RU2653772C1 - Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой - Google Patents

Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой Download PDF

Info

Publication number
RU2653772C1
RU2653772C1 RU2017104839A RU2017104839A RU2653772C1 RU 2653772 C1 RU2653772 C1 RU 2653772C1 RU 2017104839 A RU2017104839 A RU 2017104839A RU 2017104839 A RU2017104839 A RU 2017104839A RU 2653772 C1 RU2653772 C1 RU 2653772C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
diffraction grating
compressed
photodetector
image
Prior art date
Application number
RU2017104839A
Other languages
English (en)
Inventor
Шеншенг Хан
Цхентао Лиу
Джианронг Ву
Енронг Ли
Шию Тан
Цхе Чен
Original Assignee
Шанхайский институт оптики и точной механики китайской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шанхайский институт оптики и точной механики китайской академии наук filed Critical Шанхайский институт оптики и точной механики китайской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2653772C1 publication Critical patent/RU2653772C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0229—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using masks, aperture plates, spatial light modulators or spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0294—Multi-channel spectroscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1066—Beam splitting or combining systems for enhancing image performance, like resolution, pixel numbers, dual magnifications or dynamic range, by tiling, slicing or overlapping fields of view
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/2813—2D-array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G01J2003/2826—Multispectral imaging, e.g. filter imaging

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Данное изобретение относится к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, а именно к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной решеткой. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой, содержащая принимающую систему получения изображения, светоделительный компонент, более двух каналов и компьютер, в каждом канале находится компонент, преобразующий выходной зрачок, и компонент, сжимающий спектральное изображение. Система основана на теории сжатого зондирования. Используя корреляцию между спектрами, она увеличивает коэффициент сжатия в спектральном измерении, выполняет сбор сжатых трехмерных данных о широкополосном спектральном изображении и значительно сокращает количество получаемых данных. Система способна обрабатывать информацию, полученную в широком спектре за одну экспозицию, и позволяет достичь большого пространственного и спектрального разрешения при помощи подобранных нерегулярных дифракционных решеток в разных приемных каналах. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Данное изобретение относится к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, а именно к системам формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной решеткой.
Формирование широкополосного гиперспектрального изображения - это процесс, в котором осуществляется получение двухмерной информации о пространственном изображении и одномерной информации о спектре объекта, а трехмерные данные об изображении затем собираются в формат данных, как показано на фиг. 1. Так как все известные датчики изображения являются двухмерными, существующие системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения требуют времени для сканирования с целью получения трехмерных данных о спектральном изображении. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения захватывает широкий диапазон спектра от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного, таким образом, необходимо обработать большое количество диапазонов и огромное количество данных. Следовательно, крайне необходимо уменьшить количество приемных устройств и времени сканирования, при этом получить высокое пространственное и спектральное разрешение.
Сжатое зондирование - это новейшая теория получения сигнала и его шифрования/восстановления. В широкополосном гиперспектральном методе формирования изображения данные сжимаются на этапе получения сигнала, таким образом, уменьшается количество собираемых данных, также как и количество принимаемых данных. Основной принцип заключается в следующем: должен быть принят сигнал X, имеющий длину N, и существует ортогональный базис ψ=[ψ1, ψ2, …, ψN] такой, что X расширяется в ортогональном базисе, то есть X=ψX', и удовлетворяет условию, что X' содержит лишь небольшое количество ненулевых элементов или значение большинства элементов в X' относительно мало по сравнению со значениями остальных элементов.
Другими словами, сигнал X разреживается или сжимается в ортогональном базисе ψ. По этому условию, матрица измерения Ф, не коррелированная с ψ, используется для измерения проекции сигнала X для получения вектора Y длиной М, то есть Y=ФψХ'. Решая задачу нелинейной оптимизации, получим
Figure 00000001
Существует высокая вероятность, что X может быть восстановлен при условии M<<N, где М - это количество точек данных, которое должно быть собрано, а N - количество выделяемых точек данных. Как видно, применение данной теории приводит к значительному уменьшению количества собираемых данных. В отличие от существующих способов получения сигнала, данный способ получения данных, основанный на вышеописанной теории, состоит из двух этапов. Первый этап - провести измерение проекции сигнала с использованием измерительного базиса, не коррелированного с базисом выражения сигнала; второй шаг - восстановление сигнала с помощью алгоритма нелинейной оптимизации. Согласно вышеописанной теории сжатого зондирования, условие сжатого сбора данных для сигнала X заключается в том, что этот сигнал X разреживается в определенном базисе ψ выражения, и что матрица измерения Ф не коррелирована с матрицей ψ выражения. Сигнал от изображения большинства объектов в природе разреживается, когда расширяется в некотором ортогональном базисе (например, базисе вейвлет-преобразования), при этом возникает большая избыточность сигнала от изображения между соседними спектральными полосами, таким образом, может быть реализовано сжатие трехмерного спектрального сигнала изображения. К тому же случайная гауссовская матрица измерения не коррелирована ни с одним ортогональным базисом, тем самым она представляет собой подходящую матрицу измерения. Вышеуказанные сведения могут служить теоретической основой для применения сжатого зондирования к формированию широкополосного гиперспектрального изображения.
