CN114325908B - 一种可见/近红外波段多模式微纳光栅阵列排布结构 - Google Patents

一种可见/近红外波段多模式微纳光栅阵列排布结构 Download PDF

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本发明公开了一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，包括纵向交叉排布的第一类型行阵列和第二类型行阵列，第一类型行阵列为超像素马赛克型光栅片行阵列，第二类型行阵列为线型光栅片行阵列；第一类型行阵列包括M个间隔设置的超像素马赛克光栅片阵列，每个超像素马赛克光栅片阵列均由S*S个第一微纳光栅单元构成；第二类型行阵列包括N个间隔设置的第二微纳光栅单元，且该N个微纳光栅单元的中心波长均不相同；当第一微纳光栅单元与第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的光谱响应曲线不同；本发明可以在单次拍摄可以提供工作波段更全面的光谱信息，为后续图像处理工作提供更多的信息。

Description

一种可见/近红外波段多模式微纳光栅阵列排布结构
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构。
背景技术
滤光片阵列作为一种新型高光谱分光方式，近年来受到广泛关注。滤光片阵列的出现，包括微透镜阵列、FP腔阵列和微纳光栅阵列等，代替了传统的色散型、干涉型、滤光片转轮等分光方式。利用滤光片阵列进行分光可以极大地提高系统的响应时间，缩小系统的体积、功耗，并且不需要额外的驱动设备。但使用滤光片阵列进行分光也会使得系统的空间分辨率下降，噪声干扰增大，光谱响应畸变加重，这就要求滤光片阵列分光方式必须进行大量的后期噪声去除、光谱校正、超分辨图像重构等图像处理工作。
目前的滤光片阵列主要包括线阵列排布与超像素马赛克型排布两种方式。线阵列排布光谱分辨率较高，需要驱动单元推动阵列扫过整个场景，大量探测器之间灵敏度的差异往往会产生带状噪声，需要进行校准。传统的线阵列推扫式方法也可以应用于多光谱成像，使用该技术可以逐行捕获完整的空间和光谱信息。但是，一般推扫线阵列体积重量会较大提高，因为多了很多光学元件，这个系统复杂了很多。超像素马赛克型排布可以单次拍摄获取场景的光谱立方体，但空间分辨率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，通过结合线阵列排布与超像素马赛克型排布，可以使得单次拍摄获取到工作波段更全面的光谱信息。
本发明采用以下技术方案：一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，包括纵向交叉排布的第一类型行阵列和第二类型行阵列，第一类型行阵列为超像素马赛克型光栅片行阵列，第二类型行阵列为线型光栅片行阵列；
第一类型行阵列包括M个间隔设置的超像素马赛克光栅片阵列，每个超像素马赛克光栅片阵列均由S*S个第一微纳光栅单元构成；其中，M和S均为正整数，S≥2；
第二类型行阵列包括N个间隔设置的第二微纳光栅单元，且该N个微纳光栅单元的中心波长均不相同；其中，N为正整数；
当第一微纳光栅单元与第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的光谱响应曲线不同。
进一步地，当第一微纳光栅单元与第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的带宽不同。
进一步地，N＝M*S。
进一步地，第一微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小与第二微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小相等，第一微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小与第二微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小相等。
进一步地，同一个超像素马赛克光栅片阵列中的每个第一微纳光栅单元的光谱响应曲线均不同。
进一步地，同一个超像素马赛克光栅片阵列中的每个第一微纳光栅单元的中心波长均不同。
进一步地，在超像素马赛克光栅片阵列中，任意两个相邻的第一微纳光栅单元之间的均距离相同。
进一步地，在第二类型行阵列中，任意两个相邻的第二微纳光栅单元之间的距离均相同。
进一步地，S＝4。
进一步地，N＝600，M＝150。
本发明的有益效果是：本发明通过将线型光栅片行阵列与超像素马赛克型光栅片行阵列有机结合，不仅可获得工作波段的光谱立方体，还可获得工作波段的全波段光谱信息，通过单次拍摄可以提供工作波段更全面的光谱信息，为后续图像处理工作提供更多的信息，提高后期噪声处理、光谱校正、超像素重构等图像处理效果。
附图说明
图1为本发明实施例中提出的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构；
图2为本发明实施例中超像素马赛克光栅片阵列的尺寸设计图；
图3为本发明实施例中线型光栅片行阵列的尺寸设计图；
图4为本发明实施例中超像素马赛克光栅片阵列的光谱响应曲线图；
图5为本发明实施例中线型光栅片行阵列的光谱响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
不管是带状噪声的出现还是空间分布率的下降，都会对后期图像处理工作带来巨大挑战，这也要求集合滤光片阵列的成像设备可以通过单次采集获取更多信息，以期可以获得更好的后期处理效果。同时，对于不同形式的排布方式，需要与之相应的重构方法用于图像处理。
本发明提供了一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，由亚波长光栅组成滤光片单元，线阵列排布与超像素马赛克型排布的亚波长光栅阵列组成多模式阵列排布结构。与之同时，提供一种与该排布结构相对应的高分辨率光谱图像重构方法。
本发明公开了一种近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，包括纵向交叉排布的第一类型行阵列和第二类型行阵列，第一类型行阵列为超像素马赛克型光栅片行阵列，第二类型行阵列为线型光栅片行阵列；第一类型行阵列包括M个间隔设置的超像素马赛克光栅片阵列，每个超像素马赛克光栅片阵列均由S*S个第一微纳光栅单元构成；其中，M和S均为正整数，S≥2；第二类型行阵列包括N个间隔设置的第二微纳光栅单元，且该N个微纳光栅单元的中心波长均不相同；其中，N为正整数；当第一微纳光栅单元与第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的光谱响应曲线不同。
