CN106872035A - 量子点光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子点光谱成像系统，其包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带。该方案基于量子点的光谱成像系统，相对传统的光谱成像仪具有性能稳定、能量利用率高、结构简单、体积小、重量轻和成本低廉等优点，其有效的降低了系统的复杂程度和研制成本，适用于机载或星载设备，特别是满足载荷小型化的应用需求；此外，采用光谱重构算法也可以很好的还原入射光谱。

Description

量子点光谱成像系统

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种量子点光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术能实现对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的监测能力、目标识别，具有其它遥感技术不可取代的优势。根据光谱成像仪工作原理的不同，光谱成像仪可以分为色散型、干涉型、滤光片型和计算光谱成像型。

目前光谱成像技术的小型化是航空航天遥感技术的新要求，现有的光谱成像技术取得了长足的进步，但仍存在着一定的不足：

1)对于色散型成像光谱仪或者傅里叶变换成像光谱仪均带有狭缝，这样会极大的造成光能量的损失，限制了光谱相机的信噪比提高。这类仪器均需要复杂的分光器件，如分光棱镜或者衍射光栅，造成系统体积庞大、造价昂贵、研制难度高，很难满足载荷小型化的要求。例如，德国的EnMap的高光谱成像仪采用Fery曲面棱镜的光谱仪，Fery曲面棱镜光谱仪系统体积大，在前置望远镜后焦面放置狭缝，造成能量极大损失。需要复杂的光学系统，这些结构通常包括数量较多的分光元件且安装精度要求非常高，这些都会增加了系统的重量、体积和研制成本，很难满足载荷小型化的要求。

2)采用滤光片或是线性渐变滤光片的成像光谱仪，虽然能够满足小型化的需求，但是波段数有限，且存在着光子效率、光谱分辨率和光谱范围窄的不足。例如，西安光机所研制的滤光片阵列的多光谱相机，其在相机系统加入了一个滤光片，放置在CCD探测器前，在滤光片基板上沿着垂直于飞行的方向镀制多个窄带滤光膜；然而，滤光片镀膜工艺限制了其谱段的数量，无法作为高光谱成像仪使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子点光谱成像系统，具有高光谱分辨率，高能量利用率，体积小、光谱范围宽和成本低等优势。量子点材料的诸多优势可以预见其在光谱成像技术中应用的巨大潜力，为光谱成像技术的发展及其小型化提供新的方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种量子点光谱成像系统，包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；

利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。

一量子点条带的量子点光谱透过率及其覆盖的探测器像元的光谱响应的综合作用构成了该量子点条带的光谱透过率函数，沿推扫方向共制作i种具有不同光谱透过率函数的量子点条带，其光谱透过率函数分别为T_i(λ)；

每一量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)利用氙灯光源、单色仪和积分球组成的装置进行测试，氙灯光源发出光束，利用单色仪输出单色光进入积分球后在其出口处获得单色光均匀照明面，将量子点条带和探测器集成后放在均匀照明面附近从而对整个探测器的光谱相应进行测试，获得量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)。

利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标；推扫成像过程中，当进行第1帧探测时，不同视场的条带状探测目标发出的光束通过前置望远镜和相应的量子点条带后被探测器接收；当第2帧探测时，条带状探测目标的数据立方体沿着推扫方向移动，条带状探测目标的第2行数据相应的被量子点阵列片上第2行接收，以此类推；

