CN114719978A - 基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
涉及一种基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，该成像方案包含且不限于以下几种成像方案，前置补偿方案、后置补偿方案或前后置联合补偿方案。其中装置包括前置成像模块、滤光片、相位调制模块、中继成像模块、面阵探测器和计算机等元件。本发明利用前置成像模块或中继成像模块的色散特性配合相位调制模块实现在宽波段上的超瑞利散斑调制，并将其应用于关联成像光谱相机中，从而提升关联成像光谱相机在低信噪比下的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及利用前置成像模块或中继模块的色散特性补偿实现在宽谱段上的超瑞利散斑调制方法，并应用于关联成像光谱相机中。
背景技术
光谱成像技术同时具备成像和光谱探测能力，在探测物体空间信息的同时获取各空间点的光谱分布，从而有效揭示目标的物理化学特性。在空间遥感、医疗生物、国防安全、以及食品安全等领域有广阔的应用前景。按照信息的获取方式不同，光谱成像技术分为光机扫描式、推扫式、凝视式和快照式。其中快照式光谱成像能够在单次曝光的条件下获取三维数据立方体，是当前光谱成像研究领域的热点。现在主流的快照式光谱成像可以分为基于振幅调制和基于相位调制的两大类方法。其中相位调制型由于其有最大的能量利用率而备受关注。
中科院上海光机所的韩申生研究组提出的基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统(专利号：ZL201410348475.X)通过随机光栅的方式将物体的空间和光谱信息编码到二维探测器上，通过单次曝光就能获得宽波段光谱图像信息。然而，该系统采用的是随机相位调制，产生的散斑满足瑞利分布，因此很难在低信噪比下获得高质量的重构图像。为了提升光谱成像的抗噪能力，他们又提出了基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法(专利号：CN109520619B)，其中对比度大于1 的超瑞利散斑场具有高对比度和强抗噪能力，具有重要的应用价值可以提高高阶关联成像的图像质量。但他们提出的非瑞利调制手段存在应用谱段过窄，当波长偏离中心波长时分辨率和对比度退化等问题，这限制了这种调制方法在光谱成像中的应用，并不能充分发挥出超瑞利散斑的抗噪性和提升重构精度的优势。
发明内容
本发明的目的在于实现高探测信噪比的宽谱段快照式光谱关联成像，克服基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法中存在的超瑞利散斑调制波段过窄，不能充分发挥超瑞利散斑抗噪性强的特点限制其在光谱成像应用中的不足，提出一种基于色散补偿的宽波段超瑞利关联成像光谱相机。
本发明典型系统构成包括：前置成像模块、带通滤波片、相位调制模块、中继成像模块、光电探测器以及计算机等元件。按不同部分的满足条件可分为前置补偿方案(前置成像模块满足特定的色散要求)和后置补偿方案(中继模块满足特定的色散要求)。
所述特定色散要求的前置成像模块或中继成像模块是用成像关系补偿实现宽波段的超瑞利散斑调制。对于前置补偿方案是将不同波长的物体成像到不同的第一成像面处。而对于后置补偿方案是将相位调制器后不同位置的散斑中继成像到面阵探测器上。
所述带通滤光片，用于滤除工作谱段外的杂散光，提高成像系统的信噪比。
所述相位调制模块，用于加载特定的相位分布图，对光场进行相位调制(包括并不限于透射式空间光调制器，反射式空间光调制器以及定制的光刻相位板等)，当相位调制器是空间光调制器时相位调制模块应还包括偏振片。
一种基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，包括前置成像模块、带通滤光片、相位调制模块、中继成像模块、面阵探测器、计算机等元件。物体的信号光依次经过前置成像模块，将不同波长的物体成像到相应波长的第一成像面处，然后光经带通滤光片后照射到相位调制模块上，若相位调制模块是反射型的空间光调制器，则光沿原路返回后经分束器反射到面阵探测器上，再经后置成像系统成像到面阵探测器上被面阵探测器收集。
对于前置补偿方案：设计前置成像模块的结构与材料使前置成像的焦距f1(λ)满足如下条件：
