CN116297264A - 单像素光谱成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种单像素光谱成像系统及成像方法，该单像素光谱成像系统包括：一种单像素光谱成像系统，包括：干涉仪，适用于使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；样品架，样品架上放置有待测样品，干涉白光透过待测样品，得到携带有待测样品光谱信息的干涉光；空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；单点探测器，适用于对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度，得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及测量矩阵得到待测样品的图像，模板的数量小于待测样品图像的像素点的个数。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像领域，特别涉及单像素光谱成像系统及成像方法。
背景技术
光谱成像技术结合了光谱技术和成像技术，能记录每个像素点在多个谱段的强度数据。该技术能够将成像辐射的波段划分为更加狭窄的多个波段，同时进行成像，从而获得同一待测物的多个光谱波段的图像，即同时获得物体的二维空间信息和一维光谱信息，进而得到样品的材料信息和化学组成。因此，光谱成像技术不仅极大地推进了物质检测和分类技术地发展，同时在空气环境检测、水体资源控制、生物医药、生物无损检测、生物荧光检测等领域均有广泛应用。
目前的光谱成像仪普遍采用扫描成像的方式。根据扫描方式不同，光谱成像技术可分为摆扫式、推扫式和凝视式三类。摆扫式光谱成像技术利用摆扫设备，在垂直于光谱仪行进的方向进行扫描，实现二维空间信息的获取。但是，扫描的过程使得采集数据所需的时间较长，且摆扫设备对系统稳定性的要求较高。推扫式光谱成像技术没有摆扫设备，直接将视场中的一维空间图像经色散后成像在面阵探测器上，从而实现一维空间成像和一维光谱成像。推扫式光谱成像技术具有稳定性高的特点，但是其视场受探测器大小的限制。凝视式光谱成像技术有别于前两种技术，采用滤波器获得单一光谱维度的二维空间图像并通过面阵探测器采集图像，因而能量利用率较低。且分辨率受滤波器限制。此外，运用扫描方式进行光谱成像普遍需要运动部件，提高了系统的不稳定性，并且需要价格昂贵的面阵探测器进行数据采集。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了单像素光谱成像系统及成像方法。
本发明的第一个方面提供了一种单像素光谱成像系统，包括：
干涉仪，适用于使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；
样品架，上述样品架上放置有待测样品，上述干涉白光透过上述待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光；
空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；
单点探测器，适用于对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；
计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度，得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，上述模板的数量小于上述待测样品图像的像素点的个数。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：
外设部件互连总线采集卡，适用于控制上述干涉仪的启动、适用于控制上述模板的播放以及适用于发出采样模拟信号以对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至上述计算机。
根据本发明的实施例，上述干涉仪还适用于使外部输入的激光发生干涉得到干涉激光；
上述单像素光谱成像系统还包括：
激光探测器，适用于对上述干涉激光的强度进行探测；
过零比较电路，适用于根据上述干涉激光的强度，发出数字信号，上述数字信号适用于对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，上述数字信号经上述外设部件互连总线采集卡转换为上述采样模拟信号。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：
第一聚焦透镜，适用于使上述干涉仪发出的干涉白光进行聚焦；
光纤，适用于将聚焦后的干涉白光传输至上述待测样品上。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：
第二聚焦透镜，适用于对上述空间光调制器输出的每个模板对应的调制干涉光进行聚焦，得到聚焦干涉光；
准直镜，适用于对上述聚焦干涉光进行准直，并将准直后的干涉光输入至上述单点探测器。
根据本发明的实施例，上述激光为HeNe激光。
作为本发明的第二个方面，还提供了一种单像素光谱成像方法，利用上述的单像素光谱成像系统，上述方法包括：
利用干涉仪使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；
将上述干涉白光透过样品架上的待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光；