当图谱数据立方体遍历完整个量子点阵列片后，每一个条带状探测目标依次通过了量子点阵列片的i种不同的量子点条带，得到了i次的采样数据。

所述光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体包括：

假设入射光谱曲线为通过n_F个量子点条带，同时测量通过每一个量子点条带后的透射光强I_i：

其中，T_i(λ)为第i个量子点条带的光谱透过率函数；

将连续的入射光谱分成由n_λ个离散波长组成，则上式变为：

上式中，离散波长的光谱间隔为Δ＝(b-a)/(n_λ-1)和λ_j＝a+(j-1)×Δ；当j＝1和j＝n_λ时Δλ_j＝Δ/2，当j为其他数值时，Δλ_j＝Δ；

将上式写成矩阵方程：

上式中，数据向量I∈R^i×1由入射光谱通过量子点后所形成的光强所组成，数据矩阵T(λ)∈R^i×j中每一行表示量子点不同波长的光谱吸收率；

在理想情况下，入射光谱的离散波长数量n_λ和量子点条带数量n_F相等，则利用最小二乘线性回归的计算方法获得该入射光谱曲线

在实际测量过程中，会存在一定的观测误差或噪声n，则上述矩阵方程变为：

如果离散波长数量n_λ小于等于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为超定矩阵求解，则采用最小二乘法和Tikhonov正则化和遗传算法等得到最优解；如果离散波长数量n_λ大于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为欠定矩阵求解，则采用L1范数最小化理论，或者利用转换矩阵，即通过减少线性方程组未知量个数，将欠定矩阵转变为超定矩阵方程的求解。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于量子点的光谱成像系统，相对传统的光谱成像仪具有性能稳定、能量利用率高、结构简单、体积小、重量轻和成本低廉等优点，其有效的降低了系统的复杂程度和研制成本，适用于机载或星载设备，特别是满足载荷小型化的应用需求；此外，采用光谱重构算法也可以很好的还原入射光谱。

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为本发明实施例提供的一种量子点光谱成像系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的量子点阵列片的示意图；

图3为本发明实施例提供的不同量子点条带的光谱透过率函数示意图；

图4为本发明实施例提供的测试量子点条带的光谱透过率函数的示意图；

图5为本发明实施例提供的推扫成像时测量条带状探测目标的示意图；

图6为本发明实施例提供的仿真试验中入射光谱与重建光谱的示意图；

图7为本发明实施例提供的入射图像与光谱重建后图像的示意图；

图8为本发明实施例提供的原光谱的RGB合成图与图像中红旗上某一点的光谱图；

图9为本发明实施例提供的重建后RGB合成图与红旗上同一点的光谱图。

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。

图1为本发明实施例提供的一种量子点光谱成像系统，如图1所示，其主要包括：依次设置的前置望远镜101、量子点阵列片102和图像探测器103；所述图像探测器103位于前置望远镜101的后焦面处；如图2所示，所述量子点阵列片101是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；

利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。

本发明实施例中，量子点材料成分通常可为CdSe,CdS和ZnSe等，能够覆盖的光谱范围从200nm-5μm，覆盖了紫外、可见光和红外范围，能够满足光谱成像仪器的需求。具有不同光谱透过率特性的量子点材料可以通过使用不同量子点材料，改变量子点颗粒大小和形状实现。本发明主要利用量子点材料对光谱的吸收特性，因此在制作量子点阵列板时需要将量子点材料的荧光效应淬灭掉，避免量子点材料发出的荧光影响测量结果。

本发明实施例中，一量子点条带的量子点光谱透过率及其覆盖的探测器像元的光谱响应的综合作用构成了该量子点条带的光谱透过率函数，沿推扫方向共制作i种具有不同光谱透过率函数的量子点条带，其光谱透过率函数分别为T_i(λ)；如图3所示，为9种不同量子点条带的光谱透过率函数，不同量子点条带的光谱透过率函数曲线可以有重叠区域。

每一量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)利用氙灯光源、单色仪和积分球组成的装置进行测试，如图4所示，氙灯光源发出光束，利用单色仪输出单色光进入积分球后在其出口处获得单色光均匀照明面，将量子点条带和探测器集成后放在均匀照明面附近从而对整个探测器的光谱相应进行测试，获得量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)。

本发明实施例中，利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标；如图5所示，推扫成像过程中，当进行第1帧探测时，不同视场的条带状探测目标发出的光束通过前置望远镜和相应的量子点条带后被探测器接收；当第2帧探测时，条带状探测目标的数据立方体沿着推扫方向移动，条带状探测目标的第2行数据相应的被量子点阵列片上第2行接收，以此类推；当图谱数据立方体遍历完整个量子点阵列片后，每一个条带状探测目标依次通过了量子点阵列片的i种不同的量子点条带，得到了i次的采样数据。

