CN208270074U - 时空联合调制光场光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种时空联合调制光场光谱成像系统。包括沿光路依次设置的物镜镜头、滤光片调制模块、空间光调制器及探测器，还包括空间光调制器控制电路、微机模块及图像处理模块；经过滤光片后的不同谱段的光线在一次像面汇聚，成像在空间光调制器面上；对成像在空间光调制器面上的图像进行空间调制，空间调制后将特定位置的光谱信息反射至探测器面，得到一次像面的空间光场信息和光谱信息；通过时空联合调制，对空间光调制器中的微反射镜依次进行多次编码，获得不同编码图像；数据处理后得到获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对应的光谱信息。解决了光场光谱成像技术存在的空间分辨率低或光谱信息缺失的问题。

Description

时空联合调制光场光谱成像系统

技术领域

本实用新型属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种时空联合调制光场光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术能够同时获得目标的空间图像信息和光谱信息，被广泛应用于军事、农业、海洋、资源等多个方面。根据成像方式的不同，可以将光谱成像技术分为扫描式光谱成像和凝视光谱成像。前者通过周期性推扫或者摆扫获得目标的空间图像信息和光谱信息，时间分辨率低。而凝视型成像光谱技术通过一次成像即可获得目标的空间图像信息，同时通过时间调制或者空间调制的方法实现光谱信息的获取。因此，凝视光谱成像技术被广泛用于目标侦察，火灾监控，安防，工业监控、医疗和食品等多个领域。

目前常见的凝视型成像光谱技术包括切片光谱成像技术、光纤阵列光谱成像技术、多光谱分光镜技术、三维层析光谱成像技术、可调谐光栅光谱成像技术、光场光谱成像技术、压缩感知光谱成像技术等，其中压缩感知光谱成像和光场光谱成像技术结构简单，容易实现。

压缩感知光谱成像技术中的哈达玛孔径编码光谱成像技术通过对空间图像先色散，再对色散后的目标图像，使用哈达玛编码模板对光谱信息进行编码，再将编码后的图像压缩成像，每一次曝光都能获得一幅光谱编码后的空间图像，通过多次曝光获得多帧不同编码的图像，进行解编码即可获得目标的光谱图像。该方法具有高的空间分辨率和信噪比，并且能够获得高空间分辨率下各个空间采样的光谱信息，但该方法需要通过多帧图像反演才能获得目标的光谱信息，时间分辨率低，容易造成动态目标信息的损失和漏检。

光场光谱成像技术是一种视频光谱成像技术，通过在光场相机入瞳位置添加滤光片进行光谱调制、在一次像面位置放置固定的编码模板或者微透镜阵列进行二次采样，即可实现对目标四维光场信息获取和记录，通过四维光场信息能够实现目标的深度信息和光谱信息的获取，解决了哈达玛孔径编码光谱成像技术动态性能差的问题，但其空间分辨率和光谱分辨率成反比，针对视频光场光谱相机空间分辨率低的问题，目前，最常用的解决方案是配套相同光学性能的全色相机。通过后期的图像处理，将低分辨光谱信息和高分辨全色信息像融合。但这种方案仅是将低空间采样的光谱信息通过直接赋值或插值等手法赋予了高空间分辨率图像，提高目标空间分辨率，但并没有增加目标细节部分的光谱信息。这种方法，很可能导致对微小目标识别和侦察过程中的误判和漏判。

实用新型内容

为了克服上述光场光谱成像技术存在的空间分辨率低或光谱信息缺失的问题，本实用新型提出一种时空联合调制光场光谱成像系统，能够通过一次空间调制即可获得目标在低空间分辨率下的光谱信息，通过时间调制可以获得目标高空间分辨率下对应的光谱信息，并且该方案光谱分辨率和空间分辨率可调。

本实用新型的技术解决方案是提供一种时空联合调制光场光谱成像系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的物镜镜头、滤光片调制模块、空间光调制器及探测器，还包括空间光调制器控制电路、微机模块及图像处理模块；

上述物镜镜头由多个透镜组合形成，用于将目标成像在一次像面；

上述滤光片调制模块嵌入物镜镜头的孔径光阑位置，用于对入射光线进行光谱调制；

上述空间光调制器位于物镜镜头焦面，用于对一次像面的空间图像进行空间调制；

上述探测器用于接收空间光调制器调制后的图像，用于对一次成像进行二次采样，记录一次像面的空间光场信息和光谱信息；

上述空间光调制器控制电路用于空间光调制器件的空间编码；

上述微机模块用于调节空间光调制器和探测器之间的距离；

上述图像处理模块用于处理探测器接收到的数据，对单帧图像进行数据立方体重构获得低分辨率空间图像和低分辨空间图像对应的光谱信息；对多帧图像进行数据立方体重构获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对应的光谱信息。

优选地，上述空间光调制器为数字微镜阵列DMD，相对应的上述空间光调制器控制电路为数字微镜阵列DMD控制电路，上述数字微镜阵列DMD控制电路用于控制数字微镜阵列DMD中各微反射镜的角度。

