CN110631703A - 一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统 - Google Patents

一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，解决光谱成像技术数据传输的成本高、对硬件要求高；以及部分波段面阵探测器规格小、性能低、价格高昂，限制光谱系统探测能力的问题。该系统包括沿光束方向依次设置的成像镜、空间光调制器、汇聚镜、可调谐滤光片、单元探测器及数据处理单元；成像镜用于将目标成像于一次像面位置；空间光调制器用于对一次像面进行空间编码；汇聚镜用于将一次像面编码后的图像进行汇聚压缩至单元探测器焦平面上；可调谐滤光片对编码压缩后的图像进行光谱调制；单元探测器用于接收调制后的图像信号，数据处理单元用于对单元探测器接收的信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体。

Description

一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统
技术领域
本发明属于压缩感知光谱成像技术领域，具体涉及一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统。
背景技术
相比传统的成像，光谱成像技术能够获得目标的空间图像信息和光谱信息，更多的信息量有助于对目标的研读、判断等工作。常见的获取目标光谱信息的技术手段包括：光栅色散、棱镜色散、干涉光谱成像以及滤光片滤光等技术手段，通过大面阵探测器实现对目标图像和光谱信息的获取。在可见和近红外波段，面阵探测器研制工艺相对成熟，面阵探测器性能、规格对光谱成像系统的限制较小。但对于热红外和太赫兹等波段成像而言，一方面，目标在该波段辐射能量较弱，信号强度低；另一方面，在这些波段的器件研究和研制时间相对较晚，工艺不成熟，存在面阵探测器规格较小，价格高昂，性能较差等不足。
另外，光谱成像技术能够获取目标多个光谱通道的图像信息，从而增加了目标的信息量，但同时光谱成像技术获取的数据量也随之增加，一个光谱数据立方体的数据量是往往是普通成像的数十倍或上百倍，给数据的传输存储处理等工作带来较大的影响，尤其是对于机载和星载设备，信号传输的成本往往极其高昂、对硬件要求高，这些因素也制约了高光谱成像技术的向红外和太赫兹等波段的发展和应用。
发明内容
为了解决现有光谱成像技术数据量大，导致数据传输的成本高、对硬件要求高；以及部分波段面阵探测器规格小、性能低、价格高昂，限制光谱系统探测能力的技术问题，本发明提供了一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特殊之处在于：包括沿光束方向依次设置的成像镜、空间光调制器、汇聚镜、可调谐滤光片、单元探测器及数据处理单元；所述成像镜用于将目标成像于一次像面位置；所述空间光调制器用于对一次像面进行空间编码；所述汇聚镜用于将一次像面编码后的图像进行汇聚压缩至单元探测器焦平面上；所述可调谐滤光片对编码压缩后的图像进行光谱调制；所述单元探测器用于接收调制后的图像信号，所述数据处理单元用于对单元探测器接收的信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体。
进一步地，所述空间光调制器为数字微镜阵列或者液晶空间光调制器或者掩膜刻蚀的机械模板。
进一步地，所述可调谐滤光片为基于F-P的可调谐滤光片或者基于AOTF的可调谐滤光片。
进一步地，所述汇聚镜包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息。
进一步地，所述汇聚镜包括一个或者多个透镜。
同时，本发明还提供了一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特殊之处在于：包括沿光束方向依次设置的成像镜、空间光调制器、汇聚镜、FPI-MEMS集成光谱传感器及数据处理单元；所述成像镜用于将目标成像于一次像面位置；所述空间光调制器用于对一次像面进行空间编码；所述汇聚镜用于将一次像面编码后的图像进行汇聚压缩；所述FPI-MEMS集成光谱传感器用于接收编码压缩后的图像，并对编码压缩后的图像进行光谱调制，获得调制后的图像信号，所述数据处理单元用于对FPI-MEMS集成光谱传感器获得的图像信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体。
