CN108291800B - 光谱成像方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统和方法。该系统包括：检测器的像素矩阵；像素矩阵前方的可调色散单元；和控制系统。该控制系统包括：控制器，所述控制器用于在n个图像采集过程调谐色散单元以提供色散单元的n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓；以及控制单元，所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块，每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像，并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓，所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。

Description

光谱成像方法和系统
技术领域和背景技术
本发明属于成像技术领域，涉及一种光谱成像方法和系统。
光谱成像旨在提供关于像平面中每个位置处的对象的至少一些光谱信息。已经开发出各种光谱成像技术，包括多光谱成像、高光谱成像、全光谱成像、成像光谱学或者化学成像。光谱图像通常表示为图像立方，是一种数据立方。
多光谱（MS）和高光谱（HS）立方可以通过多种方式获取。一些系统（利用扫描式，推扫式和可调滤波器来实现HS成像器）依赖于对3D HS立方的ID或2D子集的多次采集，然后进行简单重建。其他一些系统包括用光谱信息换算分辨率（类似于拜耳CFA）的多色传感器，并要求空间谱重建算法[ Y.Monno, M.Tanaka 和M.Okutomi, Proceedings of IS&T/SPIE(EI 2012), Digital Photography VIII, Vol.8299, pp.829900-1-7, January, 2012；Y. Murakami, M. Yamaguchi, 和N. Ohyama, "Hybrid-resolution multispectralimaging using color filter array,", Opt. Express 20, 7173-7183 (2012) ]。
近来，开发了几种HS快照采集技术。其中一些是基于压缩感测，其中HS图像被认为是稀疏的，并且在成像系统内使用附加光学元件来压缩数据。以下出版物中描述了这些技术：A. Stern, "Compressed imaging system with linear sensors," Opt. Lett. 32,3077-3079 (2007)；A. Wagadarikar, R. John, R. Willett, 和D. Brady, "Singledisperser design for coded aperture snapshot spectral imaging," Appl. Opt.47, B44-B51 (2008)；C. Li, T. Sun, K. F. Kelly 和Y. Zhang. A compressivesensing and unmixing scheme for hyperspectral data processing. IEEE_J_IP 21(3), pp. 1200-1210. 2012；M. A. Golub, M. Nathan, A. Averbuch, E. Lavi, V. A.Zheludev, 和A. Schclar, "Spectral multiplexing method for digital snapshotspectral imaging," Appl. Opt. 48, 1520-1526 (2009)。
然而，这些技术需要事先了解正在成像的场景，并且还往往遭受低光效，并且实现这种技术的系统相当复杂。
对于积分场光谱系统，这些系统的基本原理与光场相机类似，即光谱信息用空间分辨率换算。因此，所检测到的光中的多个光谱带等于分辨率劣化率。积分场高光谱成像技术，如透镜阵列、光纤阵列、像切分器和微切分器，都表现出这种行为。另一种已知的解决方案涉及根据光栅衍射次序发散入射光的2D光栅的使用，以在传感器上形成多个多光谱子图像；接下来是重建算法。这种方法允许快速高光谱立方采集，但是合成图像遭受低空间分辨率；所需的设置也不能集成到普通的摄像机中。
发明内容
本发明提供了一种用于高光谱成像的新技术，其能够获取任意场景的完整高光谱立方。本发明为获取高光谱立方提供了全空间分辨率和光谱分辨率。这种技术既不需要场景的任何初步信息也不需要附加假设。