Основываясь на теории сжатого зондирования, группа Баранюка, Университет Райса, США, получает изображение с помощью «однопиксельной камеры, работающей по методике сжатого зондирования». Для получения двухмерного изображения объекта используется камера только с одним фоточувствительным элементом, выполняющая многократные измерения. С помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD) свет попадает в некоторые точки пространства, в то время как теряется в других, таким образом реализуется случайная пространственная модуляция амплитуды в пространственном изображении регистрируемого объекта, затем выполняется измерение проекции данных, содержащих информацию о двухмерном сигнале пространственного изображения предмета в некоррелированном случайном измерительном базисе, при этом производится регистрация результатов измерения проекции с помощью одноэлементного приемника, и наконец изображение восстанавливается с помощью нелинейного алгоритма оптимизации. Сочетая однопиксельную камеру с классической системой спектрометра, например, состоящей из дифракционной решетки или объектива и фоточувствительной линейки, можно получить спектральное изображение. Так как возможность передачи участков спектра ограничена размером фоточувствительного материала, трудно применить методику сжатого зондирования для получения изображения в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах. При этом в системе формирования изображения, основанной на амплитудной модуляции, будет потеряна половина энергии, и, как следствие, энергетическая эффективность системы будет низкой.
Группа Бреди из Университета Дьюка, США, сочетает сжатое зондирование с получением спектрального изображения с целью формирования сжатого спектрального изображения путем псевдо-однократного экспонирования с применением амплитудной маски. Сначала изображение получают в первой плоскости изображения, при этом бинарная амплитудная маска для амплитудной модуляции изображения предмета расположена в этой плоскости изображения, затем модулированное изображение передается во вторую плоскость изображения при помощи светоделительной призмы; регистрация излучения выполняется во второй плоскости изображения с помощью матричного фотоприемника. Чтобы выполнить сжатие собираемых данных, в устройстве получения спектрального изображения общее измерение проекции выполняют только по координате спектра. По координатам пространства измерение полной проекции не выполняется, поэтому по координатам пространства собираемые данные не сжимаются. Вместе с тем, система реализует более высокое пространственное разрешение посредством передвижения амплитудной маски с описанным далее дефектом, основанным на модуляции амплитуды, и поэтому также имеет низкую энергетическую эффективность.
Группа Шенгшена Хана из Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук предлагает систему получения сжатого спектрального изображения, основанную на случайном модуляторе фазы волнового фронта. Система применяет модуляцию фазы волнового фронта со случайной выборкой для проведения случайной модуляции фазы волнового фронта на световом поле и выполняет измерение проекции в некоррелированном случайном измерительном базисе по общему количеству данных, содержащих двухмерную информацию о пространственном изображении и одномерную информацию о спектре объекта. Тем не менее, в связи с разным модулирующим воздействием случайного модулятора фазы волнового фронта на различные области спектра, ограниченными размерами принимаемых спектров и ограниченным динамическим диапазоном фотоприемника, система не может осуществить получение широкополосного гиперспектрального изображения с высоким пространственным и спектральным разрешением. К тому же, система не использует корреляцию двухмерной информации об изображении с одномерной информацией о спектре, следовательно, не выполняет сжатие данных по координате спектра.
Настоящее изобретение представляет собой систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе нерегулярной дифракционной решетки для получения широкополосного спектрального изображения с высоким пространственным и спектральным разрешением в диапазоне от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного участка спектра при помощи однократного экспонирования, предназначенную для увеличения скорости регистрации излучения и чувствительности и уменьшения количества регистрирующих устройств.
