，i=1,2,M。

步骤56、向量B与反演矩阵C的第i行点积相加去求和得到第j点所有光谱段的光谱值。C为定标所得的i为各个阶时的定标矩阵，总的定标矩阵应该是3维度的，每个阶时定标二维矩阵为M*N。

步骤57、按照第i行循环分别得到第i行所有点光谱值。

步骤58、按照曝光所有次数输出的第L行图像循环分别得到景物第L行所有点光谱值。

步骤59、复原得到最终景物的所有点的所有光谱波段数值，形成光谱立方体。

本发明实施例的光谱成像装置及光谱成像反演方法，可以改变哈达码变换编码模板数学矩阵函数中部分数学形式，或者哈达码变换编码模板的阶数等，如7阶或4n-1阶（n为自然数）哈达码变换编码模板；

或者，可以改变分光棱镜的数量以及相关参数如棱镜的大小、所使用的光学材料等；

或者，可以改变光谱复原求解中矩阵求解采用的数学技巧；

本发明实施例的光谱成像装置及光谱成像反演方法与现有技术方案相比，具有的优点包括：

光谱成像装置结构紧凑，加工装调简单、稳定性好，易于实现轻量化小型化的生产要求；

相比同类型采用衍射光栅的编码孔径光谱成像装置方案，能量利用率高，棱镜在可见光、近红外甚至中波红外谱段可以做到80～90%以上的透过率，针对不同棱镜的色散特性可以拟合相应的非线性色散曲线，然后再合并入整个光谱反演方案中，从而解决了传统棱镜色散常见的谱带弯曲和谱线弯曲现象；

相比同类型编码孔径光谱成像装置的光谱复原方案，可以实现大面阵成像面阵探测器的光谱复原；

相比同类型采用7或4n-1阶数的哈达码变换光谱仪方案，不必采用哈达码变换特性的矩阵，矩阵阶数更随意、更大，复原光谱范围宽，光谱波段数目大，可以不受限于某种属性小阶数的哈达码循环矩阵函数设计，小至几个波段数，大至数十、上百波段数均可设计实现；光谱波段从可见光到近红外和中波红外均可以。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光谱成像装置，其特征在于，包括依次设置的前置镜、哈达码变换编码模板、第一汇聚镜、棱镜、第二汇聚镜以及探测器：

所述前置镜将目标光谱立方体辐射汇聚成平行光场，所述哈达码变换编码模板调制所述光场，所述第一汇聚镜传输调制后的所述光场至所述棱镜，所述棱镜对调制后的所述光场进行色散，所述第二汇聚镜传输色散后的所述光场至所述探测器进而成像，哈达码变换编码模板的阶数大于等于10；

所述哈达码变换编码模板每次沿着列移动一个编码单元的距离，所述探测器对应的采集一次信号，所述哈达码变换编码模板移动n次后完成编码n次采集到的信号为：

$M_{{\mathrm{hi}}^{\′}{j}^{\′}}=\underset{ij}{\Σ}{S}_{hij}{X}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}$

其中，M_hi′j′表示所述探测器上第(i′,j′)像素的光辐射值，S_hij表示所述哈达码变换编码模板在第h步循环中第(i,j)点的光调制作用，X_iji′j′表示所述探测器上第(i′,j′)像素中有贡献的景物第(i,j)点的原始光谱辐射值，因此得到M_hi′j′将遍历所有的(i,j)点在所述探测器第(i′,j′)像素的光谱辐射值乘积再求和。

2.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于，

所述前置镜为球面或非球面前置镜；

所述棱镜为非球面棱镜；

所述第一汇聚镜为球面或非球面汇聚镜；

所述第二汇聚镜为球面或非球面汇聚镜。

3.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于，所述棱镜为阿米西Amici棱镜。

4.一种光谱成像反演方法，其特征在于，对权利要求1-3中任一所述光谱成像装置的成像进行复原，包括：

将各像元所对应的所有光谱从重叠光谱中一一对应的提取出来；

将各像元所对应的各光谱进行配准排除棱镜色散的误差以及将各像元所对应的各光谱值进行标定，得到标定矩阵；

根据各像元所对应的所有光谱以及标定矩阵实现光谱复原。

5.根据权利要求4所述的光谱成像反演方法，其特征在于，根据如下逆运算公式提取光谱信息：

${\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}=\underset{h}{\Σ}{S}_{hij}^{-1}{M}_{{\mathrm{hi}}^{\′}{j}^{\′}}$

其中，表示探测器上第(i′,j′)像素中有贡献的景物第(i,j)点的求解近似光谱辐射值，表示哈达码变换编码模板的逆矩阵在第h步循环中第(i,j)点的光解调作用，M_hi′j′表示成测器上第(i′,j′)像素的光辐射值，对h求和表示需要对所有的循环步数求和，得到将遍历哈达码变换编码模板的逆矩阵所有的循环步数中共同的(i,j)点在探测器某(i′,j′)像素的光谱辐射值乘积再求和。

6.根据权利要求4或5所述的光谱成像反演方法，其特征在于，将各像元所对应的所有光谱从重叠光谱中一一对应的提取出来，包括：

判断l的取值，l＝1,2,K，K是指哈达码变化编码模板的阶数；

读入曝光所有次数输出的第l行图像，按照曝光次数先后排列组成新矩阵A，A为(M*N)，N为探测器的列像素数量，M为探测器的行像素数量；

判断j的取值，j＝1,2,N；

提取矩阵A的第j列形成向量B；

判断i的取值，i＝1,2,M；

向量B与反演矩阵C的第i行点积相加去求和得到第j点所有光谱段的光谱值，C为定标所得的i为各个阶时的定标矩阵；

按照第i行循环分别得到第i行所有点光谱值；

按照曝光所有次数输出的第L行图像循环分别得到景物第L行所有点光谱值。

7.根据权利要求4或5所述的光谱成像反演方法，其特征在于，将各像元所对应的各光谱进行配准排除棱镜色散的误差，包括：

根据棱镜的非线性色散函数曲线f_x,y(λ)，其中，横坐标为色散大小幅度值x，纵坐标为波长值y，以及探测器像素值p，得到，

C_ij＝f_x,y(λ)/p

${\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}^{\′}={\hat{X}}_{{\mathrm{iji}}^{\′}{j}^{\′}}\·C_{ij}$

其中，C_ij表示经过棱镜色散后到探测器显示出的离散化的光场非线性色散参数，表示经过离散化非线性色散参数修正后的

将各像元所对应的各光谱值进行标定，包括：

采用连续单色积分球定标实现连续的单色均匀面光源，按各像元各波长得到每个波段的X_iji′j′定标值。