本发明通过将线型光栅片行阵列与超像素马赛克型光栅片行阵列有机结合，不仅可获得工作波段的光谱立方体，还可获得工作波段的全波段光谱信息，通过单次拍摄可以提供工作波段更全面的光谱信息，为后续图像处理工作提供更多的信息，提高后期噪声处理、光谱校正、超像素重构等图像处理效果。而且，本发明通过使用微纳光栅，相比于普通相机，体积是不变的，重量变化也只有1g左右。
本发明实施例中的纵向指的是由上至下，即由上至下交叉排布有第一类型行阵列和第二类型行阵列。且此处的交叉排布具体为一行第一类型行阵列下面接着为一行第二类型行阵列。在一行中，相邻的超像素马赛克光栅片阵列之间具有非感光区域，即通过非感光区域将相邻的超像素马赛克光栅片阵列隔开。
在本发明实施例中的第二类型行阵列中，由于每个微纳光栅单元的中心波长不相同，所以，可以分别设置这些微纳光栅单元的中心波长，进而使得第二类型行阵列中可以覆盖指定的全范围波长。
在一个实施例中，当第一微纳光栅单元与第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的带宽不同，进而可以保证在一次采集过程中获取更多的光谱信息。作为一个更为具体的实现方式，N＝M*S。
在一个实施例中，第一微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小与第二微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小相等，第一微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小与第二微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小相等。也就是说，第一微纳光栅单元和第二微纳光栅单元的结构布局相同且尺寸大小一致，二者所不同的仅仅是光谱参数的设置。
优选的，为了进一步增加获取的光谱信息，同一个超像素马赛克光栅片阵列中的每个第一微纳光栅单元的光谱响应曲线均不同。同一个超像素马赛克光栅片阵列中的每个第一微纳光栅单元的中心波长均不同。
在一个具体的实现方式中，在超像素马赛克光栅片阵列中，任意两个相邻的第一微纳光栅单元之间的均距离相同。在第二类型行阵列中，任意两个相邻的第二微纳光栅单元之间的距离均相同。
更为具体的，S＝4，N＝600，M＝150。
在一个具体的实施例中，如图1所示，超像素马赛克光栅片阵列采用4*4亚波长光栅单元组成超像素，其中，不同结构的4*4亚波长微纳光栅单元组成超像素，超像素继而周期性的从左至右、从上至下排布。对于超像素中的每一个亚波长微纳光栅单元的光谱响应曲线中心波长均不同，光谱带宽约为30nm，选取16个特征谱段，可以在一次采集中获取16个波段的光谱立方体，各个亚波长微纳光栅单元中心波长差异较大，彼此之间串扰小。
在超像素构成上，S*S型分布有利于后期图像光谱和空间信息的恢复。在具体应用中，设计者可根据特征谱段的个数冗余选择4、9、16、25等超像素组成，即2*2、3*3、4*4、5*5等。例如，在可见/近红外光谱成像应用于食品安全检测时，特征谱段数约为12个，此时，即可选择4*4超像素马赛克型排布，用于获取足够多的光谱信息。
在每一行超像素之下，排布一行由N个不同结构亚波长微纳光栅单元组成的线型光栅片行阵列。线型光栅片行阵列采用光谱分辨率为1nm的亚波长光栅单元组成，共600个不同结构的亚波长微纳光栅单元，可以获取400～999nm波段内光谱分辨率为1nm的光谱信息。线型光栅片行阵列获取的1nm光谱分辨率光谱信息，可以为后期光谱立方体光谱超分辨、空间超分辨重构提供有效信息。线型光栅片行阵列的存在提供了更为丰富的光谱信息，用于为后期图像恢复过程中提供更为充足的光谱信息。
通过将线型光栅片行阵列与超像素马赛克光栅片阵列的有机结合，实现了多模式阵列排布结构在工作波段可以同时获取全波段光谱信息和光谱立方体的功能。
如图2所示，是本发明实施例中可见/近红外波段超像素马赛克光栅片阵列的组成和结构参数。对于VH-2MG2-C42A0型号Vieworks工业相机，CCD像元尺寸为7.4um。当多模式阵列排布结构用于光谱成像时，亚波长微纳光栅单元尺寸与所使用的相机CCD尺寸相同，即亚波长光栅单元总体尺寸为7.4um。为了减弱亚波长光栅单元之间的光谱串扰，通过FDTDsolutions仿真软件进行粒子群优化和模拟仿真，得出的最合理的亚波长光栅单元结构参数，亚波长光栅单元中光栅区域为7um，非感光区域为0.4um。
如图3所示，是可见/近红外波段线型光栅片行阵列的组成和结构参数。其中，线型光栅片行阵列中的每一个亚波长微纳光栅单元光栅区域及非感光区域尺寸与超像素马赛克光栅片阵列一致，这是为了便于多模式阵列排布的加工制备，以及后期的算法处理。对于每一行线型光栅片行阵列，由N个不同结构的亚波长微纳光栅单元横向排布组成。其中，N的选择是使用者根据实际需求和加工能力进行确定。本实施例中提到的亚波长微纳光栅单元可实现光谱分辨率1nm的光谱响应曲线，故而选择N＝600。
如图4所示，是超像素马赛克光栅片阵列中可见/近红外波段光谱分辨率约为30nm的光谱响应曲线，通过超像素马赛克光栅片阵列的使用，可以选取特征谱段，获取光谱立方体。超像素马赛克光栅片阵列中亚波长微纳光栅单元的光谱分辨率相对于线阵列排布更小，但亚波长光微纳栅单元间光谱中心波长差异更大，单元间串扰更小。
如图5所示，是线型光栅片行阵列中可见/近红外波段光谱分辨率1nm的光谱响应曲线。线型光栅片行阵列中，亚波长微纳光栅单元具有极高光谱分辨率，可以获取全波段的光谱信息。
另外，多模式阵列排布结构在分辨率、噪声、清晰度等方面的退化给光谱特征的提取产生了不利影响，可以结合使用深度学习模型，在空间维和光谱维同时补全信息。
具体的，使用双通道的结构，一个通道(空间通道)接受原始H*W的光谱马赛克图像，其中，H表示光栅阵列的纵向分辨率，W表示光栅阵列的横向分辨率。通过堆叠8个卷积残差块，提取得到H*W*C1的空间特征立方体，提取空间特征。另一个通道(光谱通道)输入(H/S)*(W/S)*(S2)，通过堆叠8个卷积残差块,进行深度特征提取得到(H/S)*(W/S)*C2的光谱特征立方体。以上，C1，C2表示不同的通道数。
随后使用PixelShuffleUp上采样技术得到待融合的H*W*C3的光谱特征立方体，C3为通道数，之后在通道维度进行空间特征立方体与光谱特征立方体的拼接，并堆叠3个残差块进行深度融合，输出重构的全定义的高光谱图像立方体。
在探测器使用光栅阵列以后，单次拍照所获得的图像同时包含了目标的空间信息和高光谱信息。使用空间-光谱双通道深度学习模型，能够分别从每个像素的光谱曲线Sn和空间邻域Pn中学习光谱特征F1(Sn)和空间特征F2(Pn)。将空间深度学习模型通道和光谱深度学习模型通道提取的空间特征和光谱特征进行级联并用于光谱立方体的恢复，能够直接重构得到高空间分辨率和高光谱分辨率的高光谱图像立方体。

