CN110869695B - 主动式高光谱成像设备 - Google Patents

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Abstract

披露了一种生成高光谱图像的系统和方法，该高光谱图像可以对应于三维图像，其中两个维度对应于空间视场，第三维度对应于频域吸收光谱。所披露的系统和方法包括那些采用双光频率梳傅立叶变换光谱法以及计算成像来生成高光谱图像的系统和方法。这种组合有利地使成像系统呈现出低尺寸、重量和功率，从而实现小型或手持尺寸的成像设备。

Description

主动式高光谱成像设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月19日提交的序列号为62/487,366的美国临时申请的利益和优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
存在有用于生成数字图像的各种成像技术。通常，多像素传感器用于捕获场景的图像，并且可以采用不同的感测技术，例如电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)像素阵列或互补型金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)像素阵列。为了获得彩色图像，可以使用滤波或色散来将不同的波长范围导向各个像素传感器。也可以使用多个彩色像素传感器。虽然这些技术在可见光谱中是有用的，其中可以使用三种不同的颜色(例如，红、绿、蓝)来生成“全彩色”图像，但当明确希望获得不同波长的详细信息时，成像系统将变得非常复杂。作为一个示例，一些具有这种特性的成像系统除了包含多个像素传感器阵列之外，还将包含频率扫描部件。
发明内容
本发明一般涉及用于在一定电磁频率范围内生成数字图像的系统和方法。更具体地，本发明的实施例提供了用于(例如，通过低尺寸、重量和功率(SWAP)设备)生成高光谱图像的系统和方法，其可以不使用或不需要频率滤波部件、频率扫描部件或色散元件。
在实施例中，本文描述的系统和方法使用频率梳作为宽带电磁辐射源，用于在一定频率范围内照射场景。进行照射的电磁辐射可以通过通常的反射、散射和吸收过程与场景中的对象相互作用，并且来自场景的电磁辐射被捕获以进行探测。检测到的电磁辐射被用于重建不同频率的场景的数字图像。
在一个方面，披露了一种成像设备。例如，在一些实施例中，一种成像设备包括：第一频率梳源，其用于以第一重复率生成第一频率梳；第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射对象；收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；以及检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生一组干涉图。可以理解的是，该方面的成像设备是有用的，例如，用于执行双频率梳傅立叶变换光谱法。
这方面的成像设备还可以包括处理器以及与所述处理器数据通信并包括处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读存储介质，该成像设备可以可配置所述处理器来执行特定的操作、指令或方法。例如，所述成像设备还可以包括处理器，其被配置以利用所述一组干涉图和所述一组参考场来生成所述对象的高光谱数字图像。
所述处理器对于傅立叶变换光谱法和/或数字图像处理和/或重建的执行方面可能是有用的。例如，生成所述对象的所述高光谱数字图像可选地包括：(例如通过使用所述处理器)计算所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。可选地，生成所述对象的所述高光谱数字图像包括：例如通过使用所述处理器，利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行编码孔径成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行计算鬼影成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行阿达玛变换成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者利用所述一组干涉图集和所述一组参考场集来执行傅立叶变换零差成像重建算法。可以理解的是，所述高光谱数字图像可以对应于所述对象的三维表示，包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。
各种频率梳源对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，所述第一频率梳源或所述第二频率梳源包括、或者这两者均包括：近红外(NIR)飞秒激光源、晶体微谐振器、硅光学微谐振器、掺铒光纤激光器、光子晶体光纤或其任意组合。可选地，所述第一重复率和所述第二重复率可以以10-5～10-7的因子进行偏离。
各种空间编码器对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，所述空间编码器可选地包括：数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列、可变形反射镜或其任意组合。可以理解的是，所述空间编码器对于改变参考光束的空间强度分布可能是有用的。在一些实施例中，所述空间编码器可以被用于修改所述询问光束的空间强度分布。
各种检测器对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，在一个实施例中，所述检测器包括单个像素检测器。可选地，所述检测器包括多个像素检测器。可选地，所述多个像素中的每一个像素的输出可以被相加以提供总输出，这样可以使多个像素检测器等同于单个像素检测器进行操作。可选地，所述检测器包括：宽带红外检测器、短波长红外检测器、中波长红外检测器和长波长红外检测器中的一个或多个。可选地，所述检测器包括热电冷却检测器。
各种光学元件对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，在不受限制的情况下，所述成像设备可以包括更少的或额外的光学元件，如任意附图中所示出的。可选地，所述第一光束组合器或所述第二光束组合器包括分束器、或者这两者均包括分束器。可选地，所述收集光学器件包括所述反射望远镜。可选地，所述成像设备还包括透镜、反射镜、分束器、滤波器、棱镜、偏振镜、波导或其任何组合中的一个或多个。额外的光学元件可被定位成与例如所述第一频率梳源、所述第二频率梳源、所述第一光束组合器、所述第一分束器、所述空间编码器、所述反射望远镜、所述收集光学器件、所述第二光束组合器和所述检测器中的一个或多个光通信。
