CN106768327B - 一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法 - Google Patents

一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法，该方法利用的装置包括成像目标、准直系统、液晶可调谐滤波器(LCTF)、成像透镜和探测器阵列，该光谱重建方法包括如下步骤：1)成像光谱数据预处理；2)生成三维数据立方体D(x，y，λ)；3)建立液晶可调谐滤波器光谱混叠函数模型；4)结合Richardson‑Lucy算法进行光谱重建。本发明有效地去除了光谱模糊，提高了光谱精度和光谱分辨率，恢复了成像光谱的真实信息。

Description

一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法
技术领域
本发明涉及光谱测量和光谱成像领域，特别涉及一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法。
背景技术
液晶可调谐滤波器(简称LCTF)由线性偏振器、固定阻滞器和液晶分子组成，通过外界电压的变化改变液晶分子的排列方向，使输出光谱间互相干涉，目标波长光谱信号增强，其它波长光谱信号减弱，从而输出不同波长的光谱。液晶可调谐滤波器(LCTF)具有覆盖光谱范围广、调谐连续、结构简单紧凑、响应速度快和通光口径大等优点，在生物医学、半导体、农业、遥感和天文等涉及光谱测量或光谱成像的领域有重要的应用。
基于液晶可调谐滤波器(LCTF)的光谱成像系统，通过设定不同的中心波长对成像目标进行采样，然后分时扫描获取对应中心波长处的二维空间图像。整合所有的二维空间图像数据，形成一个三维数据立方体D(x，y，λ)，每个空间位置(x，y)的波长λ维度的信息为该空间点的光谱信息。然而，液晶可调谐滤波器(LCTF)结构中包含的多个线性偏振器，导致透过率损失严重，为了使探测器能积分获得足够的光强，液晶可调谐滤波器(LCTF)应具有足够大的透过带宽。而大的透过带宽，又导致不同波长处的透过率曲线互相混叠，使探测器测得的当前波段的光强混有其它波段的信息，即产生了光谱模糊，造成光谱精度不高，光谱分辨率低的问题。
国内着重于液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱系统的应用而对于液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱重建的相关研究较少，为了去除成像光谱模糊，恢复成像光谱的真实信息，本发明提出了一种液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱重建方法及装置。该方法实现了液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱的重建，并有效地去除了光谱模糊，提高了光谱精度和光谱分辨率，恢复了成像光谱的真实信息。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱存在的光谱模糊，提出了一种液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱重建方法，有效地去除了光谱模糊，提高了光谱精度和分辨率，实现了LCTF)成像光谱的重建。
本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱重建方法，该方法利用的装置包括成像目标、准直系统、液晶可调谐滤波器(LCTF)、成像透镜和探测器阵列，成像过程如下：成像目标发出或反射的光经准直系统准直，再经过液晶可调谐滤波器(LCTF)滤光，最后经成像透镜成像于探测器阵列上，调节液晶可调谐滤波器(LCTF)的控制电压，使不同频率的光通过，如此扫描获得各个波段的图像数据。该方法的流程图见图2，具体步骤如下：
步骤1)成像光谱数据预处理
对液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱成像系统分时扫描成像获取的各个波段的图像数据进行预处理，主要包括暗电流扣除、平场校正及流量校正等。
步骤2)生成三维数据立方体D(x，y，λ)
整合步骤1)中预处理完毕的各个波段的图像，生成空间(x，y)维度和波长λ维度的三维数据立方体D(x，y，λ)。
步骤3)建立液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱混叠函数模型
获取液晶可调谐滤波器(LCTF)扫描成像所对应各个波长处的光谱透过率曲线，并用高斯分布模型进行拟合。将所有拟合完毕后的光谱透过率曲线组合，形成液晶可调谐滤波器(LCTF)的光谱混叠函数模型SMF。
步骤4)结合RL算法进行光谱重建
液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱成像系统的数学模型为：
d(x，y，λ)＝i(x，y，λ)+n(x，y，λ) (1)
i(x，y，λ)＝∑u，x，yo(u，v，γ)h1(x-u，y-v，λ)h2(λ，γ) (2)
