CN107907483B - 一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于散射介质的超分辨率光谱成像系统及方法。该系统包括：标定支路A、散射介质4、透镜5、探测器6、待测支路B；标定支路A包括光源模块1、第一准直扩束系统2和针孔3，待测支路B包括待测光源7、第二准直扩束系统8和目标9。本发明实施例首先测得光源模块输出不同波长时系统的点扩散函数，构建光谱点扩散函数(SPSF)，采用压缩感知(CS)方法实现光谱重建，同时搭配合适散射平均自由程的散射介质，利用待测光源波长对应的点扩散函数对相机接收的散斑进行去卷积，可在不增加系统复杂度的前提下实现最大限度超分辨率成像。此外，本发明提出的超分辨率光谱成像系统结构简单，易操控、元件成本低、且抗扰动能力强、适用领域广。
Description
技术领域
本发明属于超分辨率光谱成像技术领域，具体涉及一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法。
背景技术
光谱成像技术由于能够获取目标的空间信息和光谱信息，根据物质特有的光谱特征，能够实现对物质进行分类，目前己在民用、军事、海洋及刑事侦查等方面取得了广泛的应用。传统的光谱成像技术成像光谱技术可分为三类：色散型，滤光片型和干涉型。
超分辨率光谱成像方法的应用最为广泛，它是一种色散型分光技术、包括棱镜分光技术和光栅分光技术，其中棱镜分光技术利用材料对不同波长的光折射率不同将复色光在主截面内散开；光栅分光技术利用衍射的原理将复色光在主截面内散开等两种方法实现光谱重建。
滤光片型成像光谱仪技术采用滤光片作为分光器件，如滤光片阵列、线性渐变滤光片、光楔滤光片等；另外还有两种经典的调谐型滤光器，声光可调谐滤光片(AOTF)和液晶可调谐滤光片(LCTF)。经滤光片滤光，探测器获得的每帧图像为准单色图，通过变换滤光片或调谐滤光获取完整的“数据立方”。
干涉型光谱成像技术也称为傅里叶变换光谱成像技术，对获取的干涉强度信息，进行傅里叶变换以获得目标的光谱信息，具有高通量、多通道以及高光谱分辨率等优点。
上述方法均能实现光谱成像，但是均存在不足，例如，因为一次成像只能获取完整三维数据立方体的一个一维或二维子集，为了获取目标完整的光谱图像，都需要进行时间上的扫描，如推扫、凝视扫描等，同时，随着空间分辨率和光谱分辨率的提高，对探测器的帧频要求也越来越高，大数量的传输也成了一大问题，限制了传统超分辨率光谱成像方法的应用。
随着科技的不断发展，新型超分辨光谱成像系统采用更复杂的光谱到空间的映射，比如将光谱信息投影为复杂的强度图样，同时采用光谱点扩散函数(SPSF)来储存不同入射波长对应的点扩散函数，最后利用压缩感知(CS)算法实现光谱重建。这种方法可以灵活的选择分光元件，比如多模光纤、光子晶体等，但是多模光纤充当分光元件时，抗扰动能力差，对光学系统结构复杂度要求较高，不利于准确重建光谱信号；光子晶体等元件等则存在降低待测目标信号信噪比的缺点，且上述两种分光元件均无法实现对现有系统的超分辨率成像。
因此，研究一种结构简单，易操控、元件成本低、且抗扰动能力强、适用领域广的超分辨光谱成像系统具有重要的应用价值和前景。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法，以实现结构简单、易操作、高稳定性、低成本、适用范围广的超分辨率光谱成像技术，推进光学光谱成像技术的发展。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的一个实施例提供了一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统及方法，包括：标定支路(A)、待测支路(B)、散射介质(4)、透镜(5)及探测器(6)；所述散射介质(4)、所述透镜(5)及所述探测器(6)依次串行连接；其中，
在光源标定阶段，所述散射介质(4)与所述标定支路(A)连接，用于接收由所述标定支路(A)产生的点光源标定信号并对所述点光源标定信号进行编码处理形成第一光束；
在采集阶段，所述散射介质(4)与所述待测支路(B)连接，用于接收由所述待测支路(B)产生的待测信号光并对所述待测信号光进行编码处理形成第二光束；