优选地，上述空间光调制器还可以为液晶光阀或机械模板；

当空间光调制器为液晶光阀时，上述空间光调制器控制电路为液晶光阀控制电路，上述液晶光阀控制电路用于控制液晶光阀进行光-光转换，起光路开关作用；

当空间光调制器为机械模板时，上述空间光调制器控制电路为机械模板控制电路，上述机械模板控制电路用于切换机械模板中个模板。

优选地，上述滤光片调制模块包括滤光片阵列或者线性渐变滤光片组。

本实用新型还公开一种上述的时空联合调制光场光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：

步骤一：目标通过物镜镜头入瞳；

步骤二：滤光片对目标光进行光谱调制，得到不同谱段的光线；

步骤三：不同谱段的光线在一次像面汇聚，成像在空间光调制器面上；

步骤四：根据空间分辨率要求，通过空间光调制器控制电路，调节探测器和空间光调制器之间的距离，同时对空间光调制器进行系统编码，对成像在空间光调制器面上的图像进行空间调制，空间调制后将特定位置的光谱信息反射至探测器面，得到一次像面的空间光场信息和光谱信息；

步骤五：根据空间分辨率和光谱分辨率要求，通过时空联合调制，对空间光调制器中的微反射镜依次进行多次编码，获得不同编码图像；

步骤六：对单帧图像进行数据立方体重构获得低分辨率图像和低分辨空间采样对应的光谱信息；对多帧图像进行数据立方体重构和融合获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对应的光谱信息。

优选地，该方法中的空间光调制器可以为数字微镜阵列DMD，上述空间光调制器控制电路为数字微镜阵列DMD控制电路。

优选地，该方法中的空间光调制器还可以为液晶光阀或机械模板；

当空间光调制器为液晶光阀时，上述空间光调制器控制电路为液晶光阀控制电路，所述液晶光阀控制电路用于控制液晶光阀进行光-光转换；

当空间光调制器为机械模板时，上述空间光调制器控制电路为机械模板控制电路，所述机械模板控制电路用于切换机械模板中个模板。

优选地，还包括以下步骤：

调节数字微镜阵列DMD中微反射镜反射角度，使一次像面发生偏移，偏移量小于1个像素，经过多次平移，采集对应图像，获得更高空间分辨率图像。

本实用新型的有益效果是：

1、时空联合调制，可实现两种成像模式本实用新型通过光谱信息调制和空间信息调制获得目标的低空间分辨率光场光谱图像，实现视频成像功能。在此基础上，结合空间调制和时间调制，实现高空间分辨率的光场光谱成像。

2、空间分辨率和光谱分辨率可调，通过控制探测器和数字微镜阵列之间的距离以及数字微镜阵列DMD的编码模板，可以根据实际需求改变系统单帧图像的空间采样数，调节单帧图像的空间分辨率和光谱分辨率。

3、具有视频光谱成像功能通过一次成像即可获得目标的低采样空间信息和多光谱信息，获得目标的数据立方体，具有较好的实时性和动态性。

4、具有高空间分辨率下的光谱采样能力通过调节数字微镜阵列DMD空间编码模板，对一次像面不同空间位置进行多次采样，多次成像即可获得目标的高空间分辨率图像和对应的高空间分辨率采样下的光谱数据。并且高空间分辨率图像的获取是在视频光谱图像的基础上获得的，不需要进行复杂的模式切换。

5、能够实现图像空间维超分辨通过调节数字微镜阵列DMD对光线的反射角度，使其空间位置在探测器上的采样移动1/N的像素，通过N帧不同位移后的图像进行超分辨，即可获得更高分辨率的空间维图像。

6、系统结构简单，能够实现小型化、轻量化，能够实现快速成像。

数字微镜阵列DMD自身体积小、重量轻，有利于光学系统的小型化设计。其作为光学调制元件，微反射镜在1bit控制下，刷新率达到了2万次以上，能够保证成像系统的高帧频的需要。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图；

图中附图标记为：1-物镜镜头，2-滤光片调制模块，3-数字微镜阵列DMD，4-探测器，5-距离控制微机模块。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的描述。

本实施例基于数字微镜阵列DMD实现了一种时空联合调制光场光谱方法和装置。具有空间分辨率和光谱分辨率可调，能够实现视频光谱成像，通过时空联合调制获得不同采样位置的视频光谱图像，对多帧视频光谱图像进行叠加融合获得高空间分辨率光谱成像，并且能够进行超分辨成像。