Claims (9)

1.一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，包括纵向交叉排布的第一类型行阵列和第二类型行阵列，所述第一类型行阵列为超像素马赛克型光栅片行阵列，所述第二类型行阵列为线型光栅片行阵列；
所述第一类型行阵列包括M个间隔设置的超像素马赛克光栅片阵列，每个所述超像素马赛克光栅片阵列均由S*S个第一微纳光栅单元构成；其中，M和S均为正整数，S≥2；
所述第二类型行阵列包括N个间隔设置的第二微纳光栅单元，且该N个微纳光栅单元的中心波长均不相同；其中，N为正整数；
当所述第一微纳光栅单元与所述第二微纳光栅单元的中心波长相同时，二者的光谱响应曲线不同；其中，光谱响应曲线不同包括二者的带宽不同。
2.如权利要求1所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，N=M*S。
3.如权利要求2所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，所述第一微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小与所述第二微纳光栅单元中的光栅区域尺寸大小相等，所述第一微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小与所述第二微纳光栅单元中的非感光区域尺寸大小相等。
4.如权利要求3所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，同一个所述超像素马赛克光栅片阵列中的每个所述第一微纳光栅单元的光谱响应曲线均不同。
5.如权利要求3或4所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，同一个所述超像素马赛克光栅片阵列中的每个所述第一微纳光栅单元的中心波长均不同。
6.如权利要求5所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，在所述超像素马赛克光栅片阵列中，任意两个相邻的所述第一微纳光栅单元之间的均距离相同。
7.如权利要求6所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，在所述第二类型行阵列中，任意两个相邻的所述第二微纳光栅单元之间的距离均相同。
8.如权利要求7所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，S =4。
9.如权利要求8所述的一种可见/近红外波段多模式亚波长光栅阵列排布结构，其特征在于，N =600，M =150。
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