利用空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；
利用单点探测器对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；
利用计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，其中，上述模板的数量小于上述待测样品图像的像素点的个数。
根据本发明的实施例，还包括利用外设部件互连总线采集卡对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至上述计算机。
根据本发明的实施例，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱包括：
对每个模板对应的调制干涉光的强度的采样结果进行预处理，以去除上述采样结果中的直流分量，得到预处理结果；
对上述预处理结果进行切趾操作，得到切趾结果；
对上述切趾结果进行补零和傅里叶变换得到初始光谱；
对上述初始光谱进行相位校正操作得到每个模板对应的光谱。
根据本发明的实施例，根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像包括：
将上述测量矩阵和所有模板对应的光谱在目标波长下的能量值输入至图像重建算法，得到带有约束的目标函数；
利用松弛变量和增强拉格朗日乘数法对带有约束的目标函数进行转换，得到不带约束的目标函数；
根据不带约束的目标函数得到上述待测样品在上述目标波长下的图像。
根据本发明的实施例，使用单点探测器对调制干涉光进行探测，相对于传统的面阵探测器无需运动部件，简化了系统结构，提高了系统稳定性的同时使系统更易使用和维护，此外，单点探测器成本低廉，单点探测器测量接收到的光子数远大于传统的面阵探测器，这大大降低了由暗噪声造成的图像失真。
根据本发明的实施例，通过采用模板的数量小于待测样品图像的像素点的个数(即采用了压缩感知理论)，以及通过利用单点探测器对空间光调制器调制得到的干涉光进行探测、利用计算机对探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱、以及根据所有模板对应的光谱以及所述测量矩阵得到所述待测样品的图像(即单像素光谱成像技术)即将压缩感知理论和单像素光谱成像技术结合进行成像。由于采用模板的数量小于待测样品图像的像素点的个数，因此本发明实施例采用的单像素光谱成像系统需要采集的数据量小，采样时间短，成像速度快。
根据本发明的实施例，传统的单像素光谱成像方法透过样品的光为单色光，因此需要通过改变光源才能得到待测物在该光源波段下的图像，要想得到待测物在多个波段下的图像，需要频繁切换光源，在本申请实施例中，由于透过待测样品的光为干涉白光，根据该干涉白光可得到每个模板对应的光谱，由于每个模板对应的光谱均包括多个波长对应的强度，因此，利用本发明实施例提供的单像素光谱成像方法可以得到多个波长下的待测样品的图像。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的单像素光谱成像系统的方框图；
图2示出了根据本发明实施例提供的单像素光谱成像方法流程图；
图3示出了根据本发明实施例提供的得到每个模板对应的光谱的流程图；
图4示出了根据本发明实施例提供的根据所有模板对应的光谱以及测量矩阵得到上述待测样品的图像的流程图。
附图标记说明
1干涉仪
2样品架
3空间光调制器
4单点探测器
5计算机
6外设部件互连总线采集卡
7激光探测器
8过零比较电路
9白光光源
10激光光源
11第一聚焦透镜
12光纤
13第二聚焦透镜
14准直镜
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1示出了根据本发明实施例提供的单像素光谱成像系统的方框图。
如图1所示，该单像素光谱成像系统包括：干涉仪1、样品架2、空间光调制器3、单点探测器4和计算机5。
干涉仪1适用于使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光。样品架2上述样品架上放置有待测样品，上述干涉白光透过上述待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光。空间光调制器3根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光。单点探测器4适用于对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测。计算机5根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度，得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，上述模板的数量小于所述待测样品图像的像素点的个数。
根据本发明的实施例，干涉仪1例如可以为迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪产生的干涉强度与光程差相关，空间光调制器3又称做数字微镜设备，是高分辨率、高灵敏度的数字微镜阵列DMD。成像过程中将需要展示的测量矩阵提前导入到空间光调制器3中，并将待测样品放置于样品架上。测量矩阵是由计算机5生成的。