另一方面，披露了一种用于生成高光谱图像的方法。例如，这方面的一些方法包括：以第一重复率生成第一频率梳；以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；利用所述询问光束照射对象，其中所述询问光束与所述对象相互作用，以生成反射光；收集所述反射光；将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；检测所述组合光束，以产生一组干涉图；利用所述一组干涉图和所述一组参考场来重建所述对象的高光谱数字图像。如上面所述的，计算系统(例如基于系统的处理器)对于执行该方面的方法的某些部分可能是有用的。在实施例中，所述高光谱数字图像对应于所述对象的三维表示，包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。
各种图像重建技术对于这方面的方法是有用的，所述方法可以由处理器或计算机实时地执行。例如，重建所述对象的高光谱数字图像可以包括：确定所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。可选地，重建所述对象的所述高光谱数字图像包括：执行编码孔径成像重建算法、计算鬼影成像重建算法、阿达玛变换成像重建算法、利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者傅立叶变换零差成像重建算法。
可以理解的是，该方面的方法可以由本文所述的任何成像设备来执行。例如，在实施例中，所述第一频率梳由第一频率梳源生成并且所述第二频率梳由第二频率梳源生成。可选地，生成所述双频率梳包括利用第一光束组合器将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合。可选地，生成所述询问光束和所述参考光束包括利用第一分束器分离所述双频率梳。可选地，对所述参考光束进行空间编码包括利用空间编码器。可选地，照射所述对象包括利用反射望远镜。可选地，收集所述反射光包括利用收集光学器件。可选地，将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合包括利用第二光束组合器。可选地，检测所述组合光束包括利用检测器。
与传统技术相比，通过本发明可以获得许多优点。例如，本发明的实施例提供了一种紧凑型或手持式系统，该系统能够在诸如UV区域和太赫兹频带之间的宽范围的光谱区域中生成图像。可以理解的是，当前可用的检测器可能在这种宽泛的光谱范围的子集中而不是在整个范围内是有用的。一些系统可以结合一个或多个单独的检测器，以在更宽的光谱范围内实现成像。此外，还设想有不同的手持式或紧凑式系统，其中的每一个被配置以检测宽光谱范围的不同子集。在这些范围内获得图像的能力可以有利地改善气体检测(包括混合气体检测)以及材料识别。此外，适当设计的系统可以实现快速的高光谱成像，并且也便于远距离成像。可以理解的是，远距离成像系统可能需要高输出功率，因此应解决眼睛的安全问题。此外，可以理解的是，本系统和方法可允许例如实时地和/或在可用的时间段(例如0～5秒、0～10秒或0～30秒)内快速地获取高光谱图像。换句话说，本文描述的系统和方法可以可选地在5、10或30秒内获取高光谱图像。本发明的这些和其他实施例及其许多优点和特征将结合下文和附图进行更详细地描述。
附图说明
图1A提供了根据一些实施例的频域中频率梳强度分布的示意性表示。
图1B提供了根据一些实施例的时域中频率梳电场分布的示意性表示。
图2提供了根据一些实施例的高光谱成像设备的示意性概览图。
图3A提供了2×2空间编码模式(pattern)的示意性表示，图3B提供了4×4空间编码模式的示意性表示。
图4A、图4B和图4C提供的绘图示出了不同化合物的示例性的红外光谱，其中图4A、图4B和图4C可以在NIST化学网络图书(http://webbook.nist.gov/chemistry)上找到。
图5A提供了参考对象的图示。
图5B提供了示例性的图像重建的概览图。
图6提供了将高光谱图像分离为不同频域图像的示例以及提高图像的空间分辨率的效果的概览图。
图7提供了生成高光谱图像的示例方法的概览图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于创建高光谱图像的数字成像系统以及相关方法。如本文所述的，高光谱数字图像对应于场景的二维表示，其中每一个数字图像单元(element)(像素)包括一定范围的电磁频率的信息。作为示例，高光谱数字图像可以对应于场景的二维数字图像，但不是像黑白图像那样包括图像的每一个像素或单元的单一强度或者彩色图像的每一个像素的3种不同强度，所述图像中包括许多不同频率范围的强度信息。在一些实施例中，高光谱数字图像可以包括宽泛的红外频率(例如，大约700nm～大约15μm的频率)的强度信息。
在一些实施例中，根据所使用的成像源和检测器的光谱特性，甚至可以在更广的频率范围内获得高光谱数字图像。在一些实施例中，宽带电磁辐射源(例如激光电磁辐射的宽带源)被用于照射场景或对象，并且宽带检测器被用于检测从场景收集的电磁辐射。可选地，可以配合地使用多个宽带电磁辐射源和/或多个宽带检测器对场景或对象进行成像，以获得高光谱图像或者在扩展的光谱区域上的图像。以这种方式，可以获得紫外电磁辐射和太赫兹电磁辐射之间的范围内(或者其中的一个或多个子范围)的高光谱图像。可以理解的是，添加不同的宽带电磁辐射源和/或宽带检测器可能会增加高光谱成像系统的复杂度、尺寸、重量和使用功率。作为一种用于保持低尺寸、重量和功率(size，weight and power，SWAP)的可替代方案，设想了可用于在不同光谱区域(例如紫外线、可见光、近红外、中红外、远红外等)中成像的不同高光谱成像系统的实施例。
本文设想的宽带电磁辐射源包括频率梳源，例如光频率梳源，红外频率梳源等。示例性的频率梳源包括但不限于飞秒激光器，例如近红外飞秒激光器、微谐振器(例如由诸如钙和/或氟化镁等晶体材料制成的微谐振器或硅光学微谐振器)、掺铒光纤激光器、结合有光子晶体光纤的光纤激光器，及其任意组合。可以理解的是，对于低SWAP应用，微谐振器激光器可能是特别有利的。
图1A提供了频域中频率梳强度分布100的示意性表示。所述频率梳包括一系列离散单元105，每一个单元具有不同的频率并且这些单元由单元间频率间隔110间隔开。在图1所示的频率梳中，强度分布遵循近似的高斯分布。在实施例中，可以遇到、利用或实施其他强度分布。
在实施例中，频率梳可由激光器(例如飞秒激光器)中的脉冲序列来生成。图1B提供了在时域中脉冲序列电场分布150的示意性表示。示出了两个单独的脉冲155，其展示出与重复频率成反比(trep＝1/frep)的重复时间160(trep)。可以理解的是，单元间频率间隔110可对应于重复频率frep或者与重复频率frep成比例。
因此，频率梳可以从概念上被认为是一系列的电磁辐射脉冲，其中每个脉冲包括在频率梳中出现的所有频率，每一个脉冲具有由频率梳的强度分布定义的相对强度。因此，频率梳可以被认为是宽带电磁辐射源。当用作光谱仪的电磁辐射源时，频率梳可用于以相同的时间在宽频率范围上探测对象或样品的光谱特征，例如吸收特性。在一些实施例中，在频率梳中可以包括几十或几百根梳状线。
在实施例中，多频率梳源对于获得经照射的样品或对象的光谱特性是有用的。例如，在实施例中，可以使用具有稍偏离的重复频率的两个频率梳来执行双频率梳傅立叶变换光谱法。Schliesser等人在《自然光学(Nature Photonics)》的第6期第440-449页(2012年)提供有频率梳及其在包括有双频率梳傅立叶变换光谱法的光谱法中的应用的概述，其内容通过引用并入本文。有利地，使用双频率梳傅立叶变换光谱技术，允许在短时间内获得对象或样品的高分辨率宽带光谱，而系统中没有或只有很少的移动零件。