Настоящее изобретение представляет собой систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования на основе нерегулярной дифракционной решетки, содержащей принимающую оптическую систему, светоделительную систему, два или более каналов и компьютер; каждый из каналов содержит систему переноса выходного зрачка, нерегулярную дифракционную решетку и фотоприемную систему; принимающая оптическая система и светоделительная система установлены друг за другом по ходу луча; светоделительная система делит широкополосный световой пучок на два или более канала, разделенные по участкам спектра, имеющие непрерывные спектры; система переноса выходного зрачка, нерегулярная дифракционная решетка и фотоприемная система установлены друг за другом в каждом канале; каждая фотоприемная система соединена с компьютером; система переноса выходного зрачка каждого канала расположена в плоскости изображения объектива по ходу луча от принимающей оптической системы; нерегулярная дифракционная решетка каждого канала расположена в плоскости изображения выходного зрачка принимающей оптической системы по ходу луча от системы переноса выходного зрачка канала; фотоприемная система каждого канала находится за нерегулярной дифракционной решеткой канала.
В настоящем изобретении принимающая оптическая система представляет собой систему телескопа, фотоаппарата или микроскопа.
В настоящем изобретении светоделительная система представляет собой дихроичный светоделитель или полосовой фильтр.
В настоящем изобретении система переноса выходного зрачка каждого канала представляет собой линзовую оптическую систему.
В настоящем изобретении фотоприемная система каждого канала включает в себя систему увеличения изображения и фотоприемник, а фотоприемник каждого канала устанавливается в плоскости изображения системы увеличения изображения, расположенной в этом канале.
В настоящем изобретении фотоприемник представляет собой ПЗС-матрицу из случайно расположенных фотоприемных элементов.
В настоящем изобретении для разных спектральных областей для каждого канала выбираются разные нерегулярные дифракционные решетки и фотоприемники с соответствующими параметрами.
В настоящем изобретении дихроичный светоделитель или полосовой фильтр разделяет широкополосное световое поле в диапазоне от ультрафиолетового до среднего и дальнего инфракрасного участков спектра на несколько пучков лучей с непрерывными спектрами в спектральном измерении. Нерегулярная дифракционная решетка осуществляет случайную модуляцию фазы волнового фронта светового поля, с одной стороны, создавая случайное распределение интенсивности излучения на поверхности фотоприемника, с другой стороны, создавая дисперсию в спектральном измерении. Каждый столбец матрицы измерения системы соответствует спекл-полю, полученному от узкополосного точечного источника с определенной центральной длиной волны, находящегося в определенном месте в плоскости предмета. Из-за случайного распределения интенсивности излучения, полученной после нерегулярных дифракционных решеток, матрица измерения будет случайной матрицей. Спекл-поля, формируемые разными узкополосными точечными источниками, находящимися в разных положениях в плоскости предмета или имеющими разные центральные длины волн, являются некоррелированными, соответственно, разные столбцы матрицы измерения будут некоррелированными. Следовательно, нормирующая система данной системы удовлетворяет условию сжатого зондирования. С точки зрения предстоящего получения данных, система осуществляет получение данных в два этапа.
Первый этап - это калибровка системы: измерение проекции в некоррелированном случайном измерительном базисе выполняется на общем количестве данных, содержащих двухмерную информацию о пространственном изображении и одномерную информацию о спектре объекта; результаты измерения проекции регистрируются на фотоприемнике, таким образом, получают калибровочную матрицу системы.
Второй этап - это восстановление данных: для восстановления трехмерной информации о спектральном изображении рассматриваемого объекта из полученных сигналов используют корреляцию между соседними спектрами и применяют алгоритмы линейной и нелинейной оптимизации.
Система настоящего изобретения обычно содержит принимающую оптическую систему, более одного светоделителя, систему переноса выходного зрачка в каждом канале, нерегулярную дифракционную решетку в каждом канале, систему увеличения изображения в каждом канале, фотоприемник в каждом канале и компьютер.
Принимающая оптическая система служит для получения изображения объекта в первой плоскости изображения в каждом канале.
Для разделения широкополосного спектра на несколько отдельных световых лучей с непрерывным спектром используются более одного светоделителя. Каждый канал имеет нерегулярную дифракционную решетку и фотоприемник, подходящие для данной области спектра, для того чтобы увеличить пространственное разрешение, спектральное разрешение и обнаружительную способность системы формирования изображения. К тому же, светоделительная система позволяет достичь высокого отношения сигнал/шум в нескольких спектрах, таким образом увеличивается качество формирования спектрального изображения.