进一步地，所述空间光调制器为数字微镜阵列或者液晶空间光调制器或者掩膜刻蚀的机械模板。
进一步地，所述汇聚镜包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息。
进一步地，所述汇聚镜包括一个或者多个透镜。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明单像素光谱成像系统通过空间光调制器对目标像面进行空间编码，在不损失目标图像信息的同时能够极大的降低数据量，降低图像数据的存储和传输的成本；可调谐滤光片通过其简单的结构即可实现凝视光谱成像技术；并且可调谐滤光片体积小，可实现光谱成像系统的小型化、轻量化；
通过单元探测器实现单像素成像，单元探测器具有更好的探测性能、探测效率和更加低廉的价格；由于使用了单元探测器，所以可以对所有波段进行探测；
可采用数据处理单元对单元探测器接收的信号进行处理，可复原目标的数据立方体。
2、本发明单像素光谱成像系统通过空间光调制器对目标像面进行空间编码，在不损失目标图像信息的同时能够极大的降低数据量，降低图像数据的存储和传输的成本；FPI-MEMS集成光谱传感器可直接接收编码压缩后的图像，并获得图像信号，集成程度更高，更容易实现光谱成像系统的小型化轻量化。
附图说明
图1是本发明基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统实施例一的的光路图；
图2是本发明基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统实施例二的的光路图；
其中，附图标记如下：
1-成像镜，2-空间光调制器，3-汇聚镜，4-可调谐滤光片，5-单元探测器，6-FPI-MEMS集成光谱传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
可调谐滤光片能够控制窄带波长透过，常见的包括声光可调谐滤光片、F-P滤光片，其中声光可调谐滤光片具有很高的调节频率，能够实现较高速度的成像；其中基于F-P腔的滤光片能够实现更小的体积和重量。基于滤光片的光谱成像系统往往系统结构简单，能够实现小型化、轻量化；基于滤光片的光谱成像系统获取光谱数据立方体的方式也更加较灵活，既能够通过可调谐滤光片实现凝视成像，也可以使用滤光片阵列或渐变滤光片实现扫描或者快照式成像。
压缩感知(Compressive Sensing，CS)又称压缩采样，是一个全新的数学理论，通过对信号的冗余性进行充分的挖掘，对原始信号进行一个线性、非自适应的全局观测得到少量的观测信号，再通过重构算法精确重构原始信号。该技术能够通过对图像进行编码，继而将全部图像数据压缩到单元探测器，实现单像素成像，该技术在不损失信息量的同时极大的压缩了信号数据量，最终通过计算能够获取目标的图像数据，将其和光谱成像技术结合，能够解决光谱成像数据量大的问题，并且单元探测器相比面阵探测器往往具有更好的性能和更为低廉的成本，解决目前光谱成像设备价格高昂，对硬件要求高，数据存储传输困难等限制因素，能够促进光谱成像技术应用的普及和发展。
实施例一
如图1所示，一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，括沿光束方向依次设置的成像镜1、空间光调制器2、汇聚镜3、可调谐滤光片4、单元探测器5及数据处理单元；首先成像镜1对目标成像，然后通过空间光调制器2进行空间编码，并通过汇聚镜3对编码后的图像信息进行压缩，再通过可调谐滤光片进行滤光，继而进入单元探测器5，实现可调谐滤波的单像素光谱成像技术。
成像镜1一组或多组镜片组成，对目标成像，像面位于空间光调制器2所在位置；
空间光调制器2对一次像面进行编码，编码后的图像经过汇聚镜3；空间光调制器2可以为数字微镜阵列(DMD)或液晶空间光调制器(LCM)或者掩膜刻蚀的机械模板，其中数字微镜阵列为反射式器件，液晶空间光调制器为透射式器件；
汇聚镜3一组或多组镜片组成，对一次像面编码后的像进行汇聚压缩，压缩后图像传播至可调谐滤光片4，并可将图像压缩至单元探测器5焦平面上。汇聚镜3包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息；所述汇聚镜3包括一个透镜。