本发明实施例中，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。

所述光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体如下：

假设入射光谱曲线为通过n_F个量子点条带，同时测量通过每一个量子点条带后的透射光强I_i：

其中，T_i(λ)为第i个量子点条带的光谱透过率函数，为已知量；为待求解的未知量；

为了获得上式的数值解，将连续的入射光谱分成由n_λ个离散波长组成，则上式变为：

上式中，离散波长的光谱间隔为Δ＝(b-a)/(n_λ-1)和λ_j＝a+(j-1)×Δ；当j＝1和j＝n_λ时Δλ_j＝Δ/2，当j为其他数值时，Δλ_j＝Δ；在给定波长范围的情况下，增加n_λ的数量，可以增加光谱分辨率。

将上式写成矩阵方程：

上式中，数据向量I∈R^i×1由入射光谱通过量子点后所形成的光强所组成，数据矩阵T(λ)∈R^i×j中每一行表示量子点不同波长的光谱吸收率；未知量的行数代表离散波长数量，值越多，光谱分辨率越高。

在理想情况下，入射光谱的离散波长数量n_λ和量子点条带数量n_F相等，则利用最小二乘线性回归的计算方法获得该入射光谱曲线

在实际测量过程中，会存在一定的观测误差或噪声n，即I＝I₀+n；其中I₀和n分别为无误差数据向量和误差向量。将上述矩阵方程加入误差向量则变为：

由于测量误差和系统噪声的存在，使上式的方程组是病态的，重建之后的光谱与入射光谱相差较大。为了能够更好的重建光谱，算法的选取将是决定性的因素。实际中，通常有两种情况，如果离散波长数量n_λ小于等于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为超定矩阵求解，则采用最小二乘法和Tikhonov正则化和遗传算法等得到最优解；如果离散波长数量n_λ大于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为欠定矩阵求解，则采用L1范数最小化理论，或者利用转换矩阵，即通过减少线性方程组未知量个数，将欠定矩阵转变为超定矩阵方程的求解。

另一方面，由于测量误差和噪声的存在，重建光谱的准确性受误差影响。本发明实施例还采用有效均方误差(MSE)评价重建光谱的准确性：

式中，为计算所得的参数，为原始的光谱参数。

还可以通过计算偏离原始图像的误差来衡量重建图像的质量。本发明实施例中，采用有效均方误差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)，峰值信噪比反映两幅图像之间的相似程度，其值越高说明两幅图像之间的差别越小。并绘制不同波长的峰值信噪比曲线；相关计算公式如下：

其中，M、N分别表示图像的行数和列数，为通过计算和光谱分离得到的波长λ第m行第n列的光强，为相应波段和位置的光强，L为图像中光强最大的值

为了分析不同情况下的算法的失真度，采用相对光谱二次误差(RQE)，RQE是用复原光谱和原始光谱之间在整个光谱维上计算相对偏差表示其光谱失真，其计算公式如下：

式中，为原始数据，为重建数据，RQE越大，意味着失真度越大。

也可以利用光谱角余弦(SAC)作为光谱相似度量。SAC能够同时反映光谱向量在数值上的差异和光谱曲线形状上的差异。其数学模型为：

式中，和为像元入射光谱和重建光谱的矢量，为和的内机运算。光谱角越小，两个光谱向量的相似度越高，SAC越接近1。

另外，为了说明本发明上述方案的效果，还进行了仿真实验。

本仿真实验中，利用入射光谱采样间隔为0.5nm，光谱响应范围为400～700nm，采用220个量子点(即量子点条带数量n_F＝220)，并利用最小二乘法进行光谱重建。如图6所示为光谱重建结果，从光谱形状和最小均方误差可以看出，能够很好的还原入射光谱。

使用现有高光谱成像仪获得光谱数据作为入射光谱，利用最小二乘算法完成所有像素的光谱重建，并光谱分割获得某一波段的重建图像。如图7所示，左图为618nm的单波长入射图像，右图为光谱重建后的图像。图8为原光谱的RGB合成图与图像中红旗上某一点的光谱图，图9为重建后RGB合成图与红旗上同一点的光谱图。从图8-图9可以看出单波长图像和RGB合成图大致轮廓与入射图像相同，相同物点的光谱曲线恢复效果良好。