虽然频率梳可用于获得对象或样品的光谱特性，但空间解析对象的不同部分的能力可能取决于由频率梳照射的样品或对象的大小和/或所使用的检测器尺寸和光学成像元件。因此，为了获得对象的空间分离的图像，在一些实施例中，可能期望在对象上空间扫描频率梳，以获得每一个空间分量的单独的光谱细节。然而，对于一些实施例，空间扫描频率梳可能增加频率梳光谱仪的复杂度和尺寸，因此用于空间解析对象的各方面的其他技术是有用的。此外，扫描对象所需的时间也可能是一种重要的限制，因此采用宽视场成像技术的技术也可以用于允许更快地获得高光谱图像。
在各种实施例中，一种用于空间解析对象的不同部分的有用的技术采用计算成像技术。在计算成像技术中，可以出于光谱目的照射对象，并且可以将频率梳中的计算和参考编码方面结合起来，以空间解析光谱。各种计算成像技术可用于本文所述的系统和方法中，包括例如：编码孔径成像、计算鬼影成像、阿达玛(Hadamard)变换成像、利用照射模式约束通过相位检索进行的相干成像、以及横向电磁场的零差(homodyne)成像。
一般地，本文描述的计算成像技术使用空间编码器，该空间编码器对一个频率梳或多个频率梳的一部分进行空间编码。例如，可以首先组合多个频率梳以生成组合频率梳，然后该组合频率梳的第一部分可用于询问(interrogate)对象，而该组合频率梳的第二部分用作参考梳。在一些实施例中，在询问部分与对象相互作用之前，该询问部分被空间编码。在一些实施例中，参考部分被空间编码。电磁辐射是从询问相互作用中收集的，并且与参考部分相结合并被检测。然后检测到的信号被解析为空间解码的高光谱图像。
图2提供了结合上述各方面的高光谱成像设备200的示意图。高光谱成像设备200包括生成第一频率梳210的第一频率梳源205和生成第二频率梳220的第二频率梳源215。频率梳210和220由光束组合器230组合，并且一个或多个折叠光学器件225可用于引导频率梳210或220，以使频率梳210或220在光束组合器230处组合。
在光束组合器230处的频率梳210和220的组合生成双频率梳235。可以理解的是，可以将频率梳210和220的重复率进行偏离(offset)，以便用于例如将使用双频率梳235执行的双频率梳傅立叶变换光谱法。双频率梳235被分束器240分离成参考光束245和询问光束250。同样，根据需要，一个或多个折叠光学器件225被可选地用于引导和/或定向双频率梳235、参考光束245和询问光束250。
在图2所示的实施例中，参考光束245被导向到空间编码器255，用于对参考光束245进行空间编码。空间编码器255可以使用一组参考场来生成编码的参考光束260。通过对参考光束245进行空间编码，可以通过计算成像技术实现对象的空间分辨率，如下文将进一步详细描述的。对于一些实施例(图2中未示出)，(取代对询问光束245进行空间编码或除了对询问光束245进行空间编码之外)由空间编码器对询问光束250进行空间编码，以生成编码的询问光束。
如图2所示，询问光束250被导向到反射望远镜265、270以照射对象。在与对象相互作用之后，收集电磁辐射275。可选地，反射望远镜265、270用于照射对象并收集来自该对象的电磁辐射。在另一个实施例中(未示出)，第一反射望远镜用于照射对象，而一个或多个收集光学器件(例如第二反射望远镜)用于收集来自该对象的电磁辐射。
在使用反射望远镜265、270照射并收集来自对象的辐射的情况下，可以选择地使用分束器280，以使询问光束250和收集的电磁辐射275的路径组合。例如，如图所示，询问光束250从分束器280被导向到反射望远镜265、270，而收集的电磁辐射275从反射望远镜265、270被导向到并通过分束器280。
在由检测器295进行检测之前，可以使用额外的分束器285来将编码的参考光束260和收集的电磁辐射275组合成组合光束290。各种检测器对于本文所描述的系统和方法可能是有用的，这些检测器包括但不限于单像素检测器、多像素检测器、宽带电磁辐射检测器，如光学电磁辐射检测器、宽带红外检测器、短波长红外检测器、中波长红外检测器和长波长红外检测器。可以理解的是，单像素检测器可以有助于降低高光谱成像系统的SWAP。
可以理解的是，在高光谱成像设备的各种实施例中可以包括额外的或更少的光学元件。例如，可以包括一个或多个透镜、反射镜、分束器、光束组合器、滤波器、棱镜、偏振镜、波导等，其与高光谱成像设备中的其他光学元件(如频率梳源、光束组合器、空间编码器、反射望远镜、收集光学器件、检测器等)进行光通信，以根据需要对频率梳、双频率梳、参考光束、询问光束、收集的电磁辐射、组合的光束等进行导向、成型或修改。
如本文所述的，所述空间编码参考光束或询问光束可以允许利用计算成像技术来对对象进行空间重建。各种空间编码器对于本文所描述的系统和方法可能是有用的。例如，所述空间编码器可对应于数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列、可变形反射镜等。对本文所描述系统和方法有用的空间编码器允许利用各种不同的参考场(其是已知的和可控的)有利地对光束进行空间编码。
可以理解的是，高光谱成像设备中可以包含额外的部件。高光谱成像设备中可以包括例如，处理器和相关的存储器，例如非瞬时性处理器可读存储介质。可选地，所述处理器可以从与处理器进行数据通信的存储器单元中读取和执行处理器可执行指令。该处理器可以与第一频率梳源205、第二频率梳源215、空间编码器255和检测器295中的一个或多个进行数据通信。例如，处理器可以控制第一频率梳源205和/或第二频率梳源215的定时和/或调谐特性。处理器可以例如通过向空间编码器255提供空间模式或指令来控制由空间编码器255提供的空间编码模式。
处理器也可以直接或间接地从检测器295获取数据，检测器295可以是光电检测器或其他电磁辐射检测器。例如，处理器可以获得与时间相关的强度或功率信号相对应的数据，该强度或功率信号是由检测器295从接收组合光束290中检测到的。可以理解的是，通过应用傅立叶变换，探测到的信号可以被用于获取对象在频域上的光谱特性。在实施例中，检测器295对应于单个单元检测器，并且在空间编码器255不存在或者对参考光束245不进行空间编码的情况下，所得光谱对应于在对象区域上的传感器的整个视场上的光谱集合。然而，可以理解的是，可以通过对参考光束245进行编码并使用将编码模式与检测到的时间相关强度或功率信号相关联的计算成像技术来获得对象的空间相关光谱特性。
图3A和图3B描述了可以利用空间编码器创建的一些示例性的参考场(在此也被称为编码模式)。作为一个示例，空间编码器将被描述为便于解释的数字微镜装置，然而其他空间编码器装置也可以采用类似的编码技术和/或将从本说明中得到理解。图3A描述了被分成象限(即，2×2单元编码模式)的参考场，包括至少一个象限打开(白色)或至少一个象限闭合(黑色)的场。对于数字微镜装置，其可以在最简单的示例中表示2×2单元微镜装置，其中白色单元表示将入射光束部分反射到编码光束中的数字微镜单元，黑色单元表示将入射光束部分从编码光束反射出的数字微镜单元。可以理解的是，编码模式也可以用任意数目的单元来表示编码，即N个单元×N个单元的微镜装置，其中使用N/2个单元×N/2个单元大小的象限进行编码。还可以使用非正方形编码，例如水平单元的数量和垂直单元的数量不同。图3B描述了被分为16个单元(即，4×4单元编码模式)的参考场，其包括至少有一个或两个闭合的场。对于数字微镜装置，在最简单的示例中，这可以表示4×4单元微镜装置，其中使用N/4个单元×N/4个单元大小的场进行编码。可以理解的是，可以使用本文描述的方法和系统实现许多不同的编码模式，并且图3A和图3B中描述的编码模式表示其中一些最简单的编码模式。