本发明的高光谱成像系统包括放置在探测器的像素矩阵的前方，即相对于输入光传播方向的像素矩阵上行的宽光谱滤波器/标准具，例如，具有宽透射峰值的通光孔径法布里-珀罗标准具。该系统以“多次曝光”模式操作以获取场景的多个帧，同时使用标准具的多个不同的、部分重叠的透射曲线。更具体地说，该系统操作以获取一组帧，每个帧具有不同的标准具透射函数，即标准具的稍微偏移的透射峰值。透射轮廓很宽，以捕获更多的光线，从而提高信噪比。因此，以波长的预设加权总和获取每个帧，并且每两个曝光（帧）的光谱轮廓可能显著重叠。采集之后，应用光谱重建算法以恢复图像的光谱。一般来说，光谱带的数量等于曝光次数。
因此，本发明为获取任意场景的完整高光谱立方提供了全空间和光谱分辨率，同时具有标准成像系统的简单结构，另外配备了具有宽光谱透射轮廓的可调谐色散元件（光谱滤波器），其允许在每个帧内获取波长的加权和。本发明的高光谱成像系统可以集成在彩色（拜耳）和单色图像传感器中。通光孔径法布里-珀罗标准具也可用于标准彩色成像，从而实现双用途成像系统（标准彩色+高光谱）。该系统具有改进的噪声性能，因为每个帧都是以降低的噪声含量获取的。
本发明的方法是通用的并且可以适合多种成像场景，包括UV/VIS/NIR；并不依赖于传感器。本发明的成像系统可以集成在工业相机，监视相机，医疗设备，质量控制设备，用于检测化合物和生物组织的光谱分析系统中。
本发明运用转让给本申请受让人的美国专利申请No.62/075,972中描述的高光谱成像技术，并且通过引用将其并入本文。该技术基于在输入光场上应用角度编码，同时创建其光学图像，从而提供高光谱图像数据（高光谱立方）的角度复用。该技术可以有效操作用于可在像素阵列的至少N个像素点成像的尺寸的对象，以允许重建N个光谱带。
本发明的技术提供了非常小的对象到单个像素对象的有效光谱重建。为此，本发明利用不同的宽光谱标准具透射函数的多次曝光方法。
可调谐标准具配置为在相对较宽的光谱范围内的可调谐性，并且还优选为具有足够的自由光谱范围（FSR）。此外，为了能够生成精确的彩色图像，标准具优选地配置为低精细度（即，足够宽的光谱透射峰值）。一方面，这为创建图像提供了精确（例如，精确可靠）的颜色，另一方面，允许足够的光线传递给传感器（像素矩阵）。
标准具通常包括一对彼此间隔开一定间隔（光学距离）的基本平行的、通常反射的表面。通常，这种标准具的透射函数T是波长λ，两个表面的透射率以及这些表面之间的间隔值的函数。对于由给定的反射表面（即，给定的透射率）形成的标准具，标准具的透射率是波长和间隔的函数，T（λ，gap）。因此，通过可控地改变反射表面之间的间隔以在n帧（n次曝光）的图像采集期间分别提供n个不同间隔值的序列，标准具的不同的n个透射函数应用于输入光场，输入光场对由检测器的像素矩阵检测的n个波长λ1，…λN的光分量的检测有不同程度的影响。这允许通过处理n帧的图像数据来重建对象的光谱。
因此，根据本发明的一个广义方面，提供了一种用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统，该系统包括：
检测器的像素矩阵；
像素矩阵之前的色散单元；和
控制系统，包括：控制器，所述控制器用于在n个图像采集过程中调谐色散单元以提供n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓；以及控制单元，所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由所述n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块，每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像，并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓；所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。
色散单元的透射轮廓是波长和色散单元的可调参数（例如，间隔）的函数。多个图像数据块是色散单元的多个透射轮廓和待确定对象的光谱的函数。
色散单元包括一个光谱滤波器，例如，配置有宽光谱范围的标准具。通过色散单元的光通路在像素矩阵处提供图像数据的波长多路复用，使得像素点的检测光强度对应于与色散单元的透射率函数（色散轮廓/模式）多路复用的图像的光谱数据。
配置为和可操作用于调谐色散单元以循序地产生用于获取对象的连续帧的不同透射率轮廓的控制器可以与同检测器相关联的控制单元集成，或者可以是单独的实用程序。
根据另一方面，本发明提供了用于重建对象的光谱数据的成像方法。该方法包括：通过将n个对象成像过程在检测器的像素矩阵执行循序地获取多个n图像帧，同时循序地应用于彼此不同的并且部分重叠的n预定色散轮廓成像的光线，由此获得指示对象的n个不同光谱图像的n个图像数据块；以及利用关于预定的n个色散轮廓的数据处理所述n个图像数据块，并且重建正在成像的对象的n个光谱带。
通过光与色散模式的相互作用来实现色散轮廓对光的应用。图像数据块是相应色散轮廓和待确定对象的光谱的函数。