可调谐滤光片4对目标图像进行光谱调制，调制后的信号进入单元探测器5，可调谐滤光片4包括基于F-P的可调谐滤光片和基于AOTF的可调谐滤光片。
单元探测器5接收压缩调制后的图像信号，单元探测器具有高灵敏度、高动态范围、高响应速率、低价格等特点可适用于可见、近红外波段、热红外和太赫兹等波段等波段的成像；
数据处理单元对单元探测器5接收的信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体，通过贪婪追踪(MP、OMP、)、阈值迭代(IHT)等凸优化复原技术实现光谱及图像信息的复原。
本实施例成像系统采用压缩感知成像技术，对图像维度数据的压缩，获得单像素成像；通过可调谐滤光片4实现光谱维度信息的调制和获取，获得单像素光谱图像数据。其中图像的编码通过空间光调制器2编码实现，信息接收通过单元探测器5。
本实施例成像系统通过单元探测器5实现单像素成像。和传统光谱成像中使用面阵或线阵探测器相比，单元探测器5往往具有更好的探测性能、探测效率和更加低廉的价格，可适用于可见、近红外波段、热红外、太赫兹等波段成像。
本实施例成像系统通过压缩感知技术实现数据量的压缩。通过对图像和光谱数据的压缩，在不损失目标图谱信息的同时能够极大的降低数据量，降低图谱数据的存储和传输的成本。
本发明成像系统通过可调谐滤光片实现光谱调制。相比传统的光栅和棱镜色散的光谱成像技术方案，可调谐滤光片4通过很简单的结构即可实现凝视光谱成像技术；并且可调谐滤光片4体积小，更容易实现光谱成像系统的小型化轻量化；
本实施例成像系统降低了光谱成像设备所依赖的硬件需求。传统光谱成像仪往往成像系统复杂，体积较大，对运载平台要求较高，本实施例成像系统大大降低了光谱成像仪的体积重量、降低了对运载平台要求；同时传统光谱成像仪数据量较大，信息无法实时传输和处理，该发明光谱成像仪对数据进行压缩，数据量极小，大大降低了数据采集、传输和存储难度，可实时传输处理；
本实施例成像系统相比传统光谱成像技术具有更低的研制成本和应用成本。相比传统光谱成像仪该系统结构简单，光学器件较少，系统更加容易集成；另外，大大降低了对数据存储和传输的要求，降低了应用成本。
实施例二
如图2所示，一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，包括沿光束方向依次设置的成像镜1、空间光调制器2、汇聚镜3、FPI-MEMS集成光谱传感器6及数据处理单元；首先成像镜1对目标成像，然后通过空间光调制器2进行空间编码，并通过汇聚镜3对编码后的图像信息进行压缩，FPI-MEMS集成光谱传感器6可直接接收编码压缩后的图像，获得图像信号，实现可调谐滤波的单像素光谱成像技术。
成像镜1一组或多组镜片组成，对目标成像，像面位于空间光调制器2所在位置；
空间光调制器2对一次像面进行编码，编码后的图像经过汇聚镜3；空间光调制器2可以为数字微镜阵列(DMD)或液晶空间光调制器(LCM)或者掩膜刻蚀的机械模板，其中数字微镜阵列为反射式器件，液晶空间光调制器为透射式器件；
汇聚镜3一组或多组镜片组成，对一次像面编码后的像进行汇聚压缩，压缩后图像传播至可调谐滤光片4，并可将图像压缩至单元探测器5焦平面上。汇聚镜3包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息；所述汇聚镜3也可包括透镜镜组。
FPI-MEMS集成光谱传感器6可直接接收编码压缩后的空间图像信息，并对编码压缩后的图像进行光谱调制，获得图像信号。数据处理单元对FPI-MEMS集成光谱传感器6获得的图像信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体，通过贪婪追踪(MP、OMP、)、阈值迭代(IHT)等凸优化复原技术实现光谱及图像信息的复原。
本实施例成像系统采用压缩感知成像技术，对图像维度数据的压缩，获得单像素成像；空间光调制器实现光谱维度信息的调制和获取，获得单像素光谱图像数据。编码压缩之后的图像直接进入集成的FPI-MEMS光谱传感器中。本实施例成像系统通过FPI-MEMS集成光谱传感器6实现单像素成像。和传统光谱成像中使用面阵或线阵探测器相比，FPI-MEMS集成光谱传感器6是将可调谐滤光片4和单元探测器进行集成，具有更好的探测性能、探测效率和更加低廉的价格；集成程度更高，可实现更小的体积和质量。
