CN110998259A - 编码孔光谱成像装置 - Google Patents

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穆罕默德·菲尔曼赛亚·卡西姆
彼得·诺里斯
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Abstract

提供了一种成像光谱仪(100)，包括：被配置为允许光进入光谱仪(100)的入射开口(101)、编码孔(120)、至少一个分散元件(111、112)、二维阵列检测器(130)以及多个会聚光学元件(121、122、123、124)。多个会聚光学元件(121、122、123、124)被配置为将来自入射开口(101)的光聚焦在编码孔(120)处，并且将来自编码孔(120)的光聚焦在检测器(130)处。编码孔(120)被布置成在空域和光谱域中的至少一个中调制来自入射开口(101)的光。至少一个分散元件(111、112)包括在编码孔(120)和检测器(130)之间的分散元件(111、112)。至少一个会聚光学元件(121、122、123、124)包括至少一个凹面反射器。

Description

编码孔光谱成像装置
技术领域
本发明涉及例如等离子体尾波场的编码孔光谱成像。
背景技术
压缩感测是一种信号处理技术，用于从相对少量的测量中有效地获取和重构信号。通过使用稀疏度作为解决将样本与信号相关的不确定系统的约束，可以使用相对较少数量的样本来重构来自稀疏系统的信号。在稀疏系统中，该系统的许多系数将为零或接近零。
在过去的大约十年中，压缩感测的发展开辟了科学和工程学领域的新型诊断和测量方法。一个示例是单像素相机(Duarte，Marco F.等人，“通过压缩采样进行单像素成像(Single-pixel imaging via compressive sampling)”IEEE信号处理期刊25.2(2008)：83-91)，可用于在探测器阵列价格昂贵的波长下成像。另一个压缩成像示例是每秒1000亿帧的相机(Gao，Liang等人，“每秒1000亿帧的单次压缩超快摄影(Single-shot compressedultrafast photography at one hundred billion frames per second)”自然516.7529(2014)：74-77)。
光谱仪在科学中被广泛使用，例如用于研究超短激光脉冲和激光物质相互作用场(例如等离子流场)。在激光实验中使用的一种光谱仪是具有狭缝的Czerny-Turner光谱仪。使用狭窄的狭缝和2D电荷耦合器件(CCD)阵列，可以获取穿过狭缝的一缕光的光谱功能。当需要获得不同光片的光谱轮廓时，这可能是个问题，这将需要在不同狭缝位置进行多次测量。此外，不能保证在激光实验中，每次拍摄的测量条件都是可重复的(例如，由于每次拍摄之间的差异)。这些问题会使多次测量成为问题。
已经提出了使用单个分散器(SD-CASSI，Wagadarikar，Ashwin等人，“用于编码孔快照光谱成像的单分散器设计(Single disperser design for coded aperturesnapshot spectral imaging)”Applied optics 47.10(2008)：B44-B51)以及双分散器(DD-CASSI，Gehm，M.E.等人，“具有双分散器结构的单次压缩光谱成像(Single-shotcompressive spectral imaging with a dual-disperser architecture)”Opticsexpress 15.21(2007)：14013-14027)的编码孔快照光谱成像。这些都公开了使用分散器元件和编码孔来获取场景的二维空间和一维光谱轮廓。
在DD-CASSI(如图1所示)中，编码孔位于第一分散器元件和第二分散器元件之间。第一分散器剪切光的光谱轮廓，然后编码孔在空域和光谱域中阻挡光的某些部分，并且最后第二分散器使第一分散器的分散反转。使用2D检测器阵列来检测第二分散器之后的光。从检测器捕获的2D图像中，可以获取光的2D空间轮廓和1D光谱轮廓。实质上，DD-CASSI牺牲空间信息来获取有关数据立方体的光谱信息。来自场景中每个空间位置的光谱信息在检测器的局部区域上多路复用。