Система переноса выходного зрачка в каждом канале используется для получения на нерегулярной дифракционной решетке изображения выходного зрачка принимающей оптической системы, поэтому все световые поля от различных направлений падения проходят через центр нерегулярной дифракционной решетки канала, выполняя расширения поля изображения.
Нерегулярная дифракционная решетка каждого канала выполняет случайную модуляцию фазы волнового фронта и дисперсию светового поля распространяющихся в канале спектров, идущих из плоскости изображения, поэтому световое поле распространяющихся в канале спектров, идущих из точки в плоскости изображения, создает спекл-поле с относительно высоким контрастом в области пространства за нерегулярной дифракционной решеткой. Так как световые поля на плоскости изображения пространственно не когерентны, распределение интенсивности излучения во всей плоскости фоточувствительного элемента будет представлять собой суперпозицию интенсивностей спекл-полей, сформированных излучением, идущим из разных точек в плоскости предмета. В соответствии с разными диапазонами спектров в качестве нерегулярных дифракционных решеток подбираются устройства с подходящими для этого участка спектра параметрами. Например, в качестве нерегулярной дифракционной решетки в видимом или ближнем инфракрасном спектрах крупнозернистое матовое стекло с малой шероховатостью. Для работы в среднем и дальнем инфракрасном спектре в качестве нерегулярной дифракционной решетки подходит мелкозернистое матовое стекло с большой шероховатостью. В то же время, в качестве нерегулярной дифракционной решетки должны выбираться подходящие материалы с высоким пропусканием в используемой области спектра.
Система увеличения изображения каждого канала создает изображение спекл-поля, выходящего из области, расположенной на заданном расстоянии от нерегулярной дифракционной решетки данного канала, на фотоприемнике этого канала и изменяет размер полученного изображения спекл-поля.
Настоящее изобретение позволяет получить следующие технические результаты.
1. Настоящее изобретение предлагает систему формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования. Настоящее изобретение производит фазовую модуляцию с помощью нерегулярной дифракционной решетки и выполняет измерение проекции по трехмерным данным о спектральном изображении (двухмерная информация о пространственном изображении и одномерная информация о спектре) объекта в некоррелированном случайном измерительном базисе для осуществления сжатого получения данных о трехмерном спектральном изображении. На этапе модуляции в системе не происходит потерь энергии излучения, и эта система будет более энергетически эффективной по сравнению с системой формирования изображения на основе сжатого зондирования с амплитудной модуляцией. По сравнению с системой формирования изображения на основе сжатого зондирования со случайной пространственной фазовой модуляцией, данная система осуществляет сжатое получение данных об изображении по координате спектра, поэтому будет уменьшено количество получаемых данных и снижены требования к количеству пикселей и времени измерения приемника. К тому же, дисперсия светового поля, возникающая на нерегулярной дифракционной решетке, увеличит спектральное разрешение системы.
2. Система переноса выходного зрачка, используемая в системе, значительно расширяет поле изображения системы. Система переноса выходного зрачка в каждом канале формирует изображение выходного зрачка принимающей оптической системы на нерегулярной дифракционной решетке, поэтому все световые поля от различных направлений падения проходят через центр нерегулярной дифракционной решетки, таким образом, расширится поле изображения, не увеличивая при этом количество фоточувствительных пикселей.
3. Система принимает информацию о широкополосном спектральном изображении за одно измерение, тем самым сильно сокращая время приема и значительно улучшая пространственное и спектральное разрешение. Светоделительная система позволяет нерегулярной дифракционной решетке и фотоприемнику оптимизировать спектральное изображение в каждом канале и увеличить обнаружительную способность, пространственное и спектральное разрешение системы, тем самым осуществляя получение широкополосного гиперспектрального изображения.
На фиг. 1 показан формат данных, принимаемых при получении спектрального изображения. Каждый кубик на фиг. 1 обозначает точку данных; координаты (x, y) обозначают пространственное положение; λ обозначает длину волны.
На фиг. 2 показана структура первого варианта реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению.
На фиг. 3 показана структура второго варианта реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению.