所述透镜(5)用于对所述第一光束或所述第二光束进行成像，形成散斑图；
所述探测器(6)用于接收所述散斑图。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块(1)和所述待测光源(7)均为非相干光光源，且所述待测光源(7)的光谱范围包含于所述光源模块(1)的光谱范围。
在本发明的一个实施例中，所述标定支路(A)包括光源模块(1)、第一准直扩束系统(2)和针孔(3)，所述光源模块(1)、所述第一准直扩束系统(2)和所述针孔(3)依次串行连接且所述针孔(3)与所述散射介质(4)连接。
在本发明的一个实施例中，所述待测支路(B)包括待测光源(7)、第二准直扩束系统(8)和目标(9)，所述待测光源(7)、第二准直扩束系统(8)和目标(9)依次串行连接且所述目标(9)与所述散射介质(4)连接。
在本发明的一个实施例中，所述第一准直扩束系统(2)与所述第二准直扩束系统(8)结构相同，均包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光轴重合。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块(1)、所述待测光源(7)均位于所述第一透镜的焦距处。
在本发明的一个实施例中，所述散射介质(4)为各向同性介质。
在本发明的一个实施例中，所述散射介质为厚度为80±25微米的氧化锌。
本发明的另一个实施例提供了一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法，适用于上述任一实施例提供的超分辨光谱成像系统，其中，所述方法包括：
步骤1：搭建标定支路；
步骤2：对光源模块的光谱范围进行扫描以得到系统的光谱点扩散函数；
步骤3：搭建待测支路；
步骤4：采集待测光源下携带目标信息的散斑图；
步骤5：将所述待测支路中的目标替换为所述标定支路的针孔，测量所述待测光源下系统的第一点扩散函数；
步骤6：根据压缩感知理论对所述光谱点扩散函数进行光谱重建，并利用所述散斑图和所述第一点扩散函数进行去卷积操作以实现对目标的成像。
在本发明的一个实例中，在步骤1之前，还包括：
步骤X：根据携带目标信息的所述待测光源的光谱范围及光谱分辨率确定所述光源模块待标定的光谱范围及步长；
相应地，步骤2包括：
步骤21：根据所述步长，调整所述光源模块，使其依次输出以步长为间隔的中心波长；
步骤22：使用探测器对每个中心波长的光对应的强度分布图进行采集，得到不同中心波长的第二点扩散函数；
步骤23：将不同中心波长的所述第二点扩散函数组合形成所述光谱点扩散函数。
与现有技术相比，本发明的技术优势为：
1.本发明提出的超分辨光谱成像系统只需要对光源模块进行一次光谱点扩散函数标定，可实现待测光源对不同成像目标同时进行光谱测量及目标成像。
2.本发明提出的超分辨光谱成像系统的光谱分辨率在一定范围内随着散射介质散射平均自由程的增大而增大，加入散射介质后，增大了系统的成像分辨率，实现了超分辨率光谱成像。
3.本发明提出的超分辨光谱成像系统结构简单、操作简易、稳定性高、元件成本低、适用范围广。
4.本发明提出的超分辨光谱成像系统可实现对标定光源模块的光谱范围的任意波段的待测光源进行超分辨率成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种光谱点扩散函数形成方法的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统的结构示意图。该超分辨光谱成像系统包括标定支路A、待测支路B、散射介质4、透镜5及探测器6。其中，标定支路A包括光源模块1、第一准直扩束系统2及针孔3，待测支路B包括待测光源7、第二准直扩束系统8及目标9。光源模块1通过第一准直扩束系统2后经过针孔3后，变为点光源，再经过散射介质4进行编码，透镜5进行成像，依据探测器6采集到的散斑，可以测量得到光源模块1不同波长下的点扩散函数；待测光源7通过第二准直扩束系统8后经过目标9后，携带目标信号，再经过散射介质4进行编码，透镜5进行成像，由探测器6采集到携带目标信息的散斑。