SD-CASSI(也示出在图1中)具有与DD-CASSI类似的配置，不同之处在于它不具有第一分散器元件。来自场景的光的一部分将被编码孔遮挡，然后来自编码孔的光被分散器剪切(将空间调制转换为光谱调制和空间调制)，并最终记录在检测器上。
由于DD-CASSI仅在数据立方体中复用光谱信息，因此它无法重建点源对象的光谱。另一方面，SD-CASSI可以重构点源的频谱，前提是该源在空间上映射到编码输入孔上的开放元件。这意味着，对于需要高空间分辨率且对光谱分辨率的要求不那么严格的重建，DD-CASSI布置可以是首选。另一方面，当光谱分辨率比数据立方体中的空间分辨率更重要时，SD-CASSI布置可能是首选。
在SD-CASSI中，在光谱域和空间域中进行测量，而随机化(来自编码孔)仅应用于空间域。因此，对于需要比空间信息更多的光谱信息的测量，SD-CASSI中的测量矩阵具有相当高的相干性。因此，对于某些需要高精度和高分辨率的光谱图以及后处理分析的光谱仪应用(例如干涉仪)，SD-CASSI可能会给出不理想的结果。
期望克服或至少改善至少一些上述问题的成像光谱仪。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种成像光谱仪，其包括：被配置为使光进入光谱仪的入射开口、编码孔、至少一个分散元件、二维阵列检测器以及多个会聚光学元件；其中：
多个会聚光学元件被配置为将来自入射开口的光聚焦在编码孔处，并且将来自编码孔的光聚焦在检测器处，
编码孔被布置为在空域和光谱域中的至少一个中调制来自入射开口的光，
至少一个分散元件包括在编码孔和检测器之间的分散元件，
其中，至少一个会聚光学元件包括至少一个凹面反射器。
凹面反射器可能产生很小的分散(例如色差)，从而可以更好地控制光谱仪内的光分散。
成像光谱仪可以进一步包括处理器，被配置为使用压缩感测算法从检测器提供的信号中重建信号。该信号可以包括高光谱图像，该高光谱图像包括关于场景的光谱和空间信息。
至少一个凹面反射器可以被配置为执行以下至少一项：i)引导并准直在分散元件处的光，ii)将光引导和聚焦在编码孔处，以及iii)将光引导和聚焦在检测器处。
至少一个分散元件可以包括在入射开口和编码孔之间的第一分散元件，并且在编码孔和检测器之间的分散元件可以是第二分散元件。
第一分散元件可以被布置为沿第一方向剪切来自入射开口的光，且第二分散元件可以被布置为沿与第一方向相反的第二方向剪切来自编码孔的光。
至少一个凹面反射器可以被配置为执行以下至少一项：将光从入射开口引导到第一分散元件，将光从第一分散元件引导到编码孔，将光从编码孔引导到第二分散元件，以及将光从第二分散元件引导到检测器。
光谱仪可以被配置为使得入射在检测器上的光在第二方向上被剪切，使得检测器上的每个位置与场景的多个空间位置相对应。
与诸如SD-CASSI的常规系统相比，这在测量中提供了更多的随机性，从而降低了相干性，并提高了从检测器的测量数据中检索信号(例如光谱和空间信息)的能力。与在光谱仪中使用反射光学器件或折射光学器件一样，使用附加的分散阶段可以赋予该优势(如本发明的第二方面所述)。附加的分散阶段可以通过穿过分散元件两次的光路(在折叠的光学配置中)，或通过使用三个分散元件(在展开的光学配置中)来实现。
至少一个凹面反射器可以包括第一凹面反射器，第一凹面反射器被布置为在第一分散元件处准直来自入射开口的光。
至少一个凹面反射器可以包括第二凹面反射器，第二凹面反射器被布置为将来自第一分散元件的光聚焦在编码孔阵列处。
至少一个凹面反射器可以包括第三凹面反射器，第三凹面反射器被布置为在第二分散元件处准直光。
至少一个凹面反射器可以包括第四凹面反射器，第四凹面反射器被布置为将光聚焦在检测器上。
至少一个凹面反射器可以包括至少一个凹面环形反射器和/或至少一个离轴抛物线反射器和/或至少一个球面反射器和/或至少一个轴上抛物线反射器。优选地，可以使用环形或离轴抛物面反射器。
至少一个凹面反射器可具有在10cm和20cm之间的焦距。