Для обозначения элементов структуры на чертежах применяются следующие номера позиций:
1 - принимающая оптическая система; 2 и 2' - дихроичные светоделители; 3, 3' и 3'' - система переноса выходного зрачка; 4, 4' и 4'' - нерегулярная дифракционная решетка; 5, 5' и 5'' - фотоприемники; 6 - компьютер; 7, 7' и 7'' - системы увеличения изображения; 21 - плоскость предмета; 22 - выходной зрачок принимающей оптической системы; 23, 23' и 23'' - первая плоскость изображения; 24, 24' и 24' - плоскость регистрации.
В соответствии с фиг. 2, подробно опишем получение информации о гиперспектральном изображении системой формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования, представляющей собой настоящее изобретение. Как показано на фиг. 2, система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению содержит принимающую оптическую систему 1, дихроичный светоделитель 2, систему переноса выходного зрачка 3 и 3', нерегулярные дифракционные решетки 4 и 4' и фотоприемные системы 5 и 5' в каналах а и b соответственно. Принимающая оптическая система 1 и дихроичный светоделитель 2 расположены друг за другом по ходу падающего светового луча, дихроичный светоделитель 2 разделяет широкополосный световой пучок на два отдельных спектральных канала а и b с непрерывными спектрами. Системы переноса выходного зрачка 3 или 3', нерегулярные дифракционные решетки 4 или 4', фотоприемные системы 5 или 5' расположены друг за другом в канале а или b соответственно. Фотоприемные системы 5 и 5' в каналах а и b соединены с компьютером 6. Для канала а система 3 переноса выходного зрачка расположена в плоскости 23 изображения, в которую изображается предмет 21, в канале по ходу луча от принимающей оптической системы 1; нерегулярная дифракционная решетка 4 расположена в плоскости изображения, в которую изображается выходной зрачок 22 принимающей оптической системы 1, в канале по ходу луча от системы 3 переноса выходного зрачка; фотоприемная система 5 расположена в канале следом за нерегулярной дифракционной решеткой 4 на некотором расстоянии. Для канала b система 3' переноса выходного зрачка расположена в плоскости 23' изображения, в которую изображается предмет 21, в канале по ходу луча от принимающей оптической системы 1; нерегулярная дифракционная решетка 4' расположена в плоскости изображения, в которую изображается выходной зрачок 22 принимающей оптической системы 1, в канале по ходу луча от системы 3' переноса выходного зрачка; фотоприемная система 5' расположена в канале следом за нерегулярной дифракционной решеткой 4' на некотором расстоянии.
В результате дифракции световых полей, нерегулярная дифракционная решетка 4 в канале а и нерегулярная дифракционная решетка 4' в канале b формируют несколько узкополосных точечных источников излучения от разных положений и с разными центральными длинами волн в плоскости 21 предмета на спекл-поле с относительно высоким контрастом в начальных плоскостях 24, 24' регистрации соответственно. Определенное пространственное расположение и различные длины волн соответствуют спекл-полям, коэффициент корреляции между ними уменьшается с увеличением расстояния между точечными источниками и разности между центральными длинами волн. Посредством корреляционной операции и алгоритма нелинейной оптимизации могут быть выделены разные спекл-поля. Спектральное изображение в плоскости 21 предмета может рассматриваться как суперпозиция точеных источников, находящихся в разных положениях в пространстве и имеющих разные центральные длины волн. Так как световые поля в плоскости 21 предмета не когерентны, распределение интенсивности излучения на начальной плоскости 24 или 24' регистрации будут представлять собой суперпозицию интенсивности спекл-полей, соответствующих этим различным точечным источникам. Пусть L - количество спектров широкополосного спектра, N - размер пикселя пространственного изображения предмета на одной длине волны, М - количество регистрируемых точек. Тогда полный процесс получения спектрального изображения может быть представлен в виде
Figure 00000002
где
Figure 00000003
представляющий информацию об изображении объекта в i-м спектре.
Figure 00000004
Матрица A - это матрица, содержащая М рядов и L×N столбцов, где каждый столбец представляет интенсивность излучения спекл-поля, сформированного в плоскости регистрации от узкополосного источника излучения, находящегося в определенном положении и имеющего определенную центральную длину волны в плоскости 21 предмета.