其中,D1为成像目标到前置成像模块的距离，D2为前置成像模块与相位调制模块的距离，即前置成像模块将波长为λ的物体图像成像到相位调制模块前z1(λ)处。其中距离z1(λ)满足
λ1和z2是以逆传播方法获得超瑞利散斑时相位调制模块需要的相位分布图时的逆传播波长和距离。距离相位调制模块z2′处的散斑经中继成像模块(焦距为f2)成像到面阵探测器处，即满足以下成像公式。
D3为相位调制模块到中继成像模块的距离，D4为中继成像模块到面阵探测器的距离，此时中继模块的焦距f2为常数。
或者所述的中继成像模块的焦距f2(λ)满足如下条件：
其中，D3为相位调制模块到中继成像模块的距离，D4为中继成像模块到面阵探测器的距离，其中距离z2′(λ)满足
其中λ1和z2是以逆传播方法获得超瑞利散斑时相位调制模块需要的相位分布图时的逆传播波长和距离。其中距离z1满足以下成像公式
D1为成像目标到前置成像模块的距离，D2为前置成像模块与相位调制模块的距离，此时前置模块的焦距f1为常数。
具体的成像方法如以下步骤所示：
步骤一：利用相位恢复得到超瑞利散斑需要的相位分布图或按光场逆传播以波长λ1和距离z2将超瑞利散斑逆传播得到对应场的相位分布图，然后加载到相位调制器上；
步骤二：标定过程，利用专利“压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法”(专利号：ZL201410161282.3)预先标定基于色散补偿的超瑞利调制关联成像光谱相机的测量矩阵A，存储在计算机上。此时面阵探测器将得到一系列应用色散补偿后的超瑞利散斑场，在工作谱段内都有一个较大的散斑对比度。
步骤三：探测过程，将待测物体放置在系统视场内，面阵探测器曝光一次，获得到相应的探测光信号Y，存储在计算机上；
步骤四：重构过程，根据标定的测量矩阵A和探测光信号Y，通过图像恢复算法或深度学习网络等重构得到目标的多光谱重构图像。
与现有技术相比本发明的技术效果如下：不同于现有技术中只为单波长散斑设计，本发明利用前置成像模块或中继成像模块的色散特性补偿实现在宽波段上的超瑞利散斑调制，并将其应用在关联成像光谱相机中，能够充分发挥超瑞利散斑的抗噪性，明显提升在工作全谱段在低信噪比下的重构图像质量。
附图说明
图1为本发明基于色散补偿的宽波段超瑞利关联成像光谱相机结构示意图(相位调制模块为光刻相位板)。
图中：1-前置成像模块2-带通滤光片3-光刻相位板4-中继成像模块 5-面阵探测器6-计算机。
图2是第二实施例相位调制模块为透射式空间光调制器的示意图
图3是第三实施例相位调制模块为反射式空间光调制器的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明基于色散补偿的宽波段超瑞利关联成像光谱相机作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：相位调制模块为光刻相位板
如图1所示，包括前置成像模块1、带通滤光片2、光刻相位板3、中继成像模块4、面阵探测器5、和计算机6。沿入射光束依次是前置成像模块1，然后光经带通滤光片2后照射到光刻相位板3上，后光经中继成像系统4成像到面阵探测5上，被探测器收集。
实施例2：相位调制模块为透射式空间光调制器
如图2所示，包括前置成像模块1、带通滤光片2、偏振片3、透射式空间光调制器4、中继成像模块5、面阵探测器6、和计算机7。沿入射光束依次是前置成像模块1，然后光经带通滤光片2和偏振片3后照射到透射式空间光调制器4上，后光经中继成像系统5成像到面阵探测6上，被探测器收集。
实施例3：相位调制模块为反射式空间光调制器
如图3所示，包括前置成像模块1、带通滤光片2、偏振片3、分束器4、反射式空间光调制器5、中继成像模块6、面阵探测器7、和计算机8。沿入射光束依次是前置成像模块1，然后光经带通滤光片2和偏振片3和分束器4后照射到反射式空间光调制器5上，光经反射式空间光调制器5调制后经原路返回，再经分束器4反射，后由中继成像系统6 成像到面阵探测7上，被探测器收集。
本发明基于色散补偿的宽波段超瑞利关联成像光谱相机的成像方法，具体步骤如下：
步骤一：相位加载，利用相位恢复得到超瑞利光场需要的相位分布或按光场逆传播方法将超瑞利散斑逆传播得到对应场的相位分布图，然后加载到相应的相位调制器上，或利用光刻加工相应的相位板。