至少一个反射器可以包括第一凹面反射器、第二凹面反射器、第三凹面反射器和第四凹面反射器，分别配置为：i)在第一分散元件处准直来自入射狭缝的光；ii)将来自第一分散元件的光聚焦在编码孔阵列处；iii)在第二分散元件处准直光；以及iv)将光聚焦在检测器上。
第一凹面反射器、第二凹面反射器、第三凹面反射器和第四凹面反射器中的每个可以具有相同的焦距。
入射开口可以是入射狭缝。
入射狭缝可以是至少50微米宽，或至少100微米宽。入射狭缝的宽度可以在100微米至300微米之间。
编码孔可以包括至少50×50像素的阵列。
编码孔阵列可以以反射模式操作，使得编码孔阵列将光的编码图案朝向检测器反射，并且编码孔阵列将反转的光的编码图案倾倒和/或吸收。
编码孔阵列可以可操作以经由第一分散元件将光的编码图案反射回检测器，其中，第一分散元件被配置为，除了对来自入射狭缝的光施加剪切力之外，还随后在编码孔阵列处反射之后从光的编码图案中去除该剪切力。
成像光谱仪可以进一步包括分束器，该分束器被配置为将来自入射开口的一些光引导到第一分散元件，并且将来自第一分散元件的一些返回的光的编码图案引导到第二分散元件。
至少一个反射器可以包括第三弯曲反射器，并且第三反射器被布置为在第二分散元件处准直来自分束器的光。
编码孔阵列可以在透射模式下操作，使得编码孔阵列将光的编码模式朝向检测器透射，并且编码孔阵列将反转的光的编码图案倾倒和/或吸收。
成像光谱仪可以进一步包括第三分散元件，第三分散元件被布置为沿第二方向剪切来自编码孔阵列的光的编码图案，以去除来自光的编码图案的剪切。
成像光谱仪可以进一步包括第五反射器，第五反射器被配置为将来自第三分散元件的光聚焦在焦平面上。
成像光谱仪可以进一步包括第六反射器，第六反射器被配置为在第二分散元件处准直来自焦平面的光。
根据第二方面，提供了一种成像光谱仪，包括：被配置为使光进入光谱仪的入射开口、编码孔、第一分散元件和第二分散元件、二维阵列检测器以及多个会聚光学元件；其中：
多个会聚光学元件被配置为将来自入射开口的光聚焦在编码孔处，并且将来自编码孔的光聚焦在检测器处，
编码孔被布置为在空域和光谱域中的至少一个中调制来自入射开口的光，
第一分散元件在入射开口和编码孔之间，并且第二分散元件在编码孔和检测器之间；
其中，光谱仪被配置为使得入射在检测器上的光在第二方向上被剪切，使得检测器上的每个位置与场景的多个空间位置相对应。
多个会聚元件可包括至少一个凹面反射器。
第一方面的特征可以与第一方面的特征结合。为了保持本公开的简洁，在第二方面之后不再再现在第一方面之后描述的可选特征。提及从特定特征接收的光并不意味着必须直接从该特征接收光。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的示例实施方式，其中：
图1示出了现有技术DD-CASSI和SD-CASSI仪器的光学布局；
图2是根据第一实施方式的采用反射编码孔的成像光谱仪的光学布局的示意图；
图3是更详细地说明来自第一入射狭缝位置和第二入射狭缝位置的射线的示意图；
图4是根据第二实施方式的采用透射编码孔的成像光谱仪的光学布局的示意图；
图5示出了从进入光谱仪直到到达检测器的光的转换；
图6是在光谱仪检测器处获得的模拟图像；
图7示出了从图6的图像的最左、中心和最右切片中提取的三个光谱；
图8示出了针对图6的图像的每个连续切片的一组光谱强度曲线；
图9示出了根据实施方式的要反转的数据立方体以及根据实施方式的在光谱仪的检测器处捕获的模拟图案的图示，
图10示出了对于光谱干涉法示例的原始光谱强度分布图和检索的光谱强度分布图的比较；
图11示出了从图10的示例的检索的光谱分布图和原始光谱分布图中提取的相位图；以及
图12示出了所有光谱强度分布图的相位图的中心轮廓，将检索到的相位图与原始数据中的相位图进行了比较。
具体实施方式
理论
考虑由等式y＝Ax表示的线性测量系统，其中x是要测量的系统参数的N×1向量，y表示测量数据的M×1向量，且A是大小M×N的测量矩阵。从已知的测量数据y中检索x，且测量矩阵A称为逆问题。
