CN107884070B - 一种衍射光谱光场计算成像系统 - Google Patents

一种衍射光谱光场计算成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种衍射光谱光场计算成像系统。光线输入光谱色散模块后,形成轴向色散光线;聚焦成像模块接收轴向色散光线,采用衍射光学计算复原法,对轴向色散光线的色散范围进行压缩,形成期望轴向色散光线;光场采样模块对期望轴向色散光线进行调制,形成调制色散光线;探测器模块对调制色散光线进行光电转换处理,得到模糊图像;光谱图像重构模块对模糊图像进行解调处理,最终得到清晰光谱图像。本发明能够降低系统硬件复杂度,具有系统数据量低的优点,从而使衍射计算光谱成像更易实现。

Description

一种衍射光谱光场计算成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术,尤其涉及一种衍射光谱光场计算成像系统。
背景技术
光谱成像技术本质是充分利用了物质对不同电磁波谱的吸收或辐射特性,在普通二维成像的基础上,增加了一维光谱信息。由于地物物质组成的不同,其对用的光谱之间存在差异,从而可以利用地物目标的光谱进行识别和分类。光谱成像技术军事侦察、水体监测、矿物识别和植物生态学等领域具有广泛应用。
二元光学元件是建立在光的衍射原理基础上,采用计算机技术对光学波面分析来设计衍射编码轮廓,形成纯编码、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。衍射光谱成像技术主要是将二元光学衍射元件用于光谱成像,同时完成成像和色散功能,大大减小了光学系统的复杂度,对于安装于检测精度的要求也大大降低,具有光学结构简单、高分辨、轻小型、信噪比高、凝视成像、结实耐用、价格低廉等特点,便于实现系统的小型化和轻量化。
衍射光学成像光谱仪在应用过程中需要改变衍射光学透镜和探测器之间的距离以实现不同光谱波段的接收,增加了系统的复杂度,降低系统的稳定性,使光谱仪的应用受限。要实现衍射光学成像光谱仪对光谱数据的实时获取,需要使其具备一次成像获取数据立方体的能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种衍射光谱光场计算成像系统,以衍射光学元件作为光学系统主镜,利用其成像和色散功能,将宽谱段压缩至较小范围内,通过基于掩膜光场相机一次成像获取目标二维空间信息和一维光谱信息,原理简单,系统数据量低,使衍射计算光谱成像更易实现。
本发明所采用的技术方案是:
一种衍射光谱光场计算成像系统,包括:光谱色散模块、聚焦成像模块、光场采样模块、探测器模块和光谱图像重构模块;
光线输入所述光谱色散模块后,在所述光谱色散模块中发生轴向光谱色散,形成轴向色散光线,所述轴向色散光线由所述光谱色散模块的输出端输出;
聚焦成像模块接收所述轴向色散光线,采用衍射光学计算复原法,对所述轴向色散光线的色散范围进行压缩,形成期望轴向色散光线,所述期望轴向色散光线经所述聚焦成像模块的输出端输出;
光场采样模块采集聚焦成像模块输出的期望轴向色散光线,并对所述期望轴向色散光线进行调制处理,形成调制色散光线,所述调制色散光线经所述光场采样模块的输出端输出;
探测器模块接收所述调制色散光线,对所述调制色散光线进行光电转换处理,得到模糊图像,所述模糊图像经所述探测器模块的输出端输出;
光谱图像重构模块接收所述模糊图像,对所述模糊图像进行解调处理,得到模糊光谱切片,通过三维解卷积算法去除所述模糊光谱切片中的离焦谱段信息,进而得到目标场景的清晰光谱图像并输出。
进一步地,所述光谱色散模块包括衍射光学元件。
进一步地,所述衍射光学元件的材料为有机薄膜或光学玻璃。
进一步地,所述聚焦成像模块包括光学镜组元件和编码掩膜元件;所述编码掩膜元件设置于所述光学镜组元件的入瞳焦面。