从图1可以看出，本实施例基于DMD的时空联合调制光场光谱成像系统，主要包括沿光路依次设置的物镜镜头1、滤光片调制模块2、数字微镜阵列DMD3及探测器4，还包括数字微镜阵列DMD控制电路、距离控制微机模块5及图像处理模块；其中物镜镜头1将目标成像在一次像面，物镜镜头1由多个透镜组合形成；滤光片调制模块2嵌入物镜镜头1的入瞳位置，对入射光线进行光谱调制；数字微镜阵列DMD3位于物镜镜头1焦面，即系统的一次像面处，对一次像面的空间图像进行空间调制；探测器4用于接收数字微镜阵列DMD3调制后的图像，用于对一次成像进行二次采样，记录一次像面光线的空间光场信息和光谱信息；数字微镜阵列DMD控制电路是数字微镜阵列的辅助电路，用于控制数字微镜阵列微反射镜的角度和开关；距离控制微机模块5距离控制微机模块可由精密控制电机和精密滑动导轨组成，用于调节数字微镜阵列DMD3和探测器4之间的距离，通过调节数字微镜阵列DMD3和探测器4之间的距离，调节空间分辨率和光谱分辨率；图像处理模块用于处理探测器接收到的数据，对单帧图像进行数据立方体重构获得低分辨率图像和低分辨空间采样对应的光谱信息；对多帧图像进行数据立方体重构和融合获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对应的光谱信息。

上述数字微镜阵列DMD可以用其他空间光调制器替代，相应的探测器位置根据空间光调制器的反射或投射性质确定。常见的空间光调制器还包括液晶光阀、机械模板。

本实用新型的原理是：目标光线(图1中包括目标A与目标B)经过物镜镜头进入光谱成像系统，在经过入瞳位置时由滤光片阵列对入射光线进行光谱调制，使得入瞳位置处不同子孔径处通过的光线谱段不一致。不同谱段的光线最终在一次像面汇聚，再通过数字微镜阵列DMD按照系统设计要求进行空间编码采样，并将采样点的入射光线进行反射，最后在探测器面获得各个谱段对应的光谱信息。其中数字微镜阵列通过一次编码采样即可获得一张低空间分辨率的光谱图像，通过时空调制，对不同微反射镜依次进行编码，即可将一次像面上的图像进行全部采样，将采样的多帧图像进行叠加融合即可获得高空间分辨率图像和其对应的光谱数据。

具体实施步骤如下：

步骤一：在相机入瞳位置放置滤光片阵列或者线性渐变滤光片组，在一次像面位置放置数字微镜阵列DMD，在后端放置探测器，探测器距离数字微镜阵列的距离可以通过微机结构进行控制调节。

步骤二：目标通过相机入瞳，入瞳处滤光片进行光谱调制，在数字微镜阵列面成像。

步骤三：根据空间分辨率要求，调节探测器和数字微镜阵列DMD之间的距离，同时对数字微镜阵列DMD进行系统编码，根据编码结果将特定位置的光谱信息反射至探测器面，得到目标的空间和光谱信息。

步骤四：根据空间分辨率和光谱分辨率要求，进行多次编码成像，获得不同编码图像，编码形式由系统采样决定。

步骤五：对单帧图像进行数据立方体重构获得低分辨率图像和低分辨空间采样对应的光谱信息。对多帧图像进行数据立方体重构和融合获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对用的光谱信息。

步骤六：轻微调节微反射镜反射角度，使一次成像面发生低于1像素的偏移量，通过多次平移后的采集的图像，可进行空间超分辨处理。

Claims (4)

1.一种时空联合调制光场光谱成像系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的物镜镜头、滤光片调制模块、空间光调制器及探测器，还包括空间光调制器控制电路、微机模块及图像处理模块；

所述物镜镜头由多个透镜组合形成，用于将目标成像在一次像面；

所述滤光片调制模块嵌入物镜镜头的孔径光阑位置，用于对入射光线进行光谱调制；

所述空间光调制器位于物镜镜头焦面，用于对一次像面的空间图像进行空间调制；

所述探测器用于接收空间光调制器调制后的图像，用于对一次成像进行二次采样，记录一次像面的空间光场信息和光谱信息；

所述空间光调制器控制电路用于空间光调制器件的空间编码；

所述微机模块用于调节空间光调制器和探测器之间的距离；

所述图像处理模块用于处理探测器接收到的数据，对单帧图像进行数据立方体重构获得低分辨率空间图像和低分辨空间图像对应的光谱信息；对多帧图像进行数据立方体重构获得目标的高空间分辨率图像和高空间采样对应的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的时空联合调制光场光谱成像系统，其特征在于：所述空间光调制器为数字微镜阵列DMD，所述空间光调制器控制电路为数字微镜阵列DMD控制电路，所述数字微镜阵列DMD控制电路用于控制数字微镜阵列DMD中各微反射镜的角度。

3.根据权利要求1所述的时空联合调制光场光谱成像系统，其特征在于：所述空间光调制器为液晶光阀或机械模板；

当空间光调制器为液晶光阀时，所述空间光调制器控制电路为液晶光阀控制电路，所述液晶光阀控制电路用于控制液晶光阀进行光-光转换；

当空间光调制器为机械模板时，所述空间光调制器控制电路为机械模板控制电路，所述机械模板控制电路用于切换机械模板中个模板。

4.根据权利要求1至3任一所述的时空联合调制光场光谱成像系统，其特征在于：所述滤光片调制模块包括滤光片阵列或者线性渐变滤光片组。