如果测量数据少于要检索的信息(即M＜N)，则由于存在无限可能的解决方案，因此该问题变得无法解决。为了得到一个合理的解决方案，必须在这个不确定的系统中施加一些限制。如果x是稀疏向量，则有可能获得欠定系统的精确解。如果向量只有k个非零元素，则称为稀疏向量，其中k＜＜N。即使向量x是稀疏的，但并非所有测量矩阵都可用于检索向量x。可用于检索稀疏矢量x的良好测量矩阵应具有较低的相干性，其中相干性定义为
Figure BDA0002379252300000091
其中ai是矩阵A的第i列。
实现测量矩阵低相干性的一种方法是随机化。已经表明，随机的高斯矩阵将具有高概率的低相干性。最近，已经表明，随机沃尔什-哈达玛矩阵也将在实践中起作用。稀疏性是压缩感测的关键。即使感兴趣的信号在其原始表示中并不稀疏，但在大多数情况下，它在某些域中是稀疏的，例如离散余弦变换或小波。在这种情况下，测量过程可以表示为y＝AΦc，其中c是其他域中信号x的系数矢量，且Φ是从稀疏域到信号原始表示的稀疏变换矩阵。在这种情况下，将矩阵(AΦ)视为测量矩阵。
假设系数向量c是稀疏的，则检索c的一种方法是最小化以下损失函数：
Figure BDA0002379252300000092
其中λ＞0是正则化系数，而‖w‖p＝(∑i|wi|p)1/p是向量的Lp-范数。另一种方法是直接使用总变化量TV作为正则化函数而不是L1-范数来检索感兴趣的信号x，
Figure BDA0002379252300000101
其中TV可以是各向同性和非各向同性的总变化。各向同性和非各向同性TV分别由下式给出：
TViso(x)＝∑i[(Δhxi)2+(Δvxi)2]1/2 (4)
TVniso(x)＝∑i（|Δhxi|+|Δvxi|) (5)
Δh和Δv分别表示水平和垂直方向的梯度。
解决优化问题(2)和(3)时已经有各种算法可用。其中包括两步迭代收缩阈值算法(TwIST)1、快速迭代收缩阈值算法(FISTA)2、Orthant-Wise有限内存拟牛顿(OWL-QN)3和迭代硬阈值(IHT)4。它们是基于梯度下降的算法，其中在每个下降步骤之后都应用阈值。
参照图2，示出了根据第一实施方式的用于成像光谱仪100的光学布局，该光学布局包括：入射开口101；第一分散元件111和第二分散元件112；第一反射器、第二反射器、第三反射器和第四反射器121-124；分束器131；平面反射器132；检测器130。示出了从入射开口101到检测器130的中心射线的路径。
图3更详细地示出了射线141-143和151-153。射线将从入射开口101的每个位置发散。为简化图2，仅显示了来自入射开口101的相应第一位置和第二位置的中心射线141、151。在图3中，示出了来自第一位置和第二位置的每个位置的中心射线141、151以及对应的发散射线142、143和152、153。为清楚起见，这些发散射线未在图1和图3中示出。
在示例实施方式中的入射开口101是入射狭缝，使得能够产生长而稀薄的场景的光谱图像(例如，等离子体流场或超短持续时间的激光实验)。入射狭缝的宽度为200微米，或约为检测器像素大小的10倍。
通过入射狭缝101进入光谱仪100的光通过分束器131透射到第一反射器121。第一反射器121被配置为在第一分散元件111处准直光。
第一分散元件111是反射分散元件，在这种情况下是衍射光栅(例如300线/毫米)。第一分散元件111分散/剪切入射光，使得不同波长的入射光被以不同角度反射远离第一分散元件。从第一分散元件111反射的光在第二反射器122处接收，第二反射器122将分散/剪切的光聚焦在编码孔120处。
第一反射器121和第二反射器122均为凸形反射器。更具体地，在该示例中，第一反射器121和第二反射器122两者具有相同的焦距(15cm)，并且是环形反射器。这是方便的光学布置，但不是必需的，并且可以使用具有不同焦距的反射器。在一些实施方式中，第一反射器和第二反射器中的至少一个(或两者)可以被折射光学元件代替。在光谱仪中使用反射光学元件准直和聚焦光的一个优点是这些不会引入分散。在本实施方式中引入的分散可以被限制为由衍射光栅引入的分散，其将被很好地控制并且不会经受明显的像差。
在该实施方式中，编码孔120被配置为将光的图案反射回去，并倾倒和/或吸收反转的图案。编码孔阵列可以例如包括像素阵列，该像素阵列可以将光透射到光束收集器，或者沿着入射路径将入射光反射回去(朝向第二反射器122)。例如，编码孔120可以是：包含100×100正方形像素(边长为20微米)。这些像素可以具有固定的准随机图案。