其中，d(x，y，λ)是混有噪声的图像数据，i(x，y，λ)是不含噪声的图像数据，n(x，y，λ)是探测器的光子计数噪声，为泊松分布噪声。o(u，v，γ)是真实光谱图像数据，h1(u，v)是系统空间模糊函数，取决于系统的PSF，h2(λ，γ)是步骤3)中液晶可调谐滤波器(LCTF)的光谱混叠函数SMF。
Richardson-Lucy算法是泊松噪声模型下的极大似然估计图像数据复原方法，结合液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱成像系统数学模型后算法迭代关系的推导如下：
在泊松噪声模型下,光谱图像数据中所有的点(x，y，λ)的概率质量函数PMF为,
其中D(x，y，λ)为步骤2)中所得的三维数据立方体。对(3)式取对数可得,
ln(P[d(x，y，λ)＝D(x，y，λ)])＝∑x，y，λD(x，y，λ)ln(i(x，y，λ))-i(x，y，λ)-ln(D(x，y，λ)！)
(4)
对光谱图像中一点o(u0，v0，γ0)求偏导，并令偏导数等于零，以最大化(4)式的值，相当于使(3)式中的PMF最大化。那么(4)式变为，
根据(2)式有，
把(6)式代入(5)式，可将(5)式化为，
只考虑波长维度的重建，所以可以消除h1(u，v)的影响，再在(7)式两边同时乘以点o的光谱图像数据o(u0，v0，γ0)，可得出真实光谱图像数据的迭代关系公式：
iold(x，y，λ)＝∑x，y，λoold(u，v，λ）h2(λ，γ) (9)
其中onew(u0，v0，γ0)和oold(u0，v0，γ0)为点o的真实光谱图像迭代前后的数据。
一旦给出一个真实光谱图像数据的初始估计，当迭代终止条件满足就停止运算。可设定最大迭代次数K为迭代终止条件。对目标每个空间位置点的光谱分别进行迭代重建，整合形成重建后的三维数据立方体。
本发明的有益效果在于：本发明实现了液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱重建，并有效地去除了光谱模糊，提高了光谱精度和光谱分辨率，恢复了成像光谱的真实信息。
附图说明
图1为本发明所提供的液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱成像系统装置结构示意图；
图2为本发明所提供的液晶可调谐滤波器(LCTF)成像光谱重建方法的流程图；
图3为液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱混叠函数SMF；
图4为液晶可调谐滤波器(LCTF)光谱重建前后的对比图。
图中附图标记含义为：1为成像目标，2为准直系统，3为液晶可调谐滤波器(LCTF)，4为成像透镜，5为探测器阵列。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明提出了一种LCTF成像光谱重建方法，该方法利用的装置包括成像目标1、准直系统2、液晶可调谐滤波器(LCTF)3、成像透镜4和探测器阵列5。成像过程如下：成像目标1发出或反射的光经准直系统2准直，再经过液晶可调谐滤波器(LCTF)3滤光，最后经成像透镜4成像于探测器阵列5上，调节液晶可调谐滤波器(LCTF)3的控制电压，使不同频率的光通过，如此扫描获得各个波段的图像数据。
为了更好地说明本发明的方法与步骤，利用可见波段的LCTF光谱成像系统测试Hg(Ar)灯谱(光谱范围400nm-700nm)，并进行光谱重建仿真实验。预先设定LCTF的采样波长，此处设定起始采样波长为400nm，采样间隔为10nm，终止采样波长为700nm。
该方法的流程示意图见图2，其具体实施步骤如下：
1)成像光谱数据预处理
对LCTF光谱成像系统分时扫描成像获取的各个波段的图像数据进行预处理，主要包括暗电流扣除、平场校正及流量校正等。
2)生成三维数据立方体D(x，y，λ)
整合步骤1)中预处理完毕的各个波段的图像，生成空间(x，y)维度和波长λ维度的三维数据立方体D(x，y，λ)。
3)建立LCTF光谱混叠函数模型
获取LCTF扫描成像所对应各个波长处的光谱透过率曲线，并用高斯分布模型进行拟合。将所有拟合完毕后的光谱透过率曲线组合，形成LCTF的光谱混叠函数模型(SMF)，如图3所示。
4)结合RL算法进行光谱重建
真实光谱图像数据的迭代关系公式：
iold(x，y，λ)＝∑x，y，λoold(u，v，λ）h2(λ，γ)
其中D(x，y，λ)为步骤2)中所得的三维数据立方体，onew(u0，v0，γ0)和oold(u0，v0，γ0)分别为真实光谱图像迭代前、后的数据，iold(x，y，λ)为不含噪声的图像数据，h2(λ，γ)是步骤3)中的LCTF的光谱混叠函数SMF。
设定目标(u0，v0)点处的真实光谱图像各像素点的初始估计(0到1之间的随机数)。依据仿真经验，设定最大迭代次数K，可迭代计算获得重建光谱。(u0，v0)点处重建前后的光谱如图4所示。由图4可知重建前的光谱分辨率较低，难以区分546nm和577nm处的特征谱线，特征谱线的位置和幅度也存在偏差。而光谱通过本发明的方法重建后，光谱分辨率，特征谱线的位置精度和幅度精度都得到了提高，基本吻合真实光谱。因此，本发明的方法有效地去除了光谱模糊，提高了光谱精度和光谱分辨率，实现了LCTF成像光谱重建。
对目标每个空间位置点的光谱分别进行迭代重建，最后形成重建后的三维数据立方体。