其中，光源模块1为可调谐光源，其覆盖的光谱范围需要包含待测光源的光波范围。
本实施例的光源模块1可以采用非相干光源，输出波长与带宽均可调谐，例如采用300W的氙灯光源，其光谱范围覆盖190-1100nm，搭配分光装置，可以输出不同中心波长的单色光，满足待测光源7的光谱范围包含于光源模块1光谱范围的要求。
本实施例的待测光源7可以采用中心波长为528nm、谱宽为20nm的LED光源，其谱宽范围508-548nm，包含于光源模块1标定的光谱范围内。
优选地，本发明的针孔3可以采用直径为10-50um的针孔，满足将入射光波变为点光源，以实现对系统光谱点扩散函数进行测量的需求。
具体地，本发明在针孔3与探测器6之间加设有散射介质4和透镜5，光波经过散射介质4进行编码后，透镜5对编码后的光束进行成像，再由探测器6接收散斑图。本发明还设有待测光源7、第二准直扩束系统8、目标9等，用于组成待测光路B，可分别代替标定光路A的光源模块1、第一准直扩束系统2、针孔3，待测光源7经准直扩束并携带目标信号后，再经过散射介质4进行编码后，透镜5进行成像，由探测器6得到携带目标信号的散斑。
本发明提出的第一准直扩束系统2和第二准直扩束系统8可根据光源光束直径及其他系统参数自行选择。标定支路中待测光源7输出光波的谱宽范围需要小于或接近散射介质4的去相关谱宽，以确保标定光谱点扩散函数(SPSF)的有效性；散射介质4对入射光进行编码，充当分光元件，并将光源模块1或待测光源7的光谱信息映射为复杂的空间分布图，即散斑，通过选择适当散射平均自由程的各向同性介质，能提高系统的光谱成像分辨率。
优选地，该第一准直扩束系统2和第二准直扩束系统8均可以包括三个透镜，光源模块1或待测光源7位于第一个透镜焦距处，该透镜焦距可自行选择；第二透镜和第三透镜组成4f系统，可实现扩束，所有透镜光轴重合，保证两路光光束直径一致，也可采用扩束器代替第二透镜和第三透镜实现扩束。本实施例优选采用焦距为50mm透镜及扩束器(GBE20-A)组成准直扩束系统。
本发明的散射介质可以采用各向同性强散射介质，如油漆、毛玻璃，氧化锌等。在适当范围内，散射介质的散射平均自由程越大，超分辨光谱成像系统分辨率越高。本实施例优选采用厚度为80±25微米的氧化锌。
本实施例，首先测得光源模块输出不同波长时系统的点扩散函数，构建光谱点扩散函数(SPSF)，采用压缩感知(CS)方法实现光谱重建，同时搭配合适散射平均自由程的散射介质，利用待测光源波长对应的点扩散函数对相机接收的散斑进行去卷积，可在不增加系统复杂度的前提下实现最大限度超分辨率成像。此外，本发明提出的超分辨率光谱成像系统结构简单，易操控、元件成本低、且抗扰动能力强、适用领域广。
实施例二
请一并参见图2及图3，图2为本发明实施例提供的一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法的示意图，图3为本发明实施例提供的另一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法的示意图。本发明的基于散射介质的超分辨光谱成像方法，在上述的任一基于散射介质的超分辨光谱成像系统上运行，基于散射介质的超分辨光谱成像系统的总体构成同实施例一，超分辨率光谱成像方法包括有：
步骤1：搭建标定支路；
步骤2：对光源模块的光谱范围进行扫描以得到系统的光谱点扩散函数；
步骤3：搭建待测支路；
步骤4：采集待测光源下携带目标信息的散斑图；
步骤5：将所述待测支路中的目标替换为所述标定支路的针孔，测量所述待测光源下系统的第一点扩散函数；
步骤6：根据压缩感知理论对所述光谱点扩散函数进行光谱重建，并利用所述散斑图和所述第一点扩散函数进行去卷积操作以实现对目标的成像。
在步骤1之前还可以包括：
步骤X：根据携带目标信息的所述待测光源的光谱范围及光谱分辨率确定所述光源模块待标定的光谱范围及步长。
具体地，上述方法可以细化为如下步骤：
步骤a：根据携带目标信息的待测光源的光谱范围及光谱分辨率确定光源模块待标定的光谱范围及步长；
步骤b：搭建标定支路，暂不搭建待测支路；
步骤c：对光源模块的光谱范围进行扫描以得到光谱点扩散函数；