从编码孔120反射的光的图案沿着入射路径传播回第二反射器122，第二反射器122使反射的光的图案在第一分散元件111处准直返回。因此，去除了在第一分散元件处引入的分散/剪切。来自编码孔120的、被第一分散元件111反射的光随后入射在第一反射器121上，该第一反射器121将返回的光的一部分聚焦在分束器131处的图像平面A处。平面反射器132随后将返回的光引导到第三反射器123，第三反射器123在第二分散元件112处准直来自成像平面A的光。
第二分散元件是另一衍射光栅，其以与由第一分散元件111从入射开口101到编码孔120的方式，赋予光的剪切/分散相反的方向剪切/分散光。这导致其中在反射器上的光谱域和空域上对调制进行编码的光。
从第二分散元件112反射的光被第四反射器124聚焦在检测器130处，该检测器130在该示例中是电荷耦合器件焦平面阵列(但是也可以使用其他检测器技术，例如CMOS图像传感器)。
图2中的光学布置最好是4F系统。每个反射器的焦距优选地是相同的(例如，每个反射器可以是匹配的光学元件)。
图2的实施方式100在分束器131处损失一些光。图4示出了其中不需要分束器的替代“展开”配置。该布置类似于图1的布置：通过第一反射器121在第一分散元件(光栅)111处准直来自入射开口121的光，并且从第一分散元件反射的光被第二反射器122聚焦在孔处。在该实施方式中，编码孔是透射的，并且图案被编码孔120施加在第二反射器122的焦平面上(剩余的光被吸收或反射离开光路)。可以设置平面反射器132以折叠第二反射器122和编码孔120之间的光路–这可以很方便，但不是必需的。来自编码孔120的光被引导至第五反射器125，该第五反射器125在第三分散元件113处(还是衍射光栅)准直光。第三分散元件113去除由第一分散元件111施加的分散，类似于第一实施方式中的光经由第一分散元件111被反射回检测器130。第六反射器126在焦平面A处对来自第三分散元件113的光成像。在第二实施方式200中，从焦平面A到检测器130的光路与第一实施方式100相同。
图4的“展开”布置的优点在于，在检测器130处有更多的光可用，因此在每帧的光量相对较小的情况下，可以提高信噪比。缺点是需要更多的光学元件。
参照图5，示出了从在入射开口101处进入光谱仪到检测器130的光的数据立方体转换。入射开口处的数据立方体301没有分散，并且对于所有波长，场景在入射开口处的每个空间位置都对应于数据立方体301中的空间位置。在第一分散元件111到达编码孔的途中，数据立方体302被分散/剪切。因此，编码孔120将调制应用于分散的数据立方体302。
数据立方体303示出了编码孔的效果，其以空间图案(与编码孔处的图案相对应)阻挡了数据立方体302的区域。数据立方体304是在返回路径上的第一分散元件111(如图2所示)或第三分散元件113除去分散体之后。数据立方体305在第二个和最后一个分散元件112分散之后(在两个实施方式中)。该数据立方体305入射到对光谱不敏感的检测器130上，因此对于检测器130的每个空间位置，具有沿波长轴对数据立方体求和的效果。根据检测器上记录的强度分布，可以应用压缩感测检索算法来获取原始数据的多维数据集(例如之前提到的TwIST、FISTA、OWL-QN和IHT方法)。
在根据实施方式的光谱仪设计中，检测器130测量频谱域和空域中的强度增强，而随机化(来自编码孔120)也发生在空域和频谱域中。这在测量中提供了更多的随机性，因此，与现有技术方法相比，该测量具有较低的相干性和较好的检索能力的可能性。
为了证明实施方式，使用计算机实施的仿真进行了数值测试。在这种情况下，仿真将根据等式(2)
Figure BDA0002379252300000141
确定损耗相对于光谱立方元件c的梯度。该程序还确定使损耗
Figure BDA0002379252300000142
最小的c。该模拟使用焦距为f＝15cm的凹环形反射镜和300线/mm的光栅对数据立方体转换进行建模。模拟中的随机孔具有100×100正方形像素，每个像素的边长为20微米。检测器阵列具有边长为20微米和100×100像素的正方形像素。