可以进一步理解的是，某些计算成像技术可能采用某些编码模式来实现特定的优点。此外，所采用的编码模式可以利用空间编码器的最大可用分辨率，或者利用小于空间编码器的最大可用分辨率的分辨率。还可以理解的是，可以以受控和/或预定的方式来使用用于编码光束的任何类型的空间编码器，使得所使用的编码模式是已知的，并且可以随后用作计算成像技术中的输入，用于例如对检测的组合光束的分量进行空间解析。
本文所描述的系统和方法可以被有利地用于生成对象的高光谱图像。可以理解的是，术语“高光谱图像”可以对应于包括有多个独立的空间解析的像素的空间解析的图像，其中每一个像素对应于对象的一部分，并且共同构成对象的完整图像。每一个象素都可能与用于电磁辐射的许多不同频率(或波长)的光谱信息相关联。在实施例中，电磁辐射的不同频率(或波长)的数量对应于频率梳或其一部分中的离散频率单元的数量。
作为一个示例，对象的高光谱图像可以对应于包括红外光谱吸收信息的图像。在实施例中，红外高光谱图像是有用的，因为红外光谱可以被用于清楚地识别对象中存在的不同化学物种。例如，图4A、图4B和图4C分别提供了三种不同化学物种(即臭氧(O3)、甲烷(CH4)和一氧化碳(CO))的参考红外光谱，可以理解的是，这些物种中的每一种都显示出与其他物种不同的吸收峰。例如，O3在约1058cm-1(约9.45μm)处表现出强吸收峰，而CH4在约1305cm-1(约7.66μm)处表现出强吸收峰，以及CO在约2120cm-1(约4.72μm)和约2176cm-1(约4.6μm)处表现出强吸收峰，因此在这些频率/波长处的光谱特性可以被用于区分这些化学物种。可以理解的是，这些化学物种仅仅是示例，而且还可以利用红外光谱法来检测许多其他化学物种。
图5A描述了示例性的对象500的示意图，其可对应于包括有其中仅发现CO的第一区域505、其中仅发现O3的第二区域510以及其中仅发现CH4的第三区域515的参考对象。图5B提供了使用2×2编码光束模式的序列的示例性的图像重建的简化概述图。在这个简单的示例中，照射的图像520对应于对象500对未编码的询问光束的整体曝光和吸收。在该示例中，编码模式525被用于对询问光束进行编码，并且空间编码可以被直接应用于整个对象500并在整个对象500上进行再现。由单个单元宽带检测器检测的所收集的电磁辐射的总强度被示意性地描绘为灰度强度模式530。可以通过使用与针对每一个编码检测到的强度530相关联的已知编码模式525来将对应于编码模式的不同的象限重新组合成重建图像535。可以理解的是，某些计算成像技术将使用参考光束而非询问光束的空间编码，并且是为了便于理解一种图像重建方法，提供了该简单示例。其他计算成像技术在以下示例中进行详细描述。
虽然在重建图像535中表示出多个光谱位置的总体吸收强度，但可以理解的是，使用双频率梳傅立叶变换技术可以允许对于对象的不同频率分量进行空间分离。此外，使用额外和/或不同的编码模式对于提高重建图像的空间分辨率将是有用的。
图6提供了高光谱图像的不同频率分量图像以及提高图像的空间分辨率的效果的示意性的表示。在图6中，最上行对应于组合的或整体的吸收，第二行对应于CO的吸收，如在约2120cm-1处的吸收，第三行对应于O3的吸收，如在约1058cm-1处的吸收，以及最下行对应于CH4的吸收，如在约1305cm-1处的吸收。标记为2×2的第一列对应于空间上解析为4个像素的图像，如参考图5B在上面描述的。标记为4×4的第二列对应于空间上解析为16个像素的图像，类似于参考图5B所描述的技术，但采用更精细的编码模式和附加图像。标记为16×16的第三列类似地对应于空间上解析为256个像素的图像。标记为最大值的最后一列对应于可获得的理论最佳解析图像。随着图像分辨率的提高，可以检测出更精细的空间细节，并且可以区分对象中不同材料的位置之间的明显区别。可以理解的是，在图5A、图5B和图6中使用的对象仅仅是示例性的，并用来说明如何使用双频率梳傅立叶变换光谱和计算成像相结合以空间分辨方式来检测不同的化学物种。可以理解的是，包括有本文所述技术的其他示例不仅可以空间解析不同的化学物种，还可以空间解析可能存在于对象上(包括在不同化学物种空间重叠的区域中)的不同化学物种的相对量。
还可以进一步理解的是，尽管图5A所示的示例性的对象500示出了CO 505、O3 510和CH4 515的空间上不同的区域，但由于这些气体表现出不同的吸收特征，在混合气体配置中(例如，其中可能存在区域505、510和515的完全和/或部分重叠)，不同气体的空间分布依然可以被单独地识别。例如，在包括有甲烷和一氧化碳的重叠区域的对象中，气体的吸收和空间分布依然可以被单独确定。这种特性有利地允许同一空间区域中存在的不同气体的空间浓度分布被单独地确定。还可以理解的是，也可以类似地检测固体和液体的吸收特性和空间分布。
图7提供了根据一些实施例的用于生成高光谱图像的示例性方法700的概述图。在框705，生成第一频率梳，在框710，生成第二频率梳。可以使用类似的技术或者使用类似频率梳源或不同的梳源来生成所述第一频率梳和所述第二频率梳中的每一个。在实施例中，所述第一频率梳和第二频率梳可以呈现或对应于相同或近似相同的频率范围内的频率梳。
在实施例中，所述第一频率梳和第二频率梳将呈现不同的重复频率，使得频率梳不相同，但具有稍微不匹配的频率，使得它们的光谱不相同。可以理解的是，在实施例中，频率分辨率可由梳重复率(与传统傅立叶变换光谱仪中的反射镜的扫描距离差相当)来设定。在实施例中，为了避免混叠，可以通过具有奈奎斯特采样条件和限制梳带宽(Δν梳)的1/f噪声的奈奎斯特采样限制(Nyquist sampling limits)，对频率分辨率进行限制。例如，为了获得宽的光谱带宽，可以使用梳重复率差(Δf)的低值。然而，在另一方面，使用非常小的Δf可能会受到单独的梳的重复率稳定性的限制。在一些实施例中，第一频率梳和第二频率梳之间的重复频率的偏离量可以是10-6或10-7的量级。例如，在一个实施例中，使用具有中心波长约为1560nm的掺铒飞秒激光器来生成所述第一频率梳和第二频率梳。每一个激光器的重复率可以为大约100MHz，两个激光器之间的示例性重复频率偏离量为大约3kHz。在框715，例如使用光束组合器、分束器或其他光学元件，来组合所述第一频率梳和所述第二频率梳，以生成双频率梳。所述双频率梳可以被用作傅立叶变换光谱法的源，如本文所描述的。可以理解的是，所述双频率梳可以对应于共线脉冲激光光束。为了用于获得光谱特性，可考虑这样的实施例：在与样品或对象相互作用之前，执行所述第一频率梳和所述第二频率梳的组合，然而在其他实施例中，可以允许第一频率梳与样品相互作用，而第二频率梳被保持为参考并且不与样品相互作用。
然而，如图7所示，在框720，所述双频率梳被分离成询问光束和参考光束。这样，所述双频率梳的第一部分可以被保持为不与对象相互作用的参考光束，而所述双频率梳的第二部分可以被用于询问所述对象。