进一步地,所述光学镜组元件为透射式光学镜组元件;所述编码掩膜元件为透射式编码掩膜元件。
进一步地,所述探测器模块采用电荷耦合器件,所述电荷耦合器件的材料为互补金属氧化物半导体。
进一步地,所述光谱图像重构模块包括光谱光场数字重聚焦单元和光谱计算解耦单元。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明以衍射光学元件作为色散/成像复用型主镜,采用衍射光学计算复原(DOCR)方法对衍射主镜微结构进行优化设计,打破衍射光学主镜光谱点扩散函数(SPSF)对波长的依赖,从而可以自由地将宽光谱规律地压缩至所需较窄范围。
(2)本发明采用基于编码掩膜光场相机作为二次成像镜头,光场采样镜头、编码掩膜和探测器组成光场相机,实现四维光场在傅里叶频域中的调制。充分利用光场相机先成像后对焦的特点,取代衍射成像光谱仪的移动扫描部件,系统一次成像实现对二位空间信息和一维光谱信息的获取。
(3)本发明充分利用衍射光学元件具有平面形、可以薄膜为基底的特点,易于实现轻量化的超大口径光学系统,当以薄膜为基底时,衍射光学元件易折叠,可以实现超大口径光学系统小型化。
(4)本发明的成像段获得的是不同波段在焦图像和其他波段的离焦图像的叠加的混叠图像,图像重构模块采用光场数字重聚焦技术获得某个波段在焦图像和其他波段的离焦图像的叠加图像,采用光谱计算解耦技术去除其他波段的离焦光谱信息,同时解决衍射主镜色散产生的放大率不一致问题,获取目标场景清晰的光谱图像。图像重构模块通过计算方法可以实现将部分硬件功能转化为软件实现,降低系统硬件复杂度。
附图说明
图1为本发明提出的一种衍射光谱光场计算成像系统的结构图;
图2为传统衍射光学元件色散特性与波长关系示意图;
图3为衍射光学元件微结构优化设计后色散特性与波长关系示意图;
图4为本发明实施例中光学模块及探测器模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明提出一种衍射光谱光场计算成像系统,如图1所示,包括光谱色散模块1、聚焦成像模块2、光场采样模块3、探测器模块4和光谱图像重构模块5;
光线输入所述光谱色散模块1后,在所述光谱色散模块1中发生轴向光谱色散,形成轴向色散光线,所述轴向色散光线由所述光谱色散模块1的输出端输出;
聚焦成像模块2接收所述轴向色散光线,采用衍射光学计算复原法,对所述轴向色散光线的色散范围进行压缩,形成期望轴向色散光线,所述期望轴向色散光线经所述聚焦成像模块2的输出端输出;
光场采样模块3采集聚焦成像模块2输出的期望轴向色散光线,并对所述期望轴向色散光线进行调制处理,形成调制色散光线,所述调制色散光线经所述光场采样模块3的输出端输出;
探测器模块4接收所述调制色散光线,对所述调制色散光线进行光电转换处理,得到模糊图像,所述模糊图像经所述探测器模块4的输出端输出;
光谱图像重构模块5接收所述模糊图像,对所述模糊图像进行解调处理,得到模糊光谱切片,通过三维解卷积算法去除所述模糊光谱切片中的离焦谱段信息,进而得到目标场景的清晰光谱图像并输出。
具体的,所述光谱色散模块1包括衍射光学元件。所述衍射光学元件具有独特的色散特性,与本身材料无关,只与波长有关。衍射光学元件产生色差的有效焦距f(λ)与入射波长λ成反比:
Figure BDA0001443662980000051
其中,f0是设计中心波长λ0的焦距,即设计焦距。衍射光学元件形式为透射式。可选的,所述衍射光学元件的材料为有机薄膜或光学玻璃。
具体的,聚焦成像模块2中,采用衍射光学计算复原法,对所述轴向色散光线的色散范围进行压缩。所述衍射光学计算复原(DOCR)方法为对衍射主镜微结构的优化设计过程,衍射主镜的微结构高度分布项为
Figure BDA0001443662980000052
优化过程即最小化问题求解过程,其中,pi(h)为优化的点扩散函数,t为与波长无关的目标点扩散函数,wi为用于平衡各波长衍射效率的权重。通过加微扰进行逐步迭代优化,即可实现对色散范围的压缩。