本发明的另一方面提供了一种用于重建对象的光谱数据的控制单元。控制单元配置为用于接收和处理输入图像数据（无论是直接来自成像系统还是来自存储设备）。所接收的图像数据包括指示对应于由像素矩阵获得的n个光谱图像的n个图像数据块的数据，其中n个光谱图像中的每一个由通过不同色散轮廓编码的光形成。控制单元包括分析器，所述分析器被配置为可操作用于利用指示与相应n个图像数据块相关联的n色散轮廓的数据，并且确定对象的光谱数据。
附图说明
为了更好地理解本发明公开的主题并且举例说明如何在实践中实施，现在将参照附图仅通过非限制性示例来描述实施例，其中：
图1是本发明的高光谱成像系统的框图；
图2更具体地示出了本发明的系统中的光传播方案；
图3示意地示出了适用于本发明系统的法布里-珀罗标准具；和
图4示出了作为波长和标准具反射表面之间间隔的函数的标准具的透射曲线的模拟结果。
具体实施方式
参阅图1，通过框图示出了本发明的高光谱成像系统100。成像系统100包括用于定位在由检测器的像素矩阵单元104定义的成像平面IP前面（上行）的光学单元102，以及控制系统105。控制系统105包括与检测器的像素矩阵104的读出电路数据通信以由此接收图像数据并处理所接收的数据的控制单元106。控制单元106可以与像素矩阵单元104集成在一起，例如，可以是像素矩阵单元104的读出电路的软件模块。
光学单元102包括作为宽光谱滤波器108的可调谐色散单元/元件。例如，可以使用具有宽透射峰值的通光孔径法布里-珀罗标准具。
控制单元106尤其包括数据输入和输出实用程序（未示出），存储器模块106A，适于分析来自像素矩阵单元104的图像数据的分析器模块106B。这将在下面更具体地描述。
在控制系统105中还提供了控制器107，控制器107配置为用于控制标准具108的调谐并提供关于可调参数的变化的数据。控制器可以是控制单元106的一部分，或者可以是单独的模块，或者可以是标准具108的一部分。标准具的调谐旨在可控地改变其光谱透射轮廓（透射函数），即改变通过其中的光的色散模式。在法布里-珀罗型标准具的情况下，标准具108的可调参数是其反射表面之间的间隔。控制器107操作调谐过程并提供关于可调参数的不同值的数据，例如，gap1，...gapN，或者提供关于标准具的相应透射函数的数据，T1，...TN。
如图2所示，标准具108优选地位于检测器的成像透镜模块109的前方，该成像透镜模块沿着光轴OA间隔开。像素矩阵104位于通常位于透镜模块109的后焦平面中的成像平面IP中。
图3更具体地例示了可调谐以提供各种光谱透射曲线的标准具108的结构。可调谐标准具108优选为足够薄以适合相机的光路。该实例的可调谐标准具108配置为由两个反射器（反射表面）S1和S2形成的通光孔径法布里-珀罗标准具。反射器S1和S2通过相对于另一个表面移动至少一个表面而可变/可调节地隔开间隔（标准具间隔），以改变标准具的光谱透射轮廓。如图所示，反射器S1和S2的内表面可以设置有具有高折射率的涂层C1和C2，从而提供标准具的相对宽的光谱透射峰值，并且至少一个反射镜S1和S2可以设置有防反射涂层-在这个示例中示出反射镜S1和S2上的两个这种防反射涂层AR1和AR2。
标准具108的反射表面S1和S2中的至少一个被安装在致动器上/与致动器相关联，以提供用于控制反射表面之间的间隔。致动器可以包括压电致动器和/或MEMS致动器，诸如静电MEMS致动器。可选地或另外地，标准具108可以包括放置在反射表面S1和S2之间的空间中的电光介质。这种电光介质配置为并可操作地用于提供对反射表面之间的光学距离的控制。
返回到图1，成像系统100以多重曝光模式操作，即获取一组帧/帧序列，每帧是目标区域的不同光谱图像（由于输入光与不同色散模式相互作用）。在每次曝光或成像过程（每帧获取）期间，从目标区域传播的输入光场Lin通过具有特定透射轮廓（即透射峰值的光谱位置）的标准具108，该标准具由不同于其他曝光/成像过程的间隔的一定值定义。得到的光谱图像由像素矩阵检测。获得一组帧，每个帧具有稍微偏移的透射峰值。因此，在通过n个不同、部分重叠的标准具T1，...TN透射轮廓进行n次曝光期间，通过设定间隔的n个值来实现，检测到n个不同的光谱图像。透射轮廓很宽，以捕获更多光线，从而提高信噪比。
图4示出了作为波长和标准具反射表面之间间隔的函数的标准具的透射曲线的模拟结果。在该模拟中，宽范围的可调谐光谱滤波器（法布里-珀罗标准具）列入考虑，以提供400nm-700nm光谱范围内的透射曲线。
通常，在成像系统中，每个像素测量以不同角度入射在所述像素上的光线的总体强度。通过标准具108的光通路提供输入光的每个波长分量受到标准具的透射率轮廓的不同影响。因此，像素矩阵104中的每个像素测量多个加权修正光谱的总体强度。因此，每个帧是以预定的加权波长总和获取的。每两个曝光（帧）的光谱轮廓可能显著重叠。检测到的光谱带的数量等于曝光次数。
控制单元106以n个图像数据块I 1 ,…I N 的形式接收像素矩阵的输出，其中n个图像数据块表示在n个帧采集期间检测到的光谱图像，其中标准具的n个不同的透射轮廓由n个不同间隔定义。该图像数据块可以存储在存储器106A中。间隔值的变化由控制器107进行管理，因此标准具的相应透射轮廓是已知的。间隔值和/或相应透射轮廓也可以存储在存储器中。