在框725，利用所述询问光束照射所述对象。所述询问光束的相互作用可以生成散射的、传播的或反射的电磁辐射。在其中需要对对象进行成像的实施例中，可以通过空间色散光学元件来产生对象的照射，该空间色散光学元件允许询问光束在空间中传播穿过对象。例如，所述空间色散光学元件包括望远镜，该望远镜可以包括透镜、反射镜、棱镜或被布置以对询问光束进行空间分布的其他光学元件中的一个或多个。
在框730，收集来自对象的电磁辐射，例如反射的(包括由于从对象材料的吸收而造成的损失)、散射的或发射的电磁辐射。在一些实施例中，可以使用第二望远镜或其他收集光学器件收集来自对象的电磁辐射。在一些实施例中，用于利用询问光束照射对象的相同元件被用于收集来自对象的电磁辐射，以用于随后的检测。收集到的电磁辐射可能被随后探测。
在框735，例如，通过使用空间编码装置(例如数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列或可变形反射镜)编码所述参考光束，以生成编码的参考光束。对参考光束进行编码可能会使参考光束产生空间变化，该空间变化可以被一种或多种计算成像技术利用。在一些实施例中，在编码所述参考光束之前，可以扩展该参考光束，使得参考光束可以填充编码装置的全部或一部分，这样可以利用计算成像技术提取更精细的分辨率细节。
在框740，将来自对象的收集的电磁辐射和编码的参考光束进行组合，以生成组合光束。例如，可以使用光学组合器或分束器组合所述来自对象的收集的电磁辐射和编码的参考光束。
在框745，检测所述组合光束，以产生一组干涉图。例如，在检测时，所述来自对象的收集的电磁辐射至少部分表现出与编码的参考光束的干涉效应，以产生时间相关的干涉图。该干涉图可以对应于组合光束的时间相关强度或功率测量值，其包括编码的参考光束和来自对象的收集的电磁辐射两者的特性。
在框750，利用所述干涉图重建所述对象的高光谱数字图像。例如，所述干涉图可以经历傅立叶变换以获得从对象发射的电磁辐射的频谱。为了获得对象的空间特性，可以对所述干涉图和/或频谱施加计算成像法。例如，用于编码参考光束的编码模式可以用于计算成像技术，以重建所述对象的空间特性。例如，所述干涉图和/或频谱可以由表示编码模式的值进行加权。通过使用多种具有不同的和已知的空间特性的编码模式，可以将不同的加权应用到对应的所检测的干涉图和/或频谱，并可以提取空间特性。所产生的重建的空间特征可以包括多个空间位置和相应的光谱特性，例如所述对象的不同空间位置的吸收度测量值，该吸收度测量值可以对应于高光谱图像。可以理解的是，如上文所述的，用于重建高光谱图像的技术可有利地允许在对象或场景中识别不同的材料。
通过参考以下非限制性的示例，可以进一步理解本发明。
示例1：低尺寸、重量和功率的高光谱成像
导言。政府和工商业需要小的SWAP(体积、重量和功率)手持式高光谱成像仪，用于检测和识别人造物体，如在伪装/树叶和化学品气体排放中的军事对象。高光谱成像仪开发3D数据立方体(将2D图像绑定于用于光谱内容的第三轴)，其可以进行处理以识别感兴趣的材料。为了用当前系统产生三维超立方体，使用2D FPA，其中该阵列的一个轴用于成像，而其他轴用于通过某种类型的色散光学元件来收集来自对象的光谱输出。为了产生真实的3D立方体，传感器必须在第三轴上进行扫描，以产生2D空间图像。本申请提供了在没有扫描系统的情况下生成3D超立方体。其还提供了仅利用一个宽带检测器来产生2D图像和光谱输出，这大大减少了尺寸、重量和功耗。本文描述的实施例的各个方面利用两种不同技术结合到一个集成的传感器中，以承担这些SWAP的减少。在一个方面，这些实施例提供以下进步：(1)双光频率梳光谱法技术，和(2)计算成像技术。可以理解的是，双光频率梳光谱法技术和计算成像技术已经在文献中单独展示和记录，但需要将这些技术进行结合以用于生成高光谱图像的进步。将这两种不同的技术集成到一个集成的解决方案中，有利地允许由手持尺寸的传感器生成3D超立方体，以便检测和识别感兴趣的材料。此外，这种技术和高光谱成像系统允许超时间和范围的分析技术，以提供改进的混合气体检测。现在将给出本文所述方面的关于使用双频率梳光谱法的细节，随后将概述对于高光谱成像系统和本文所描述的技术有用的各种计算成像技术。
双频率梳光谱法，在本文也称为双光频率梳光谱法。频率梳已被发展到许多应用领域。具有相干和非相干结构的频率梳在有源遥感中是有用的。可以理解的是，两梳干涉法是一种时域表示，并且可以被称为双光频率梳傅立叶变换光谱法(Dual OpticalFrequency Comb Fourier Transform Spectrometry，DOFC-FTS)。在DOFC-FTS中，通过干涉相互作用来组合两个具有稍微不同的重复率的频率梳。然后检测组合梳，其中检测来自两个梳的复合场贡献(分别被定义为E1(t)和E2(t)的电场)，使得光电流与入射功率成比例。可以将响应建模为在入射场上起作用的平方律装置。该光电流随后由检测器的电脉冲响应进行滤波。各个梳功率不包含任何干涉测量信息。每一个单独梳的光电流的组合调制分量(假设脉冲周期比梳的重复周期短得多)只与来自其他梳的最近的脉冲相互作用。如果假设检测器的响应时间比单独脉冲长得多(通常是考虑超短脉冲时的情况)，那么检测器的脉冲响应可以被认为是在光脉冲的相互作用长度上为恒定，并因此所测量的光电流可以被认为是光电检测器的脉冲响应之和，这些脉冲响应是以规则的脉冲周期由梳脉冲的相移的复互相关(complex cross-correlation)的实部进行幅度调制的。双梳干涉测量中的其中一个基本假设是，在给定的延迟时间内，复脉冲形状A1和A2的复互相关是两个相互作用脉冲之间的梳光学延迟的平均重复周期。只有当两个梳脉冲序列中的每一个脉冲被假定为与脉冲重复序列中的其他脉冲相同时，其才可能为真。在短脉冲周期内，其可以被假定为真。
DOFC应用于遥感。在使用DOFC的遥感中，与对象相互作用的梳干涉测量可以被表示为相干或非相干，这取决于梳与对象如何相互作用。
非相干DOFC-FTS。在非相干DOFC-FTS中，在将梳进行组合之后对对象进行采样。假设感兴趣的对象是线性和不随时间变化的，则光电检测器处所得的信号是由来自对象的响应所调制的两个梳产生的脉冲的互相关。由于调制的信号的输出光谱仅仅是输入信号的光谱和对象的复频率响应的乘积，因此在频域上更容易测量输出。差拍谱(beatingspectrum)中的每一个副本是梳脉冲的未滤波互谱(cross-spectrum)和由来自对象的滤波所导致的功率谱的乘积。正如所有基于傅立叶变换的光谱技术一样，双梳光谱法依赖于在采样周期内不随时间变化的对象。如果对象在形成干涉图时发生变化，那么恢复其光谱信息非常具有挑战性。然而，非相干配置对样品中合理的小的延迟波动是不敏感的。在时域上，通过注意到两个激光束都有经历样品延迟，因此，这种性质是可以理解的。
相干DOFC-FTS。在相干DOFC-FTS中，在将梳进行组合之前放置对象，使得对象仅与一个梳相互作用(即滤波)，该梳在此被称为询问光束或询问梳，而另一个梳不与对象相互作用，该梳在此被称为参考光束或参考梳。但是，由于只有一个梳被对象进行滤波，每一个副本都被其复传递函数相乘而不是被其功率谱相乘。这意味着样品的全谱(以振幅和以相位)可以通过分离一个拷贝并用已知的梳互谱进行归一化而获得。在相干情况下，由两个梳脉冲的干涉引起的电脉冲振幅与梳脉冲的互相关的卷积以及对象的脉冲响应成比例。如果梳的互谱比样品的带宽大得多(或者等效地，如果梳脉冲比待检测的脉冲响应的特征短得多)，那么梳脉冲可以被建模为Diracδ函数。与非相干双梳的情形相反，相干版本对样品中的延迟波动敏感。可以理解的是，非相干DOFC-FTS和相干DOFC-FTS均可以用于本文所述的高光谱成像系统和方法。