具体的,所述聚焦成像模块3包括光学镜组元件和编码掩膜元件;所述编码掩膜元件设置于所述光学镜组元件的入瞳焦面。可选的,所述光学镜组元件为透射式光学镜组元件;所述编码掩膜元件为透射式编码掩膜元件。
所述编码掩膜的透射率函数为:
Figure BDA0001443662980000053
其中,x、y为掩膜上各点的坐标,C为常数,p为谐波个数,fx、fy分别为掩膜两个维度的基频。光场采样镜头元件形式为透射式,材料为光学玻璃。编码掩膜元件形式为透射式。
具体的,所述探测器模块4采用电荷耦合器件,所述电荷耦合器件的材料为互补金属氧化物半导体。
具体的,所述光谱图像重构模块5包括光谱光场数字重聚焦单元和光谱计算解耦单元。基于傅里叶切片理论,对光谱光场进行四维傅里叶变换,提取相关深度对应的二维切片数据,并进行逆傅里叶变换获取轴向色散的数字重聚焦光谱图像;通过重采样解决衍射光学元件色散产生的放大率不一致问题,通过线性解卷积算法去除离焦谱段信息,实现光谱计算解耦,获得清晰的可见和红外光谱图像结果,满足实际应用。
如图2所示,衍射光学元件的设计焦距为f0,设计中心波长为λ0,对于入射谱段(λ1,λ2),相应的有效焦距f(λ)为:
Figure BDA0001443662980000061
Figure BDA0001443662980000062
谱段色散范围Δf为:
Δf=f(λ1)-f(λ2)=λ0f010f02
以设计中心波长630nm和设计焦距0.2m为例说明衍射光学元件色散范围,对于入射谱段(450nm,790nm),谱段色散范围Δf为
Δf=f(λ1)-f(λ2)=λ0f010f02=0.12m
结果说明传统衍射光学元件色散较大,对于宽谱段内不同波长,焦距变化大,色散范围很大。
光学成像系统的成像过程可表示为:
Figure BDA0001443662980000063
其中,Λ表示光谱范围,i(x,y;λ)表示目标场景光谱图像,Q(λ)为探测器响应,g(x,y;λ)为光谱振幅点扩散函数,|g(x,y;λ)|2为光谱强度点扩散函数,
表示为k(x,y;λ)=|g(x,y;λ)|2
对于光谱振幅点扩散函数g(x,y;λ),表示为
Figure BDA0001443662980000064
其中,zi为成像距离,P(u,v;λ)为孔径函数
对于孔径函数P(u,v;λ)
P(u,v;λ)=P(u,v)exp(jΦ(u,v))
其中,Φ(u,v)为孔径产生的相位延迟
对于相位延迟Φ(u,v)
Figure BDA0001443662980000071
其中,h(u,v)为衍射主镜的微结构高度分布
综上,像面图像E(x,y)表示为:
Figure BDA0001443662980000072
式中,由于光谱点扩散函数k(x,y;λ)与波长相关,无法将点扩散函数从上述积分式中分离出来。并且由于衍射光学元件的大色散特点,不能将该点扩散函数当与波长无关处理。因此,难以采用常规解卷积方法进行图像复原。
如图2所示,提出衍射光学计算复原(DOCR)方法,通过对衍射光学元件进行优化设计,使得其k(x,y;λ)≈k(x,y),即使得点扩散函数相对于波长是常量,再利用解卷积等手段复原图像。此时像面图像E(x,y)表示为:
Figure BDA0001443662980000076
其中,i′(x,y)=∫ΛQ(λ)·i(ξ,η;λ)dλ,为目标场景全色图像
E(x,y)表示为:
Figure BDA0001443662980000073
衍射光学元件的设计即是对式
Figure BDA0001443662980000074
中微结构高度分布项h(u,v)进行优化,以此为变量,以点扩散函数的一致性为目标,进行优化设计。如图3所示,优化过程即最小化问题求解过程,可表示为
Figure BDA0001443662980000075