Перед формированием широкополосного гиперспектрального изображения система должна быть откалибрована, чтобы получить матрицу А. Сначала узкополосный точечный источник излучения определенной длины волны λ располагается в определенном положении (x, y) в плоскости 21 предмета, имея соответствующие значения интенсивности излучения, регистрируемые различными фотоприемными устройствами, закрепленными в плоскости регистрации в каждом канале. Значения интенсивности излучения нормализуются как столбец матрицы измерения. Распределение интенсивности излучения спекла, соответствующее определенным (x, y, λ), записывается в определенные столбцы матрицы измерения, таким образом будет получена матрица А для выполнения калибровки и измерений. В процессе измерения изображения значение интенсивности излучения, регистрируемое фотоприемными устройствами в каждом канале, будет записано в течение одной экспозиции как вектор Y. Таким образом будут получены матрицы А и Y. Используя межспектральную корреляцию световых полей и применяя алгоритм линейной или нелинейной оптимизации, выделяется информация о спектральном изображении предмета.
На фиг. 3 показан второй вариант реализации системы формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования по данному изобретению. Процессы калибровки и получения изображения в системе, показанной на фиг. 3, выполняются аналогично процессам, описанным для системы на фиг. 2. Отличие между ними состоит в том, что широкополосное световое поле разделяется в спектральном измерении на 3 отдельных световых пучка с непрерывным спектром, при этом фотоприемник 5 регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24 регистрации в канале а по ходу луча от системы 7 увеличения изображения, фотоприемник 5' регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24' регистрации в канале b по ходу луча от системы 7' увеличения изображения, и фотоприемник 5'' регистрирует изображение, полученное в начальных плоскостях 24'' регистрации в канале b по ходу луча от системы 7'' увеличения изображения.

Claims (7)

1. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой, содержащая принимающую оптическую систему, светоделительную систему, два или более каналов и компьютер, отличающаяся тем, что каждый канал содержит систему переноса выходного зрачка, нерегулярную дифракционную решетку и фотоприемную систему; принимающая оптическая система и светоделительная система установлены друг за другом вдоль хода падающего луча; светоделительная система делит широкополосный световой пучок на два или более каналов, разделенных по участкам спектра, имеющих непрерывные спектры; система переноса выходного зрачка, нерегулярная дифракционная решетка и фотоприемная система установлены последовательно в каждом канале; каждая фотоприемная система соединена с компьютером; система переноса выходного зрачка каждого канала расположена в плоскости изображения объектива по ходу канала принимающей оптической системы; нерегулярная дифракционная решетка каждого канала расположена в плоскости изображения выходного зрачка принимающей оптической системы по ходу луча от системы переноса выходного зрачка канала; фотоприемная система каждого канала находится за нерегулярной дифракционной решеткой канала.
2. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что принимающая оптическая система представляет собой систему телескопа, фотоаппарата или микроскопа.
3. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что светоделительная система представляет собой дихроичный светоделитель или полосовой фильтр.
4. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что система переноса выходного зрачка каждого канала представляет собой линзовую систему.
5. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемная система каждого канала содержит систему увеличения изображения, фотоприемник, причем фотоприемник каждого канала устанавливается в плоскости изображения системы увеличения изображения, расположенной в этом канале.
6. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что фотоприемник представляет собой ПЗС-матрицу из случайно расположенных фотоприемных элементов.
7. Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой по п. 1, отличающаяся тем, что для каждого канала выбираются разные нерегулярные дифракционные решетки и фотоприемники с соответствующими параметрами.