可以采用各种计算成像技术。可以理解的是，自从CCD检测器发明以来，图像处理已从采用光学器件的物理实施转向采用电子元件和软件的图像处理。CCD检测器能够检测图像并将其立即转换为一种可以应用数字电子处理的格式。如今，这已经演变为计算成像。计算成像有几个广泛的类别，而压缩成像也许是计算成像最熟知的示例。在压缩成像中，一个场景是，在检测之前进行光学编码，使得在检测时产生压缩表示。在实施例中，采用计算成像通过利用数字图像处理技术和算法来允许待重建的成像对象的空间特性。
编码孔径成像。计算成像的一个子集是编码孔径成像，它能够利用单个像素检测器来检索物体场景的空间信息。通过对一系列已知的随机图案进行光照并测量背散射强度，可以重建二维(2D)图像。算法重建用于渲染图像。可以理解的是，上文关于图5A至图6所述的技术可能落入编码孔径成像重建的保护伞中。
计算鬼影成像。对本文所述系统和技术有用的另一个计算成像子集是计算鬼影成像(computational ghost imaging，CGI)。在基本的鬼影成像(GI)中，利用单象素桶形检测器生成二维对象的光学特性，如透射率、反射率和散射率。可以理解的是，鬼影成像对于替代传统的相机成像是有用的。例如，可以将散斑干涉图案作为参考场的应用被执行用于图像的重建，例如使用热光作为光源。可以进一步理解的是，相关过程可能涉及到许多图像的整体平均。
阿达玛(Hadamard)变换成像。编码孔径计算成像的一个子变体是阿达玛变换成像(Hadamard transform imaging，HTI)。在HTI中，强度光穿过一系列空间编码掩模(即阿达玛掩模)，并且对象被连续测量为一序列时间数据。然后通过执行阿达玛逆变换对对象图像进行重建。HTI提供的信息与正交变换成像技术在本质上是相同的，其在压缩传感(compressive sensing，CS)领域可能是有用的。CS虽然可以采用单通道检测器，并且具有与CGI和HTI的相似性，但其重建对象图像的适用条件是不同的：CS利用对象上信息的稀疏性，其当利用DOFC照射时，这种方法是可行的。然而，CGI和HTI在其适用条件和性能方面是相似的。
利用照射模式约束通过相位检索进行的相干成像。利用结构化照射模式通过相位检索进行的相干成像可以对应于主动式成像技术，其利用相干激光束进行洪泛照射来形成图像。在对象处的反射光场进行传播，以在离物体一定距离的平面上产生散斑图案。利用同频检测测量这种相干场，允许通过对测量场进行数字后处理来重建图像，从而通过菲涅耳(Fresnel)或傅立叶变换将场传播回到对象平面。通过强度测量，可以利用成像相关成像技术对图像进行重建。可以理解的是，收集大量的独立实现的散斑图案强度，允许计算出散斑模式的自协方差(减去均值后，整体平均自相关性)，其等于非相干对象的傅立叶变换的平方幅度(如果非相干照射该对象时的强度反射率)。基于照射模式，利用非负约束和支持约束的相位检索算法能够重建图像。可以实现用于实值非负图像的相位检索算法。还可以理解的是，随着利用一系列激光波长或光频率照射对象，可以组装数据的“立方体(cube)”。因此，一系列多波长形成了一组独立实现的对象散斑返回。这种方法可以通过使用具有已知的有利形状的激光束照射物体、对象或场景来实现无透镜成像。形状的使用使得其成为用于相位检索算法重建图像的支持约束。有效地，这种技术允许使用已知的照射模式从远场散斑强度图案中重建相干图像。
横向电磁场的零差成像(产生振幅和相位)。可以理解的是，传统的成像方法可能通过平方律检测来响应照射。在相干成像中，源(如激光)照射待成像的对象。散射图像场
Figure GDA0003295690870000151
被收集得到强度I，其与全相位信息都丢失的
Figure GDA0003295690870000152
成比例。傅立叶变换零差(FTH)成像扩展到传统的相干检测，并结合本地振荡器(即DOFC应用中的参考梳)的横向空间编码(以及通过展开光谱编码)。这使得能够实现对象图像的远场检索。FTH检测可以规避平方律的限制，并因此能够直接对相干电磁场的横向振幅和相位进行成像。
在FTH场成像中，图像场
Figure GDA0003295690870000153
与本地振荡器(L.O)重新组合，该本地振荡器将光束从源梳中分束，以形成有效的基集，其中所述源梳的横向振幅和相位用一组已知的参考空间相位函数
Figure GDA0003295690870000154
依次调制。FTH场成像是一种基于平方律外差检测的有效的傅立叶投影概念，该检测将图像场
Figure GDA0003295690870000155
的空间分布与(用户定义的)参考场的空间分布相关。在平方律检测器中，图像场与参考场的外差导致复杂的中频电流。该中频电流的大小(β)和相位(α)将参考场的空间傅立叶投影传递到图像场上。在测量时，中频检测器电流的大小和相位形成用于每一个空间函数
Figure GDA0003295690870000156
的复傅立叶系数Cl,m,n。可以理解的是，通过展开傅立叶系数l，可以从中心频率展开成一组光谱函数。这一过程可以看作是具有在多个波长上传递投影的大小和相位的中频电流的傅立叶投影算子。由基函数
Figure GDA0003295690870000157
和测量的傅立叶系数Cl,m,n中可以形成图像场的重建。还可以理解的是，检测表面s可以是单个单元，也可以被划分为多个单元并且可以相干地求和。
DOFC-FTS与计算机成像的结合。将双光频率梳光谱法和计算成像相结合，可以将这两种技术集成到低SWAP格式中。虽然这两种技术是独立使用的，但将这两种技术集成到集成的解决方案提供了单独的技术所不能提供的一些重要优势，这些优势包括使用单个单元检测器和/或无需要移动任何例如零件或机构而进行高光谱信息的空间探测。以下是实现高光谱成像的两种技术集成的其他细节。
DOFC-FT计算成像光谱仪。图2提供了关于特定实施例的DOFC-FT计算成像光谱仪的示意性框图，对其描述如下。
发射机侧。在中红外(IR)区域操作的两个微谐振器型频率梳可以被用作频率梳源205和215。IR光谱区域(2μm～20μm)是感兴趣区域，因为分子在这区域经历了强烈的基性振动跃迁。中红外区域还包含两个重要窗口(3μm～5μm和8μm～13μm)，其中大气相对透明。这些区域可用于检测环境和有毒蒸汽的小痕迹。锁模飞秒激光器的规则脉冲序列可以产生数百万个激光模式的规则梳谱，其间隔等于脉冲重复频率。可以理解的是，参量振荡对于在光学微谐振器中生成的频率梳是有用的。这些介电谐振器可能包括一个亚毫米直径的基本上为环形的环，它具有(host)非常高质量的回音壁模式(whispering-gallery mode，WGM)。当用强泵浦场泵浦时，材料的三阶非线性会导致例如四波混频(four-wave mixing，FWM)。对于单频连续波泵浦，这明显意味着单频泵浦激光器不仅能产生信号-空闲对(signal idlerpair)，而且还能产生大量的信号级联和空闲边带，其通过非退化而额外地变成相互锁相。使用由晶体材料(例如钙和/或氟化镁)制成的强近红外激光谐振器，支持仍然处于中红外深处的超高质量的WGM。