根据本发明的实施例，使用单点探测器对调制干涉光进行探测，相对于传统的面阵探测器无需运动部件，简化了系统结构，提高了系统稳定性的同时使系统更易使用和维护，此外，单点探测器成本低廉，单点探测器测量接收到的光子数远大于传统的面阵探测器，这大大降低了由暗噪声造成的图像失真。
根据本发明的实施例，上述像素光谱成像系统，还包括：外设部件互连总线采集卡(PCI采集卡)6，该外设部件互连总线采集卡6适用于控制上述干涉仪的启动、适用于控制上述模板的播放以及适用于发出采样模拟信号以对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至上述计算机。
根据本发明的实施例，上述外设部件互连总线采集卡6为高速数模转换数据采集卡。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统还包括：白光光源9和激光光源10。白光光源9适用于发出白光，激光光源10适用于发出激光。该激光例如可以为HeNe激光，该激光光源10例如可以为HeNe激光光源。该HeNe激光经干涉仪3干涉后得到HeNe干涉激光。白光光源9为白炽灯光源或卤素灯光源，HeNe激光光源可以发出波长为632.8nm的HeNe激光。
根据本发明的实施例，上述干涉仪还适用于使外部输入的激光发生干涉得到干涉激光。上述单像素光谱成像系统还包括：激光探测器7和过零比较电路8。激光探测器7适用于对上述干涉激光的强度进行探测。激光探测器7可以为HeNe激光探测器，HeNe激光探测器的波长响应范围为300nm～1100nm，可以实现HeNe干涉激光的检测。过零比较电路8适用于根据上述干涉激光的强度，发出脉冲信号，上述脉冲信号适用于对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，上述脉冲信号经上述外设部件互连总线采集卡转换为上述采样模拟信号。
上述单点探测器4为硅光电探测器或光电偏压探测器，有较高的灵敏度和信噪比，且易于扩展到其他波段。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：第一聚焦透镜11和光纤12，第一聚焦透镜11适用于使上述干涉仪1发出的干涉白光进行聚焦，光纤12适用于将聚焦后的干涉白光传输至上述待测样品上。光纤12为SMA905光纤，是一种光传导工具。
根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：第二聚焦透镜13和准直镜14。第二聚焦透镜13适用于对上述空间光调制器输出的每个模板对应的调制干涉光进行聚焦，得到聚焦干涉光。准直镜14适用于对上述聚焦干涉光进行准直，并将准直后的干涉光输入至上述单点探测器。准直镜10为反射式准直镜，可以高效地将多色准直光耦合到光纤12(多模光纤)中。
根据本发明的实施例，第一聚焦透镜11和第二聚焦透镜13为凸透镜、凹面镜或相机镜头。
根据本发明的实施例，成像过程中将需要展示的测量矩阵提前导入到空间光调制器3中。将待测样品放置于样品架2上，PCI采集卡通过输出正弦信号控制迈克尔逊干涉仪启动，同时输出方波信号给空间光调制器3控制其进行模板播放。白光光源9发出的白光和HeNe激光光源发出的HeNe激光同时传入迈克尔逊干涉仪后分别成为干涉白光和HeNe干涉激光，干涉白光经第一聚焦透镜11和光纤12后照射到待测样品并与其发生反应后(即透过待测样品同时被待测样品部分吸收)得到干涉光并射向空间光调制器3，空间光调制器3通过播放测量矩阵的模板对干涉光进行动态调制并将调制后干涉光反射给第二聚焦透镜13，并经过第二聚焦透镜13汇集，准直镜14耦合入射到单点探测器4并等待PCI采集卡6的采集。另一边HeNe干涉激光经HeNe激光探测器采集后传入到过零比较电路8中，过零比较电路8是一种波形转换电路，可以在HeNe干涉激光的强度为零时发出上升沿脉冲信号并传入到PCI采集卡中。PCI采集卡将此脉冲信号作为采样的时钟信号，即每接受到一个上升沿就会对单点探测器8所收集的调制干涉光进行一次采样，即完成等光程差采样。采样完成后，PCI采集卡将数据存储到计算机5，并进行算法处理，得到待测样品的光谱图和待测样品的图像。计算机5使用LABVIEW图形化界面控制采集卡的输入和输出，使用傅里叶变换算法得到待测物的光谱图，使用图像重建算法得到待测物图像。
图2示出了根据本发明实施例提供的单像素光谱成像方法流程图。
如图2所示，该方法包括操作S1-操作S5。
在操作S1，利用干涉仪使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光。
在操作S2，将上述干涉白光透过样品架上的待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光。
在操作S3，利用空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光。
在操作S4，利用单点探测器对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测。
在操作S5，利用计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，其中，上述模板的数量小于上述待测样品图像的像素点的个数。
根据本发明的实施例，当空间光调制器播放完全部测量矩阵后，计算机对采集到的干涉光的强度数据进行算法处理操作。采用干涉数据处理算法来重建光谱，采用图像重建算法来得出待测物图像。