步骤d：替换标定支路为待测支路；
步骤e：采集待测光源下，携带目标信息的光束对应的相机接收的散斑图；
步骤f：替换待测支路中的目标为标定支路的针孔，测量待测光源下的超分辨率光谱成像系统的点扩散函数；
步骤g：对步骤c的光谱点扩散函数，结合压缩感知(CS)理论进行光谱重建，并利用步骤e得到的散斑图和步骤f得到的点扩散函数进行去卷积操作，即可实现光谱重建的同时，对目标进行成像。
具体地，对于步骤a，需要对系统的参数进行确定，按照连接顺序，光源模块1后依次为第一准直扩束系统2、针孔3，针孔3入射端为第一准直扩束系统2，出射端为散射介质4，确定系统参数，具体涉及：依据所需光源模块1的光谱范围及所需光谱分辨率确定标定光谱点扩散函数的范围及步长，第一准直扩束系统2、针孔3及散射介质4、透镜5中各元件间距及角度，确保光源模块1及第一准直扩束系统2、针孔3及散射介质4、透镜5的光轴重合。
对于步骤b，搭建标定支路A，打开光源模块1、顺次连接第一准直扩束系统2、针孔3、散射介质4、透镜5及探测器6，暂不搭建待测支路B，即待测光源7、第二准直扩束系统8以及目标9。
对于步骤d，搭建特定支路B，打开待测光源7、顺次连接第二准直扩束系统8、目标9、散射介质4、透镜5及探测器6，暂不搭建标定支路A，即替换步骤b中光源模块1、第一准直扩束系统2和针孔3分别为待测光源7、第二准直扩束系统8和目标9。
对于步骤f，对整个光学系统，在忽略系统的噪声情况下，存在如下关系：
g＝f*h+n (1)
其中，g为相机接收到的散斑信息，f为目标，h表示系统的点扩散函数，n为系统的噪声，约为0。
在输入光源为点光源的情况下，相机接收到的散斑g即为系统的点扩散函数，改变输入光源的输出波长，即可得到不同输出波长下的散斑，即不同波长下的点扩散函数。
对于步骤g，对步骤c的光谱点扩散函数，结合压缩感知(CS)理论进行光谱重建，对于输入光源的某一波长，存在如下公式：
y＝T*x (2)
y表示系统的线性测量值长度为M，且y∈RM，x表示系统的离散实值信号，长度为N，且x∈RN，T为测量矩阵，显然，M小于N，利用y求解x，x必须是K稀疏的。
当信号f在稀疏基
上仅有K个非0系数x时，则称f在
上是稀疏的，称
为信号f的稀疏基，K为信号f的稀疏度，即：
代入式(3)于式(2)中，则有：
φ为观测矩阵，满足约束等距条件，利用求解最优范数法，即可重构稀疏信号，再对x信号进行稀疏基逆变换，即可重构原信号f，改变输入光源的波长，即可求得不同信号的重构信号，即实现光谱重建。
然后，利用步骤e得到的携带目标信息的散斑图和步骤f得到的待测光源下的点扩散函数进行去卷积操作，即可实现光谱重建的同时，对目标进行成像。
本实施例，利用非相干光源首先对超分辨率光谱成像系统的光谱点扩散函数(SPSF)进行标定，再通过采用压缩感知(CS)理论进行光谱重建，随后采集待测光源下携带目标信息的散斑图，结合待测光源波长对应的点扩散函数对散斑进行逆卷积，可在不增加系统复杂度的前提下实现最大限度超分辨率成像。
实施例三
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种光谱点扩散函数形成方法的示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对光谱点扩散函数的形成进行重点描述如下：
步骤21：根据步长，调整所述光源模块，使其依次输出以步长为间隔的中心波长；
步骤22：使用探测器对每个中心波长的光对应的强度分布图进行采集，得到不同中心波长的第二点扩散函数；
步骤23：将不同中心波长的所述第二点扩散函数组合形成所述光谱点扩散函数。
根据步长，控制光源模块1，使其依次输出以步长为间隔的中心波长，即依据步长对标定光谱范围进行扫描，使用探测器6对光源模块1输出的每个中心波长的光对应的相机散斑强度分布图进行采集，用于光谱点扩散函数(SPSF)的构建。
其中，对于步骤23的光谱点扩散函数扩散，可将不同波长下的第二点扩散函数依次描述为
光谱点扩散函数由所有第二点扩散函数构成，即
本实施例，同一超分辨光谱成像系统只需要执行一次光谱点扩散函数标定过程，通过更换待测光源即可完成不同目标的光谱重建以及成像。