第一个模拟情况使用空间线性调频光源，其中光具有增加的中心波长以增加不同的x位置。对于每个x位置，光都具有高斯光谱轮廓，其半峰全宽(FWHM)为4.05nm，且中心波长在633nm附近变化。线性调频为31.25nm/mm。σ为最大频谱强度的10％的高斯噪声被包括在内以测试鲁棒性。入射狭缝的宽度为200微米，或者约为检测器像素大小的10倍。为了从检测器上的信息中检索测量结果，使用了OWL-QN算法，其多维数据集大小为(Ny，Nx，Nλ)＝(100×11×90)体素。OWL-QN是用于
Figure BDA0002379252300000143
正则化器的二阶优化算法。选择三维离散余弦变换(3D-DCT)域作为信号的稀疏域。
图6示出了在检测器处的模拟的测量强度分布图401(强度相对于x和y轴上的像素位置进行了映射)。从该模拟的测量强度分布图中，可以检索进入狭缝的光的完整3D数据立方体。
图7示出了通过在检测器处处理模拟数据而获得的光谱轮廓411、412、413。轮廓411、412、413分别对应于位置x＝-100微米，x＝0微米和x＝100微米。中心光谱轮廓412与原始信号非常吻合，并且光谱轮廓411和413也与原始轮廓非常吻合。图8显示了多个切片位置(x＝-100微米至x＝100微米，以20微米为步长)中每个位置相对于波长的强度映射421-431，且这些结果也与原始信号非常吻合。
根据光谱干涉法进行了另一项测试。在光谱干涉法中，有两个短的激光脉冲。一个脉冲，称为探测脉冲，具有某种相位调制，而另一个脉冲，即参考脉冲，没有相位调制。探测脉冲和参考脉冲分别在时间上线性调频。探测脉冲和参考脉冲共同传播，并且在时间上是分开的。这两个脉冲的光谱轮廓包含探测脉冲的相位调制信息。通过应用高通滤波器并获得从两个脉冲获得的光谱轮廓的相位，可以提取探测脉冲的相位调制。在3D光谱仪中实现这一点带来了更大的挑战，因为光谱干涉测量需要对检索到的信号进行后处理(即相位提取)以获得有用的信息。
在这种模拟情况下，探测脉冲的相位在空间和光谱上进行调制。然后根据以下公式将调制编码为频谱强度：
I(x,y,ω)＝I0(x,y,ω)[1+cos(ωτ+Δφ(x,y,ω))] (6)
其中I0是一个脉冲的光谱强度曲线，且φ(x,y,ω)是探测脉冲的相位调制。在3D光谱仪中，光谱强度数据立方体I(x,y,ω)经历了图4所示的变换，其中λ＝2πc/ω。光谱强度数据立方体是从光谱仪捕获的图像中检索出来的，并进行后处理分析以获得相位调制数据立方体，φ(x,y,ω)。
在测试的情况下，要检索Nx＝10个光谱强度分布图切片，每个切片的大小为Nλ×Ny＝(800×100)像素。在图9中示出了数据立方体示例440。在图9中还示出了光谱仪441的检测器处的图案。屏幕上的图像大小是(809×100)像素。使用TwIST算法检索所有光谱强度曲线。在图10中示出了所检索的光谱强度分布图452之一及其与原始光谱强度分布图451的比较。
本文公开的光谱仪设计的一个优点是，即使进行后处理，它也很坚固。图11显示了从检索到的原始谱图中提取的相位图。图12中显示了来自所有光谱强度曲线的相位图中心线的比较。图12中的虚线是原始相位图轮廓，且实线是检索到的相位图。检索到的轮廓与原始相位图非常吻合。
本公开的实施方式开辟了新的可能性，例如捕获用于激光物质相互作用的高速视频(例如约万亿fps)，在与物质相互作用之后对激光脉冲进行完整的光谱轮廓分析，以及短脉冲的3D相位和强度轮廓重建(例如应用类似SPIDER5中公开的技术)。
尽管已经描述了其中所有光学元件都是反射性的示例，但是在一些实施方式中，可以使用一些透射(例如折射)元件。
尽管已经公开了具体示例来说明本发明，但是这些示例并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围应参考所附权利要求来确定。
参考文献
1J.M.Bioucas-Dias and M.A.T.Figueiredo,IEEE Trans.Image Process.16,pp.2992-3004(2007).