根据本发明的实施例，在操作S4和操作S5之间，上述的单像素光谱成像方法，还包括利用外设部件互连总线采集卡对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行采样，并将采样结果发送至上述计算机。
根据本发明的实施例，在操作S5中包括S51-S52。
图3示出了根据本发明实施例提供的得到每个模板对应的光谱的流程图。
如图3所示，在操作S51，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱包括操作S511-操作S515。
在操作S511，对每个模板对应的调制干涉光的强度的采样结果进行预处理，以去除上述采样结果中的直流分量，得到预处理结果。具体操作如下：
预处理操作就是去除干涉数据(每个模板对应的调制干涉光的强度)中的直流分量，在抑制随机噪声的同时还可以消除测量环境中杂散光的影响。假设干涉仪的分束器的振幅透射比为t，振幅反射比为r，Δ表示干涉仪中发生干涉的两光束之间的光程差，v为白光光源发出的单色光束的波数，B0(v)表示白光光源发出的单色光束的强度，则探测得到的每个模板对应的干涉光强ID(v)的计算公式如下：
ID(∞)代表了干涉光强度中的直流成分，可利用式(3)去除该直流成分，得到预处理结果，即最终的干涉光强度I0(v)。
I0(v)＝ID(v)-C (3)
在操作S512，对上述预处理结果进行切趾操作，得到切趾结果。
因为迈克尔逊干涉仪的动镜只能在[-L,+L]有限的范围内移动，所以只能测量到某一有限的极大光程差L，这就会导致干涉图在±L处被突然截断，因而出现了尖锐的不连续现象，干涉数据中就会出现虚假的旁瓣。对预处理后的干涉光强度进行切趾操作可以抑制旁瓣，保留主瓣。
切趾操作一般由切趾函数来完成，本方法所使用的切趾函数为Norton-Beer窗函数，设窗口长度为N，其函数表达式为：
切趾结果，即切趾后的干涉光强度IN(v)由下列级数推导得出：
其中，
Q0＝sincα
Q1＝3(sincα-cosα)/α2
Q2＝-15[(1-3/a2)sincα+(3/α2)cosα]/α2
Q3＝105[(1-15/α2)cosα+3(2-5/α2)sincα]/α4
Q4＝945[(1-45/α2)sincα+5/α2(2-21/α2)cosα]/α4
α＝2πvL，v为单色光波数，L为最大光程差。
本方法选用Norton-Beer窗函数的切趾程度为Strong，所以C0～C4的值分别设置为：C0＝0.09，C1＝0，C2＝0.5875，C3＝0，C4＝0.3225。
在操作S513，对上述切趾结果进行补零和傅里叶变换得到初始光谱。为了使干涉图数据量满足快速傅里叶变换所要求的数据量，我们对切趾过后的干涉图两边对称补零。再对补零后的干涉图进行傅里叶变换，可以得到待测样品的初始光谱。
在操作S514，对上述初始光谱进行相位校正操作得到每个模板对应的光谱。
干涉数据采集引起的误差以及光学电子器件引起的误差会导致干涉图出现相位误差，对其进行相位校正后才能得到真实的光谱信息。本系统采用的相位校正法为Mertz法。相位校正算法步骤如下：
首先，傅里叶逆变换所得到的相位光谱表达式
为：
式中，Br(v)为光谱B(v)的实部，Bi(v)为光谱B(v)的虚部。
然后利用相位光谱表达式
对原始光谱进行校正，从而得到最终的校正光谱(即每个模板对应的光谱)为：
图4示出了根据本发明实施例提供的根据所有模板对应的光谱以及测量矩阵得到上述待测样品的图像的流程图。如图4所示，在操作S52，根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像包括：
操作S521，将上述测量矩阵A和所有模板对应的光谱在目标波长V下的能量值bv输入至图像重建算法，得到带有约束的目标函数；
经干涉数据处理算法后，再将全部光谱图和测量矩阵输入到图像重建算法即可得到待测样品的图像。本系统使用的图像重建算法模型为全变分正则化模型，成像过程就变成了通过式(11)所描述的规划问题来解决对待测物体图像的重建。
式中A为测量矩阵，uv为待测样品在波长v下的图像，bv为待测光谱在波长v下的能量值，Diuv为图像uv的变分。
其中全变分公式即Diuv的计算如下
操作S522，利用松弛变量和增强拉格朗日乘数法对带有约束的目标函数进行转换，得到不带约束的目标函数；
引入松弛变量w，式(11)所描述的模型变成：
由于式(14)所描述的模型具有约束性，所以本算法使用增强拉格朗日乘数法将带约束的模型转换为不带约束的目标函数。目标函数最终转换为：
式中，μ为主惩罚因子，β为次惩罚因子，
λT均为拉格朗日乘数。
操作S523，根据不带约束的目标函数得到上述待测样品在上述目标波长下的图像。
利用交替方向变换法将目标问题式(12)转化为两个子问题来求解，即松弛变量w和波长v下的待测物图像uv。
松弛变量w的子问题如下：
波长v下的待测物图像uv的子问题如下：
至此，式(9)所描述的图像重建模型被转变成由式(13)、式(14)两个子问题构成的求解模型。
操作S524，经干涉数据处理算法后，再将全部光谱图和测量矩阵输入到图像重建算法即可得到待测样品的图像。本系统使用的图像重建算法模型为全变分正则化模型，成像过程就变成了通过以下规划问题来解决对待测物体图像的重建。
通过迭代的方法，先求出w，再求uv，依次迭代拉格朗日常数直至算法收敛后输出待测样品在波长v下的图像uv。
根据本发明的实施例，利用单点探测器无需运动部件，简化了系统结构，提高了系统稳定性的同时使系统更易使用和维护。
根据本发明的实施例，单点探测器成本低廉。单点探测器测量接收到的光子数远大于面阵探测器，这大大降低了由暗噪声造成的图像失真。