步骤二：标定过程，利用专利“压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法”(专利号：ZL201410161282.3)预先标定基于色散补偿的超瑞利调制关联成像光谱相机的测量矩阵A，存储在计算机上。此时面阵探测器将得到一系列应用色散补偿后的超瑞利散斑场，在工作谱段内都有一个较大的散斑对比度。
步骤三：探测过程，将待测物体放置在系统视场内，面阵探测器曝光一次，获得到相应的探测光信号Y，存储在计算机上；
步骤四：重构过程，根据标定的测量矩阵A和探测光信号Y，通过图像恢复算法或深度学习网络等重构得到目标的多光谱重构图像。
综上所述，本发明是一种基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，利用前置成像模块或中继成像模块的色散特性，在宽波段上产生超瑞利散斑场，并将此方法应用于关联成像光谱相机中从而能够在低信噪比的条件下得到高质量的重构图像。
Claims (5)
1.一种基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，包括前置成像模块(1)、带通滤光片(2)、相位调制模块(3)、中继成像模块(4)、面阵探测器(5)和计算机(6)，其特征在于，所述的相位调制模块(3)用于加载生成超瑞利散斑的相位分布图，对光场进行相位调制，所述的前置成像模块(1)或中继成像模块(4)用成像关系补偿实现在宽波段上的超瑞利散斑调制。
2.根据权利要求1所述的基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，其特征在于，所述的前置成像模块(1)的焦距f1(λ)满足如下条件：
其中,D1为成像目标(a)到前置成像模块的距离，D2为前置成像模块(1)与相位调制模块(3)的距离，即前置成像模块(3)将波长为λ的物体图像成像到相位调制模块(3)前z1(λ)处，其中距离z1(λ)满足
λ1和z2是以逆传播方法获得超瑞利散斑时相位调制模块(3)需要的相位分布图时的逆传播波长和距离，距离相位调制模块(3)z2′处的散斑经中继成像模块(4)(焦距为f2)成像到面阵探测器(5)处，即满足以下成像公式：
D3为相位调制模块(3)到中继成像模块(4)的距离，D4为中继成像模块(4)到面阵探测器(5)的距离，此时中继模块(5)的焦距f2为常数。
或者所述的中继成像模块(5)的焦距f2(λ)满足如下条件：
其中，D3为相位调制模块(3)到中继成像模块(4)的距离，D4为中继成像模块(4)到面阵探测器(5)的距离，其中距离z2′(λ)满足
其中λ1和z2是以逆传播方法获得超瑞利散斑时相位调制模块(3)需要的相位分布图时的逆传播波长和距离，其中距离z1满足以下成像公式：
D1为成像目标(a)到前置成像模块(1)的距离，D2为前置成像模块(1)与相位调制模块(3)的距离，此时前置模块(1)的焦距f1为常数。
3.根据权利要求1所述的基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，其特征在于，所述带通滤光片(2)，用于滤除工作谱段外的杂散光，提高成像系统的信噪比。
4.根据权利要求1所述的基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机，其特征在于，所述相位调制模块(3)包括光刻相位板或包含偏振片和透射式空间光调制器或反射式空间光调制器的调制。
5.利用权利要求1-4任一所述的基于色散补偿的宽波段超瑞利调制关联成像光谱相机进行光谱成像的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：利用相位恢复得到超瑞利散斑需要的相位分布图或按光场逆传播以波长λ1和距离z2将超瑞利散斑逆传播得到对应场的相位分布图，然后加载到相位调制器上；
步骤二：标定过程：预先标定测量矩阵A，存储在计算机(6)上，此时面阵探测器(5)将得到一系列应用色散补偿后的超瑞利散斑场，在工作谱段内有一个较大的散斑对比度；
步骤三：探测过程：将待测物体放置在系统视场内，面阵探测器曝光一次，获得到相应的探测光信号Y，存储在计算机上；
步骤四：重构过程：根据标定的测量矩阵A和探测光信号Y，重构得到目标的多光谱重构图像。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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