可以理解的是，用于在非相干模下的DOFC-FTS的傅立叶变换的理论公式是有用的。在双梳干涉测量法中，使用光学耦合器(例如分束器)将具有稍微失谐重复率的两个频率梳组合。然后组合的梳被光检测出。检测器生成与入射功率成比例的光电流(见下文)，并且其可以被建模为在入射场上起作用的平方律装置。然后，该光电流被检测器系统的电脉冲响应滤波。然后测量的光电流响应于来自两个梳的组合场。
通过使用折叠镜和50/50分束器230来将这两个梳组合。这种组合使梳能够在非相干DOFC-FTS模式下操作，因为对象将在梳已进行组合之后被采样。在分束器230处组合后，组合的梳在第二反射镜处被折叠。这使得组合光束耦合到分束器240。分束器240将组合光束以50/50的比率分束成询问光束250和参考光束240。这使得参考光束240传播到编码器255，该编码器255可能是可变形的反射镜，其用作用于编码参考光束的空间光调制器。
询问光束传播到另一个反射镜，在该反射镜处所述询问光束被折叠以允许询问光束经由分束器280耦合到输出望远镜265、270，输出望远镜265、270可能是一个全反射望远镜，以保持透射光束和对象的光谱内容。分束器280也将接收器耦合到输出望远镜。
传播的光束。然后DOFC相干激光束(询问光束250)传播以在短至中等范围内泛光照射对象。来自对象的反射光场传播以在接收器处的平面上产生散斑图案。利用零差或外差探测过程，在该平面内测量对应于询问DOFC光束和参考DOFC光束的重新组合的相干场，允许利用菲涅耳或傅立叶变换，通过将场传播回到对象平面来重建对象的复图像。然而，在大的检测器阵列上进行零差或外差检测，需要形成复杂对象的图像，这种检测方法是SWAP并且对于便携式手持设备是高成本的，因此其他检测技术是很有用的。检测器处的响应可以由光电流表示为每一个单独梳的功率和两个梳之间的干涉项之和。假设脉冲比梳的重复周期短得多，则来自每一个梳的每一个脉冲只与距离其他梳最近的脉冲相互作用。因此，复互相关的相互作用可以看成是检测器脉冲响应之和，这些脉冲响应是以规则地增加的延迟由梳脉冲的相移的复互相关的实部进行幅度调制的。下面描述从该图像的傅立叶变换形成光谱内容。
接收器侧。在与对象相互作用后，组合光束传播并由如图2所示的所有反射望远镜265、270收集。然后返回的组合光束的投影的散斑图案通过分束器280前进并进入分束器285，在此询问光束250的返回被耦合到参考光束245，该参考光束245已被空间调制以对其进行编码。这两个电磁场(参考和询问返回)进行组合，使得能够产生差拍中频(IF)。该IF被下移到射频(RF)区域，在该区域中典型的光电检测器可以对所述IF输入的脉冲进行响应。假设对象是线性和不随时间变化的，则在检测器处所得的信号是由两个梳被对象的脉冲响应所滤波而获得的脉冲在空间和光谱上的互相关。由于相互作用信号的输出光谱是输入信号的光谱和滤波系统(对象)的复频响应的乘积，因此这实际上是对象的复光频响应。因此，差拍谱中的每一个副本是梳脉冲的未滤波互谱与滤波对象的功率谱的乘积。这样，可以获得完整对象的传递函数。因为其相位被抵消，这是由于对象对两个DOFC脉冲均进行滤波的事实而导致。在光谱法中，常假定样品具有最小的相位响应，从而满足Kramers-Kronig关系。
在没有参考光束245从分束器240分离并与编码器255相互作用时被添加到参考光束245中的任何特定编码的情况下，两束光束相互作用以产生干涉图，可以通过傅立叶逆变换从干涉图中生成对象的光谱内容。
然而，这种响应是组合的谱对象特征(signature)，而没有任何空间内容，实际上是完全混合的高光谱特征。为了生成与空间维度相关联的对象区域的光谱特征，对参考光束245进行调制，如在编码孔径成像或计算鬼影成像中所做的那样，例如通过零差序列图像收集进行调制。
通过傅立叶变换外差进行场成像。可以理解的是，当图像场与经由如图2所示的空间编码器255通过参考光束的空间操作而产生的一组离散参考场(ΦRef(x,y)→Φm,n)为零差时，则图像傅里叶展开对变成：
Φ图像(x,y,Δωl)＝Φ图像(x,y,l)＝∑∑Cl,m,nΦm,n(x,y),
其中索引l表示第l个中频带通频率。
通过在参考场中依次步进通过一系列的编码孔径类型图案，然后利用本地振荡器(l.o.)对图像场Φ图像进行零差处理，其横向振幅和相位由已知参考空间相位函数集ΦRef＝Φm,n顺序调制，探测器电流的大小和相位的测量形成用于每个空间函数Φm,n的复傅里叶系数Cm,n。可以由基函数Φm,n和测量的Cm,n重建图像场。
经由DOFC傅立叶变换方法进行高光谱场成像。可以理解的是，对由DOFC产生的多组波长的展开是一个更加复杂的问题，但也可以用同样的方法进行解决。所得图像变换产生对象场景的特定(部分的)空间部分的光谱特征。利用编码器的顺序操作产生一组结构化的随机图案，整个图像可以被空间关联。然而，考虑到场景可能是稀疏的，可以同时应用压缩感测技术，以加速收集过程。
还应当理解的是，本文所描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其进行的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种成像设备，包括：
第一频率梳源，其用于以第一重复率生成第一频率梳；
第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；
第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；
第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；
空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；
反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射对象；
收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；
第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；
检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生一组干涉图；以及
处理器，其被配置以利用所述一组干涉图和所述一组参考场来生成所述对象的高光谱数字图像。
2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，生成所述对象的高光谱数字图像包括：计算所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。
3.根据权利要求1所述的成像设备，其中，生成所述对象的高光谱数字图像包括：利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行编码孔径成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行计算鬼影成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行阿达玛变换成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者利用所述一组干涉图集和所述一组参考场集来执行傅立叶变换零差成像重建算法。