Claims (2)

1.一种液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法，所述方法利用的装置包括成像目标(1)、准直系统(2)、液晶可调谐滤波器LCTF(3)、成像透镜(4)和探测器阵列(5)，成像过程如下：成像目标(1)发出或反射的光经准直系统(2)准直，再经过液晶可调谐滤波器LCTF(3)滤光，最后经成像透镜(4)成像于探测器阵列(5)上，调节液晶可调谐滤波器LCTF(3)的控制电压，使不同频率的光通过，如此扫描获得各个波段的图像数据，其特征在于：所述成像光谱重建方法包括以下步骤：
步骤1)成像光谱数据预处理，包括各个波段的图像的暗电流扣除、平场校正及流量校正；
步骤2)生成三维数据立方体D(x，y，λ)，通过整合步骤1)中预处理完毕的各个波段的图像后生成，包括空间(x，y)维度和波长λ维度；
步骤3)建立液晶可调谐滤波器光谱混叠函数模型，建立方法如下：首先获取液晶可调谐滤波器扫描成像所对应各个波长处的光谱透过率曲线，再用高斯分布模型进行拟合，最后将所有拟合完毕后的光谱透过率曲线组合，形成液晶可调谐滤波器的光谱混叠函数模型SMF；
步骤4)结合Richardson-Lucy算法进行光谱重建，算法进行光谱重建的迭代关系式如下：
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iold(x，y，λ)＝∑x，y，λoold(u，v，λ)h2(λ，γ)
其中，D(x，y，λ)为步骤2)中所得的三维数据立方体，h2(λ，γ)是步骤3)中液晶可调谐滤波器的光谱混叠函数SMF，onew(u0，v0，γ0)和oold(u0，v0，γ0)分别为真实光谱图像迭代前、后的数据，iold(x，y，λ)为不含噪声的图像数据，设定一个真实光谱图像数据的初始估计，当迭代终止条件满足就停止运算，最后一次迭代的onew(u0，v0，γ0)为重建后的光谱图像数据。
2.根据权利要求1所述的液晶可调谐滤波器成像光谱重建方法，该方法还适用于声光可调谐滤波器或磁光调谐滤波器光谱成像系统的光谱重建。
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