本实施例成像系统通过压缩感知技术实现数据量的压缩。通过对图像和光谱数据的压缩，在不损失目标图谱信息的同时能够极大的降低数据量，降低图谱数据的存储和传输的成本。
本实施例成像系统通过可调谐滤光片实现光谱调制。相比传统的光栅和棱镜色散的光谱成像技术方案，
本实施例成像系统降低了光谱成像设备所依赖的硬件需求。传统光谱成像仪往往成像系统复杂，体积较大，对运载平台要求较高，本实施例成像系统大大降低了光谱成像仪的体积重量、降低了对运载平台要求；同时传统光谱成像仪数据量较大，信息无法实时传输和处理，该发明光谱成像仪对数据进行压缩，数据量极小，大大降低了数据采集、传输和存储难度，可实时传输处理；
本实施例成像系统相比传统光谱成像技术具有更低的研制成本和应用成本。相比传统光谱成像仪该系统结构简单，光学器件较少，而且FPI-MEMS集成光谱传感器6(半导体集成技术)可以大大降低研制成本；另外，大大降低了对数据存储和传输的要求，降低了应用成本。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (9)

1.一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：包括沿光束方向依次设置的成像镜(1)、空间光调制器(2)、汇聚镜(3)、可调谐滤光片(4)、单元探测器(5)及数据处理单元；
所述成像镜(1)用于将目标成像于一次像面位置；
所述空间光调制器(2)用于对一次像面进行空间编码；
所述汇聚镜(3)用于将一次像面编码后的图像进行汇聚压缩至单元探测器(5)焦平面上；
所述可调谐滤光片(4)对编码压缩后的图像进行光谱调制；
所述单元探测器(5)用于接收压缩调制后的图像信号；
所述数据处理单元用于对单元探测器(5)接收的信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体。
2.根据权利要求1所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述空间光调制器(2)为数字微镜阵列或者液晶空间光调制器或者掩膜刻蚀的机械模板。
3.根据权利要求2所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述可调谐滤光片(4)为基于F-P的可调谐滤光片或者基于AOTF的可调谐滤光片。
4.根据权利要求1所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述汇聚镜(3)包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息。
5.根据权利要求1所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述汇聚镜(3)包括一个或者多个透镜。
6.一种基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：包括沿光束方向依次设置的成像镜(1)、空间光调制器(2)、汇聚镜(3)、FPI-MEMS集成光谱传感器(6)及数据处理单元；
所述成像镜(1)用于将目标成像于一次像面位置；
所述空间光调制器(2)用于对一次像面进行空间编码；
所述汇聚镜(3)用于将一次像面编码后的图像进行汇聚压缩；
所述FPI-MEMS集成光谱传感器(6)用于接收编码压缩后的图像，并对编码压缩后的图像进行光谱调制，获得调制后的图像信号；
所述数据处理单元用于对FPI-MEMS集成光谱传感器(6)获得的图像信号进行解码处理，可复原获得目标的数据立方体。
7.根据权利要求6所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述空间光调制器(2)为数字微镜阵列或者液晶空间光调制器(2)或者掩膜刻蚀的机械模板。
8.根据权利要求7所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述汇聚镜(3)包括沿光束方向依次设置的两个相互垂直的柱面镜，分别为第一柱面镜和第二柱面镜，第一柱面镜镜将图像压缩成一条线，第二柱面镜将线压缩成点信息。
9.根据权利要求7所述基于可调谐滤光片的单像素光谱成像系统，其特征在于：所述汇聚镜(3)包括一个或者多个透镜。
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