RU2017104839A 2014-07-22 2014-08-05 Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой RU2653772C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410348475.X 2014-07-22
CN201410348475.XA CN104121990B (zh) 2014-07-22 2014-07-22 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统
PCT/CN2014/083690 WO2016011675A1 (zh) 2014-07-22 2014-08-05 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2653772C1 true RU2653772C1 (ru) 2018-05-14

Family

ID=51767497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017104839A RU2653772C1 (ru) 2014-07-22 2014-08-05 Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10136078B2 (ru)
EP (1) EP3182080B1 (ru)
JP (1) JP6415685B2 (ru)
CN (1) CN104121990B (ru)
IL (1) IL250342B (ru)
RU (1) RU2653772C1 (ru)
WO (1) WO2016011675A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10613338B2 (en) 2015-09-17 2020-04-07 Interdigital Vc Holdings, Inc. Apparatus and a method for calibrating an optical aquisition system

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105791640B (zh) * 2015-01-08 2020-07-10 松下知识产权经营株式会社 摄像装置
EP3323506A4 (en) 2015-07-15 2019-05-08 Furukawa Electric Co. Ltd. CATALYST OF A NANOCRYSTAL COMPOUNT FOR HYDROGEN STORAGE / SUPPLY, CATALYST MIXTURE OF A NANOCRYSTAL COMPLEX FOR HYDROGEN STORAGE / SUPPLY AND METHOD OF SUPPLEMENTING HYDROGEN
CN105897344B (zh) * 2016-04-22 2018-01-26 浙江大学 一种采用光频域随机混频的单像素二维成像系统及方法
CN106595859B (zh) * 2016-11-01 2019-10-29 清华大学 鬼成像方法和应用其的鬼成像装置
CN107205103B (zh) * 2017-04-14 2020-02-14 华东师范大学 基于压缩感知和条纹相机原理的超高速压缩摄影装置
CN109211790B (zh) * 2017-07-03 2023-12-08 南开大学 一种基于傅里叶功率谱探测的单像素相位成像方法
CN111788462A (zh) * 2018-03-18 2020-10-16 尤尼斯拜特罗有限责任公司 根据宽带光谱图像生成窄带光谱图像
CN108827471B (zh) * 2018-04-24 2023-07-07 苏州大学 一种衍射元件、高分辨率光谱仪及光谱检测方法
WO2020064108A1 (en) * 2018-09-27 2020-04-02 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method of and apparatus for forming and shifting a light intensity distribution in a focal area of an objective lens
CN109520619B (zh) * 2018-11-26 2021-03-02 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法
CN113037989B (zh) * 2019-12-09 2022-11-18 华为技术有限公司 一种图像传感器、相机模组及控制方法
CN111579521B (zh) * 2020-05-06 2021-10-15 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于数据选择的太赫兹压缩成像优化方法及系统
CN112611455B (zh) * 2020-12-07 2022-01-21 上海交通大学 一种多角度、多光谱频率编码成像方法及其装置
KR20220100365A (ko) * 2021-01-08 2022-07-15 한국전자통신연구원 신경망을 이용한 초분광 이미징 시스템
JPWO2022176621A1 (ru) * 2021-02-19 2022-08-25
CN114719978A (zh) * 2021-05-17 2022-07-08 中国科学院上海光学精密机械研究所 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
CN113702357B (zh) * 2021-09-24 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于随机光栅压缩感知的激光诱导击穿光谱装置及测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007121417A2 (en) * 2006-04-17 2007-10-25 Duke University Spatially-registered wavelength coding
CN101893552A (zh) * 2010-07-06 2010-11-24 西安电子科技大学 基于压缩感知的高光谱成像仪及成像方法
CN102818631A (zh) * 2012-07-30 2012-12-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统
CN102914367A (zh) * 2012-10-25 2013-02-06 浙江大学 基于压缩感知的多光谱成像装置和方法
US20130128042A1 (en) * 2011-06-28 2013-05-23 InView Techonogogy Corporation High-speed event detection using a compressive-sensing hyperspectral-imaging architecture

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2156617C3 (de) * 1971-11-15 1980-08-21 Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar Einrichtung zur Bestimmung der Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz, beispielsweise bei einem Entfernungsmesser
DE2356757C2 (de) * 1973-11-14 1982-04-08 Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar Einrichtung zur Bestimmung der relativen Lage der Ebene maximaler Amplitude einer Ortsfrequenz
DE2731192C2 (de) * 1977-07-09 1985-05-15 Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar Spiegelreflexkamera mit Pentaprisma und elektronischem Entfernungsmesser
DE3047184A1 (de) * 1980-12-15 1982-07-22 Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar Spiegelreflexkamera mit elektronischem entfernungsmesser
US6259561B1 (en) * 1999-03-26 2001-07-10 The University Of Rochester Optical system for diffusing light