2A.Beck and M.Teboulle,SIAM J.Imaging Sciences 2,pp.183-202(2009).
3 G.Andrew and J.Gao,Proc.Intl.Conf.Machine Learning,pp.33-40(2007).
4 T.Blumensath and M.E.Davies,arXiv:0805.0510(2008).
5 Iaconis,Chris,and Ian A.Walmsley."Spectral phase interferometry fordirect electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses."Opticsletters 23.10(1998):792-794.

Claims (25)

1.一种成像光谱仪，包括：入射开口，所述入射开口被配置为使光进入所述光谱仪；编码孔；至少一个分散元件；二维阵列检测器；以及多个会聚光学元件；其中：
所述多个会聚光学元件被配置为将来自所述入射开口的光聚焦在所述编码孔处，并且将来自所述编码孔的光聚焦在所述检测器处，
所述编码孔被布置为在空域和光谱域中的至少一个中调制来自所述入射开口的光，
所述至少一个分散元件包括在所述编码孔和所述检测器之间的分散元件，
其中，所述至少一个会聚光学元件包括至少一个凹面反射器。
2.根据权利要求1所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器被配置为执行以下至少一项：i)引导并准直在所述分散元件处的光，ii)将光引导并聚焦在所述编码孔处，以及iii)将光引导并聚焦在所述检测器上。
3.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个分散元件包括在所述入射开口和所述编码孔之间的第一分散元件，以及在所述编码孔和所述检测器之间的所述分散元件是第二分散元件。
4.根据权利要求3所述的成像光谱仪，其中，所述第一分散元件被布置为沿第一方向剪切来自所述入射开口的光，并且所述第二分散元件被布置为沿与所述第一方向相反的第二方向剪切来自所述编码孔的光。
5.根据权利要求4所述的光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器被配置为执行以下至少一项：将光从所述入射开口引导到所述第一分散元件，将光从所述第一分散元件引导到所述编码孔，将光从所述编码孔引导到所述第二分散元件，以及将光从所述第二分散元件引导到所述检测器。
6.根据权利要求4或5所述的成像光谱仪，其中，所述光谱仪被配置为使得入射在所述检测器上的光在所述第二方向上被剪切，使得所述检测器上的每个位置与场景的多个空间位置相对应。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器包括第一凹面反射器，所述第一凹面反射器被布置为在所述第一分散元件处准直来自所述入射开口的光。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器包括第二凹面反射器，所述第二凹面反射器被布置为将来自所述第一分散元件的光聚焦在所述编码孔阵列处。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器包括第三凹面反射器，所述第三凹面反射器被布置为在所述第二分散元件处准直光。
10.根据权利要求3至9中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器包括第四凹面反射器，所述第四凹面反射器被布置为将光聚焦在所述检测器处。
11.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器包括至少一个凹面环形反射器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个凹面反射器具有在10cm与20cm之间的焦距。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个反射器包括第一凹面反射器、第二凹面反射器、第三凹面反射器和第四凹面反射器，所述至少一个凹面反射器分别被配置为：i)在所述第一分散元件处准直来自所述入射狭缝的光；ii)将来自所述第一分散元件的光聚焦在所述编码孔阵列处；iii)在所述第二分散元件处准直光；以及iv)将光聚焦在所述检测器上。
14.根据权利要求13所述的成像光谱仪，其中，所述第一凹面反射器、第二凹面反射器、第三凹面反射器和第四凹面反射器中的每一个具有相同的焦距。
15.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述入射开口是入射狭缝。
16.根据权利要求15所述的成像光谱仪，其中，所述入射狭缝至少为50微米宽。
17.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述编码孔包括至少50×50像素的阵列。
18.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述编码孔阵列能够在反射模式下操作，使得所述编码孔阵列将光的编码图案朝向所述检测器反射，并且所述编码孔阵列将反转的所述光的编码图案倾倒和/或吸收。
19.根据权利要求18所述的成像光谱仪，其中，所述编码孔阵列能够操作以经由所述第一分散元件将所述光的编码图案反射回所述检测器，其中，所述第一分散元件被配置为，除了对来自所述入射狭缝的光施加剪切力之外，还随后在所述编码孔阵列处反射之后从所述光的编码图案中去除该剪切力。
20.根据权利要求19所述的成像光谱仪，还包括分束器，所述分束器被配置为将来自所述入射开口的一些光导向所述第一分散元件，并且将来自所述第一分散元件的一些所返回的光的编码图案引导到所述第二分散元件。
21.根据权利要求17所述的成像光谱仪，其中，所述至少一个反射器包括第三弯曲反射器，并且所述第三反射器被布置为在所述第二分散元件处准直来自所述分束器的光。