本发明实施例上述方案，基于量子点的光谱成像系统，相对传统的光谱成像仪具有性能稳定、能量利用率高、结构简单、体积小、重量轻和成本低廉等优点，其有效的降低了系统的复杂程度和研制成本，适用于机载或星载设备，特别是满足载荷小型化的应用需求；此外，采用光谱重构算法也可以很好的还原入射光谱。

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 (4)

1.一种量子点光谱成像系统，其特征在于，包括：依次设置的前置望远镜、量子点阵列片和图像探测器；所述图像探测器位于前置望远镜的后焦面处，所述量子点阵列片是将具有不同光谱透过率特性的量子点材料沿光谱维方向平行制作在基底上，每一种量子点材料在光谱维方向上覆盖一行或多行探测器像素，形成一种量子点条带；

利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标，对于量子点阵列片后获得对应探测目标每一行数据的采样数据，利用光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体，再将所有数据立方体前后拼接，即获得了整个探测目标的图谱数据立方体。

2.根据权利要求1所述的量子点光谱成像系统，其特征在于，一量子点条带的量子点光谱透过率及其覆盖的探测器像元的光谱响应的综合作用构成了该量子点条带的光谱透过率函数，沿推扫方向共制作i种具有不同光谱透过率函数的量子点条带，其光谱透过率函数分别为T_i(λ)；

每一量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)利用氙灯光源、单色仪和积分球组成的装置进行测试，氙灯光源发出光束，利用单色仪输出单色光进入积分球后在其出口处获得单色光均匀照明面，将量子点条带和探测器集成后放在均匀照明面附近从而对整个探测器的光谱相应进行测试，获得量子点条带的光谱透过率函数T_i(λ)。

3.根据权利要求1所述的量子点光谱成像系统，其特征在于，利用系统对探测目标以行为单位进行采样成像时，量子点阵列片每一量子点条带覆盖的一行或多行像元均对应成像条带状的探测目标；推扫成像过程中，当进行第1帧探测时，不同视场的条带状探测目标发出的光束通过前置望远镜和相应的量子点条带后被探测器接收；当第2帧探测时，条带状探测目标的数据立方体沿着推扫方向移动，条带状探测目标的第2行数据相应的被量子点阵列片上第2行接收，以此类推；

当图谱数据立方体遍历完整个量子点阵列片后，每一个条带状探测目标依次通过了量子点阵列片的i种不同的量子点条带，得到了i次的采样数据。

4.根据权利要求1所述的量子点光谱成像系统，其特征在于，所述光谱重构算法来获得对应探测目标的数据立方体包括：

假设入射光谱曲线为通过n_F个量子点条带，同时测量通过每一个量子点条带后的透射光强I_i：

其中，T_i(λ)为第i个量子点条带的光谱透过率函数；

将连续的入射光谱分成由n_λ个离散波长组成，则上式变为：

上式中，离散波长的光谱间隔为Δ＝(b-a)/(n_λ-1)和λ_j＝a+(j-1)×Δ；当j＝1和j＝n_λ时Δλ_j＝Δ/2，当j为其他数值时，Δλ_j＝Δ；

将上式写成矩阵方程：

上式中，数据向量I∈R^{i ×1}由入射光谱通过量子点后所形成的光强所组成，数据矩阵T(λ)∈R^i×j中每一行表示量子点不同波长的光谱吸收率；

在理想情况下，入射光谱的离散波长数量n_λ和量子点条带数量n_F相等，则利用最小二乘线性回归的计算方法获得该入射光谱曲线

在实际测量过程中，会存在一定的观测误差或噪声n，则上述矩阵方程变为：

如果离散波长数量n_λ小于等于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为超定矩阵求解，则采用最小二乘法和Tikhonov正则化和遗传算法等得到最优解；如果离散波长数量n_λ大于量子点条带数量n_F，即矩阵方程的求解为欠定矩阵求解，则采用L1范数最小化理论，或者利用转换矩阵，即通过减少线性方程组未知量个数，将欠定矩阵转变为超定矩阵方程的求解。