根据本发明的实施例，使用白光光源和傅里叶变换光谱技术即可获取待测物的光谱信息，可以得到待测物在各个谱段的图像信息。
根据本发明的实施例，压缩感知技术的运用可以以较低的采样率来重建出待测图像，减少了采样数据量，大幅降低了成像时间。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单像素光谱成像系统，包括：
干涉仪，适用于使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；
样品架，所述样品架上放置有待测样品，所述干涉白光透过所述待测样品，得到携带有所述待测样品光谱信息的干涉光；
空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对所述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；
单点探测器，适用于对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；
计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度，得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及所述测量矩阵得到所述待测样品的图像，所述模板的数量小于所述待测样品图像的像素点的个数。
2.根据权利要求1所述的单像素光谱成像系统，还包括：
外设部件互连总线采集卡，适用于控制所述干涉仪的启动、适用于控制所述模板的播放以及适用于发出采样模拟信号以对所述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至所述计算机。
3.根据权利要求2所述的单像素光谱成像系统，其中，所述干涉仪还适用于使外部输入的激光发生干涉得到干涉激光；
所述单像素光谱成像系统还包括：
激光探测器，适用于对所述干涉激光的强度进行探测；
过零比较电路，适用于根据所述干涉激光的强度，发出脉冲信号，所述脉冲信号适用于对所述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，所述数字信号经所述外设部件互连总线采集卡转换为所述采样模拟信号。
4.根据权利要求1所述的单像素光谱成像系统，还包括：
第一聚焦透镜，适用于使所述干涉仪发出的干涉白光进行聚焦；
光纤，适用于将聚焦后的干涉白光传输至所述待测样品上。
5.根据权利要求1所述的单像素光谱成像系统，还包括：
第二聚焦透镜，适用于对所述空间光调制器输出的每个模板对应的调制干涉光进行聚焦，得到聚焦干涉光；
准直镜，适用于对所述聚焦干涉光进行准直，并将准直后的干涉光输入至所述单点探测器。
6.根据权利要求1所述的单像素光谱成像系统，其中，所述激光为HeNe激光；
所述单点探测器为硅光电探测器或光电偏压探测器。
7.一种单像素光谱成像方法，利用权利要求1-6任一项所述的单像素光谱成像系统，所述方法包括：
利用干涉仪使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；
将所述干涉白光透过样品架上的待测样品，得到携带有所述待测样品光谱信息的干涉光；
利用空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对所述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；
利用单点探测器对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；
利用计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及所述测量矩阵得到所述待测样品的图像，其中，所述模板的数量小于所述待测样品图像的像素点的个数。
8.根据权利要求7所述的单像素光谱成像方法，还包括利用外设部件互连总线采集卡对所述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行3差采样，并将采样结果发送至所述计算机。
9.根据权利要求8所述的单像素光谱成像方法，其中，
根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱包括：
对每个模板对应的调制干涉光的强度的采样结果进行预处理，以去除所述采样结果中的直流分量，得到预处理结果；
对所述预处理结果进行切趾操作，得到切趾结果；
对所述切趾结果进行补零和傅里叶变换得到初始光谱；
对所述初始光谱进行相位校正操作得到每个模板对应的光谱。
10.根据权利要求9所述的单像素光谱成像方法，其中，根据所有模板对应的光谱以及所述测量矩阵得到所述待测样品的图像包括：10将所述测量矩阵和所有模板对应的光谱在目标波长下的能量值输入至图像重建算法，得到带有约束的目标函数；
利用松弛变量和增强拉格朗日乘数法对带有约束的目标函数进行转换，得到不带约束的目标函数；
根据不带约束的目标函数得到所述待测样品在所述目标波长下的图像。
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| CN202310121674.6A CN116297264A (zh) | 2023-02-15 | 2023-02-15 | 单像素光谱成像系统及成像方法 |
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