22.根据前述权利要求中任一项所述的成像光谱仪，其中，所述编码孔阵列能够在透射模式下操作，使得所述编码孔阵列将光的编码图案朝向所述检测器透射，并且所述编码孔阵列将反转的所述光的编码图案倾倒和/或吸收。
23.根据权利要求22所述的成像光谱仪，包括权利要求3所述的主题，还包括第三分散元件，所述第三分散元件被布置为沿所述第二方向剪切来自所述编码孔阵列的光的编码图案，以去除来自所述光的编码图案的剪切力。
24.根据权利要求23所述的成像光谱仪，还包括第五反射器，所述第五反射器被配置为将来自所述第三分散元件的光聚焦在焦平面上。
25.根据权利要求25所述的成像光谱仪，还包括第六反射器，所述第六反射器被配置为在所述第二分散元件处准直来自所述焦平面的光。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111623876A (zh) * 2020-07-01 2020-09-04 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于s矩阵狭缝阵列的推扫式高光谱成像系统及方法
CN114088202A (zh) * 2020-08-25 2022-02-25 南京大学 一种被动式超快过程采集装置及方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE1950813A1 (en) * 2019-06-28 2020-07-14 Guenot Diego Optical spectrometer and method for spectrally resolved two-dimensional imaging of an object
CN114739509B (zh) * 2022-06-13 2022-10-11 武汉大学 一种四边形共光路时间调制干涉光谱成像装置及方法
US20240027265A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-25 HI-Spectral, LLC Optical component and system for simultaneous 3d hyperspectral imaging

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5627639A (en) * 1995-06-06 1997-05-06 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Coded aperture imaging spectrometer
US6996292B1 (en) * 2002-04-18 2006-02-07 Sandia Corporation Staring 2-D hadamard transform spectral imager
US20070296965A1 (en) * 2006-04-17 2007-12-27 Brady David J Spatially-registered wavelength coding

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7180588B2 (en) * 1999-04-09 2007-02-20 Plain Sight Systems, Inc. Devices and method for spectral measurements
US20070263211A1 (en) * 2006-05-10 2007-11-15 Manos Dennis M Portable VUV spectrometer
US8149400B2 (en) 2009-04-07 2012-04-03 Duke University Coded aperture snapshot spectral imager and method therefor
US9343491B2 (en) * 2013-05-06 2016-05-17 Gonzalo Arce Spectral imaging sensors and methods
CN103575396B (zh) 2013-11-19 2015-08-05 中国科学院空间科学与应用研究中心 基于压缩感知和Hadamard变换的成像光谱系统及方法
CN103743482B (zh) 2013-11-22 2016-08-17 中国科学院光电研究院 一种光谱成像装置及光谱成像反演方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5627639A (en) * 1995-06-06 1997-05-06 Lockheed Missiles & Space Company, Inc. Coded aperture imaging spectrometer
US6996292B1 (en) * 2002-04-18 2006-02-07 Sandia Corporation Staring 2-D hadamard transform spectral imager
US20070296965A1 (en) * 2006-04-17 2007-12-27 Brady David J Spatially-registered wavelength coding

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111623876A (zh) * 2020-07-01 2020-09-04 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于s矩阵狭缝阵列的推扫式高光谱成像系统及方法
CN111623876B (zh) * 2020-07-01 2023-09-12 中国科学院上海技术物理研究所 一种基于s矩阵狭缝阵列的推扫式高光谱成像系统及方法
CN114088202A (zh) * 2020-08-25 2022-02-25 南京大学 一种被动式超快过程采集装置及方法

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