最后应说明的是：以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。
显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，等同替换或者改进等，但是这些基于本发明思想的修正和改变均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于散射介质的超分辨光谱成像系统，其特征在于，包括：标定支路(A)、待测支路(B)、散射介质(4)、透镜(5)及探测器(6)；所述散射介质(4)、所述透镜(5)及所述探测器(6)依次串行连接；其中，
在光源标定阶段，所述散射介质(4)与所述标定支路(A)连接，用于接收由所述标定支路(A)产生的点光源标定信号并对所述点光源标定信号进行编码处理形成第一光束；
在采集阶段，所述散射介质(4)与所述待测支路(B)连接，用于接收由所述待测支路(B)产生的待测信号光并对所述待测信号光进行编码处理形成第二光束；
所述透镜(5)用于对所述第一光束或所述第二光束进行成像，形成散斑图；
所述探测器(6)用于接收所述散斑图；
所述标定支路(A)包括光源模块(1)、第一准直扩束系统(2)和针孔(3)，所述光源模块(1)、所述第一准直扩束系统(2)和所述针孔(3)依次串行连接且所述针孔(3)与所述散射介质(4)连接；所述待测支路(B)包括待测光源(7)、第二准直扩束系统(8)和目标(9)，所述待测光源(7)、第二准直扩束系统(8)和目标(9)依次串行连接且所述目标(9)与所述散射介质(4)连接。
2.根据权利要求1所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述光源模块(1)和所述待测光源(7)均为非相干光光源，且所述待测光源(7)的光谱范围包含于所述光源模块(1)的光谱范围。
3.根据权利要求1所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述第一准直扩束系统(2)与所述第二准直扩束系统(8)结构相同，均包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的光轴重合。
4.根据权利要求3所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述光源模块(1)、所述待测光源(7)均位于所述第一透镜的焦距处。
5.根据权利要求1所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述散射介质(4)为各向同性介质。
6.根据权利要求5所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述散射介质为厚度为80±25微米的氧化锌。
7.一种基于散射介质的超分辨光谱成像方法，适用于权利要求1～6任一项所述的超分辨光谱成像系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：搭建标定支路；
步骤2：对光源模块的光谱范围进行扫描以得到系统的光谱点扩散函数；
步骤3：搭建待测支路；
步骤4：采集待测光源下携带目标信息的散斑图；
步骤5：将所述待测支路中的目标替换为所述标定支路的针孔，测量所述待测光源下系统的第一点扩散函数；
步骤6：根据压缩感知理论对所述光谱点扩散函数进行光谱重建，并利用所述散斑图和所述第一点扩散函数进行去卷积操作以实现对目标的成像。
8.根据权利要求7所述的超分辨率光谱成像方法，其特征在于，在步骤1之前，还包括：
步骤X：根据携带目标信息的所述待测光源的光谱范围及光谱分辨率确定所述光源模块待标定的光谱范围及步长；
相应地，步骤2包括：
步骤21：根据所述步长，调整所述光源模块，使其依次输出以步长为间隔的中心波长；
步骤22：使用探测器对每个中心波长的光对应的强度分布图进行采集，得到不同中心波长的第二点扩散函数；
步骤23：将不同中心波长的所述第二点扩散函数组合形成所述光谱点扩散函数。
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