US6734966B2 (en) * 2002-04-02 2004-05-11 Northrop Grumman Corporation Space borne high resolution hyperspectral imaging instrument optimized for the study of atmospheric constituents
FI114946B (fi) * 2002-12-16 2005-01-31 Nokia Corp Diffraktiivinen hilaelementti diffraktiohyötysuhteen tasapainottamiseksi
JP2011053150A (ja) * 2009-09-03 2011-03-17 Nikon Corp 波面測定方法及び波面測定装置
EP2359745A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-24 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Method and device for multi-spectral photonic imaging
JP2012122852A (ja) * 2010-12-08 2012-06-28 Olympus Corp 画像処理装置、画像処理方法および画像処理プログラム
JP2012138652A (ja) * 2010-12-24 2012-07-19 Hamamatsu Metrix Kk チューナブルフィルタカメラ及びスキャン装置
TWI441271B (zh) * 2011-01-31 2014-06-11 Ind Tech Res Inst 量測矽通孔結構之系統、方法與電腦可讀取記錄媒體
CN103608654A (zh) * 2011-06-21 2014-02-26 奥林巴斯株式会社 分光图像拍摄装置
US8717551B2 (en) * 2011-09-30 2014-05-06 Inview Technology Corporation Adaptive search for atypical regions in incident light field and spectral classification of light in the atypical regions
WO2013066896A1 (en) * 2011-10-31 2013-05-10 Inview Technology Corporation High-speed event detection using a compressive sensing hyperspectral imaging architecture
JP2013108788A (ja) * 2011-11-18 2013-06-06 Tokyo Institute Of Technology マルチスペクトル画像情報取得装置及びマルチスペクトル画像情報取得方法
CN102706450B (zh) * 2012-06-13 2014-03-12 西安电子科技大学 基于压缩感知的双通道多光谱视频成像仪及成像方法
CN103453993B (zh) * 2013-09-13 2015-04-15 中国科学院空间科学与应用研究中心 基于稀疏孔径压缩计算关联的主动高光谱成像系统及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007121417A2 (en) * 2006-04-17 2007-10-25 Duke University Spatially-registered wavelength coding
CN101893552A (zh) * 2010-07-06 2010-11-24 西安电子科技大学 基于压缩感知的高光谱成像仪及成像方法
US20130128042A1 (en) * 2011-06-28 2013-05-23 InView Techonogogy Corporation High-speed event detection using a compressive-sensing hyperspectral-imaging architecture
CN102818631A (zh) * 2012-07-30 2012-12-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统
CN102914367A (zh) * 2012-10-25 2013-02-06 浙江大学 基于压缩感知的多光谱成像装置和方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10613338B2 (en) 2015-09-17 2020-04-07 Interdigital Vc Holdings, Inc. Apparatus and a method for calibrating an optical aquisition system

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016011675A1 (zh) 2016-01-28
IL250342A0 (en) 2017-03-30
IL250342B (en) 2020-08-31
JP6415685B2 (ja) 2018-10-31
US20170126990A1 (en) 2017-05-04
US10136078B2 (en) 2018-11-20
CN104121990B (zh) 2016-05-11
EP3182080A4 (en) 2017-12-27
CN104121990A (zh) 2014-10-29
JP2017528695A (ja) 2017-09-28
EP3182080A1 (en) 2017-06-21
EP3182080B1 (en) 2019-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2653772C1 (ru) Система формирования широкополосного гиперспектрального изображения на основе сжатого зондирования с нерегулярной дифракционной решеткой
US8351031B2 (en) Single-shot spectral imager
Cao et al. A prism-mask system for multispectral video acquisition
Liang Punching holes in light: recent progress in single-shot coded-aperture optical imaging
Zhang et al. Wavelength-multiplexing ghost imaging
US20170276545A1 (en) An imaging system parallelizing compressive sensing imaging
US11727294B2 (en) Method and system for quantum information processing and computation
CN113048907B (zh) 一种基于宏像素分割的单像素多光谱成像方法及装置
JP2020529602A (ja) 符号化開口スペクトル画像解析装置
CN108259865A (zh) 一种基于单像素探测器的彩色成像方法和系统
Yu et al. Single-photon compressive imaging with some performance benefits over raster scanning
JP2020190557A (ja) 時間分解ハイパースペクトル単一画素撮像
CN103954357A (zh) 压缩光谱成像系统测量矩阵的获取方法
Liu et al. Spectral ghost imaging camera with super-Rayleigh modulator
US11860034B2 (en) Systems, devices, and methods for hyperspectral imaging
US11530953B2 (en) Snapshot Mueller matrix polarimeter
EP3190394A2 (en) System and method for spectral imaging
Wu et al. Development of a DMD-based compressive sampling hyperspectral imaging (CS-HSI) system
US8355591B2 (en) Lossless compression process for interferograms
JP6984736B2 (ja) 撮像装置及び撮像方法
CN113108908A (zh) 一种宽波段成像传感器的相对光谱响应测量装置及方法
US20140211000A1 (en) Sensing Signals with Affine-Harmonically Related Rows of Kronecker-Product Matrices
Liu et al. The study of spectral camera based on ghost imaging via sparsity constraints with sunlight illumination
CN116148197B (zh) 一种基于时空调制的非重复光谱高速测量系统和方法
JP2022546720A (ja) 光学装置および方法