分析器106B利用透射轮廓数据用于处理图像数据I 1 ,…I N 以检测/重建正在成像的对象的光谱。图像数据可以写作：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，R是具有N个光谱带的对象的光谱反射率，I是每次曝光的像素强度，T是作为间隔和波长函数的滤波器（标准具）的透射率，C是归一化因子。
对象的反射率矢量可由以下公式重建：
Figure 279064DEST_PATH_IMAGE002
如果曝光次数超过所需的光谱分辨率，则可以应用误差最小化，例如最小均方根。或者，光谱分辨率（光谱带）可以增加到曝光次数。
如上所述，标准具优选为在宽光谱范围内可调。调谐是通过改变反射器S1和S2之间的间隔来实现的。这样的宽光谱范围的可调谐标准具可能需要反射器之间的宽度和间隔之间的高纵横比，并且间隔也可以调整到可以在反射器之间非常接近（例如，几十纳米）的范围内变化。而且，如上所述，间隔变化可以通过将至少一个反射器与（多个）致动器相关联来实现，致动器可操作地使至少一个反射器相对于另一个反射器可控地移动，例如，基于MEMS的致动器。在转让给本申请的受让人的美国专利申请No.62/192,658中描述了适用于在本发明的成像系统中使用的可调谐的基于MEMS的标准具的示例，该申请的全部内容通过引用并入本文。
因此，本发明提供了能够重建对象/场景的光谱的新颖，简单和有效的高光谱成像技术。本发明为获取高光谱立方提供了全空间分辨率和光谱分辨率，没有任何关于正在成像的对象/场景的初步信息。

Claims (12)

1.用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统，该系统包括：
检测器的像素矩阵；
像素矩阵前方的色散单元，其中所述色散单元包括光谱滤波器；和
控制系统，该控制系统包括：
控制器，所述控制器用于在n个图像采集过程中调谐色散单元以提供色散单元的n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓；以及
控制单元，所述控制单元与所述检测器进行数据通信，并被配置为和能操作成用于处理分别在所述n个图像采集过程中由像素矩阵生成的n个图像数据块，每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像，并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓；所述控制单元基于所述色散单元的不同光谱透射轮廓确定对象的重建光谱数据。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述光谱滤波器是配置有宽光谱范围的标准具。
3.如权利要求1或2所述的成像系统，其中，色散单元的透射轮廓是波长和色散单元的可调参数的函数。
4.如权利要求1或2所述的成像系统，其中，多个图像数据块是色散单元的多个透射轮廓和待确定对象的光谱的函数。
5.如权利要求1或2所述的成像系统，其中，通过色散单元的光通路在像素矩阵处提供图像数据的波长多路复用，以使得像素点的检测光强度对应于与色散单元的透射率函数多路复用的图像的光谱数据。
6.如权利要求2所述的成像系统，其中，标准具配置为通光孔径法布里-珀罗标准具。
7.如权利要求6所述的成像系统，其中，所述成像系统被配置为和能操作成用于双模式成像，从而选择性地以标准彩色成像模式和高光谱成像模式操作。
8.如权利要求1或2所述的成像系统，其中，检测器配置为单色或彩色检测器。
9.如权利要求1或2所述的成像系统，其中，控制单元被配置为和能操作成用于处理n个图像数据块和确定对象的重建光谱数据，利用对象的n个图像数据块I1，…In和n个光谱带R(λ1)…(λn)之间的如下关系：
Figure FDA0002990062860000011
其中，T是色散单元的透射率，是色散单元的可调参数间隔gap和波长λ的函数，C是归一化因子。
10.用于重建对象的光谱数据的高光谱成像方法，该方法包括：通过将对象的n个成像过程在检测器的像素矩阵上执行循序地获取n个图像帧，同时通过包括光谱滤波器的色散单元循序地将彼此不同的并且部分重叠的n个预定色散轮廓应用于成像的光线，由此获得指示对象的n个不同光谱图像的n个图像数据块；以及
利用关于预定的n个色散轮廓的数据处理所述n个图像数据块，并且重建正在成像的对象的n个光谱带。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述色散轮廓的应用包括光与色散模式的相互作用。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，指示图像数据块的数据是相应色散轮廓和待确定对象的光谱的函数。
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