4.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述高光谱数字图像对应于所述对象的三维表示，所述对象的三维表示包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。
5.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一频率梳源或所述第二频率梳源包括、或者这两者均包括：近红外(NIR)飞秒激光源、晶体微谐振器、硅光学微谐振器、掺铒光纤激光器、光子晶体光纤或其任意组合。
6.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一重复率和所述第二重复率以10-5～10-7的因子偏离。
7.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述空间编码器包括：数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列、可变形反射镜或其任意组合。
8.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述空间编码器修改所述参考光束的空间强度分布。
9.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括单个像素。
10.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括多个像素，其中来自所述多个像素中的每一个像素的输出相加以提供总输出。
11.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括：宽带红外检测器、短波长红外检测器、中波长红外检测器和长波长红外检测器中的一个或多个。
12.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括热电冷却检测器。
13.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一光束组合器或所述第二光束组合器包括分束器、或者这两者均包括分束器。
14.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述收集光学器件包括所述反射望远镜。
15.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：与所述第一频率梳源、所述第二频率梳源、所述第一光束组合器、所述第一分束器、所述空间编码器、所述反射望远镜、所述收集光学器件、所述第二光束组合器和所述检测器中的一个或多个进行光通信的一个或多个透镜、反射镜、分束器、滤波器、棱镜、偏振镜、波导或其任何组合。
16.一种生成高光谱图像的方法，所述方法包括：
以第一重复率生成第一频率梳；
以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；
将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；
分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；
利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；
利用所述询问光束照射对象，其中所述询问光束与所述对象相互作用，以生成反射光；
收集所述反射光；
将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；
检测所述组合光束，以产生一组干涉图；以及
利用所述一组干涉图和所述一组参考场来重建所述对象的高光谱数字图像。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，重建所述对象的高光谱数字图像包括：
确定所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，重建所述对象的所述高光谱数字图像包括：执行编码孔径成像重建算法、执行计算鬼影成像重建算法、执行阿达玛变换成像重建算法、执行利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者执行傅立叶变换零差成像重建算法。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一频率梳由第一频率梳源生成；其中所述第二频率梳由第二频率梳源生成；其中生成所述双频率梳包括利用第一光束组合器将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合；其中生成所述询问光束和所述参考光束包括利用第一分束器分离所述双频率梳；其中对所述参考光束进行空间编码包括利用空间编码器；其中照射所述对象包括利用反射望远镜；其中收集所述反射光包括利用收集光学器件；其中将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合包括利用第二光束组合器；以及其中检测所述组合光束包括利用检测器。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高光谱数字图像对应于所述对象的三维表示，所述对象的三维表示包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。
21.根据权利要求16所述的方法，所述方法利用成像设备来执行，所述成像设备包括：
第一频率梳源，其用于以所述第一重复率生成所述第一频率梳；
第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的所述第二重复率生成所述第二频率梳；
第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成所述双频率梳；
第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成所述询问光束和参考光束；
空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用所述一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成所述编码的参考光束；
反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射所述对象；
收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；
第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成所述组合光束；以及
检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生所述一组干涉图。
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