其中,pi(h)为优化的点扩散函数,t为与波长无关的目标点扩散函数,wi为用于平衡各波长衍射效率的权重。
目标点扩散函数t利用高斯函数构造,在每一步的迭代优化过程中,aj和σj进行自适应调节。
Figure BDA0001443662980000081
通过加微扰进行逐步迭代优化,可求解上述最小化问题,得到优化后的微结构高度分布h(u,v),基于该微结构分布,加工相应衍射光学元件,即可实现对色散范围的压缩,满足光谱技术应用要求。
系统采用编码调制的方式获取光场,实现四维光场在傅里叶频域中的调制。从傅里叶域来看,某个深度位置所成的像就是四维光场沿相应角度θ的二维切片。如果在这个深度平面放置一片具有特定透过率函数的编码掩膜,则光线经过掩膜滤光的过程在傅里叶域表现为光场频谱与透过率函数傅里叶变换的卷积。将掩膜透过率函数设计为余弦函数,其傅里叶变换为脉冲函数,就可以实现光场频谱沿θ角度的复制和搬移,调制后的光场再会聚到探测器上,即沿零度角重新作切片采样,采样后的图像频谱中已经包含了光场方向维度的频谱信息。对光场进行解调时,将探测器图像的频谱依序重新排列,即可得到四维光场的频谱。
本发明的一个实施例,如图4所示,光谱成像系统由衍射主镜、光场镜组、编码掩膜和探测器组成,结构简单。衍射光谱光场计算成像系统的主镜主要采用衍射光学元件,周期数为24927,材料采用锗玻璃,工作的光谱带宽为0.4-2.5μm,未优化设计前,光谱色散范围为10.5m,采用衍射光学计算复原(DOCR)方法优化设计后,光谱色散范围为290mm。采用透射式编码掩膜元件,置于光场采样镜组和探测器模块之间,材料采用锗玻璃。编码掩膜的透射率函数为5个余弦函数的叠加,谐波个数为2。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种衍射光谱光场计算成像系统,其特征在于,包括:光谱色散模块(1)、聚焦成像模块(2)、光场采样模块(3)、探测器模块(4)和光谱图像重构模块(5);
光线输入所述光谱色散模块(1)后,在所述光谱色散模块(1)中发生轴向光谱色散,形成轴向色散光线,所述轴向色散光线由所述光谱色散模块(1)的输出端输出;其中,所述光谱色散模块(1)包括衍射光学元件;
聚焦成像模块(2)接收所述轴向色散光线,采用衍射光学计算复原法,对所述轴向色散光线的色散范围进行压缩,形成期望轴向色散光线,所述期望轴向色散光线经所述聚焦成像模块(2)的输出端输出;
光场采样模块(3)采集聚焦成像模块(2)输出的期望轴向色散光线,并对所述期望轴向色散光线进行调制处理,形成调制色散光线,所述调制色散光线经所述光场采样模块(3)的输出端输出;其中,所述光场采样模块(3)包括光学镜组元件和编码掩膜元件;所述编码掩膜元件设置于所述光学镜组元件的入瞳焦面;
探测器模块(4)接收所述调制色散光线,对所述调制色散光线进行光电转换处理,得到模糊图像,所述模糊图像经所述探测器模块(4)的输出端输出;
光谱图像重构模块(5)接收所述模糊图像,对所述模糊图像进行解调处理,得到模糊光谱切片,通过三维解卷积算法去除所述模糊光谱切片中的离焦谱段信息,进而得到目标场景的清晰光谱图像并输出。
2.根据权利要求1所述的衍射光谱光场计算成像系统,其特征在于,所述衍射光学元件的材料为有机薄膜或光学玻璃。
3.根据权利要求1所述的衍射光谱光场计算成像系统,其特征在于,所述光学镜组元件为透射式光学镜组元件;所述编码掩膜元件为透射式编码掩膜元件。
4.根据权利要求1所述的衍射光谱光场计算成像系统,其特征在于,所述探测器模块(4)采用电荷耦合器件,所述电荷耦合器件的材料为互补金属氧化物半导体。
5.根据权利要求1所述的衍射光谱光场计算成像系统,其特征在于,所述光谱图像重构模块(5)包括光谱光场数字重聚焦单元和光谱计算解耦单元。
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