WO2020119681A1 - 一种光谱成像系统及光谱成像方法 - Google Patents
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Definitions
- the invention belongs to the technical field of spectral imaging, and particularly relates to a spectral imaging system and a spectral imaging method.
- the cylindrical mirror unit is used to enlarge the first image in the first direction to obtain a second image
- the second image includes a plurality of stripe images arranged in parallel, each of the stripe images is composed of Encoded image points with uniform coordinates in the two directions are obtained by superimposing uniformly after amplification, the second direction is perpendicular to the first direction, and the intensity of the stripes is uniform throughout the image;
- Another object of the present invention is to provide a spectral imaging method, including:
- the spatial spectral information of the object to be measured is calculated according to the detector fringe image and the encoded value encoded multiple times to obtain a spectral image.
- FIG. 6 is a schematic diagram of a coding unit of a spectral imaging system provided by an embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a schematic diagram of an arithmetic unit of a spectral imaging system provided by an embodiment of the present invention.
- the system performs calculations based on multiple encodings by the encoding unit 20. Multiple encodings generate multiple sets of data, which has an optimized effect on imaging effects and improves imaging quality.
- the system can be applied to different spatial encoding and decoding methods, such as: Hada code encoding, sinusoidal gray encoding, random encoding, etc.; it can also consider the sparsity of the space, reduce the number of encodings, optimize compression and decoding, and encode flexibility Higher.
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Abstract
一种光谱成像系统（100），包括沿光传输方向依次设置的成像单元（10）、编码单元（20）、柱面镜单元（30）、分光单元（40）及探测器（50），成像单元（10）用于将物光成像于编码单元（20）；编码单元（20）用于对物光进行编码，获得第一图像（P1），第一图像（P1）包括多个编码像点（P11），编码方式可调以获得多种第一图像（P1）；柱面镜单元（30）用于将第一图像（P1）在第一方向上放大，获得第二图像（P2），第二图像（P2）包括多个条纹像（P21），条纹像（P21）由在第二方向上坐标一致的编码像点（P11）经均匀放大后叠加得到，其各处光强均匀；分光单元（40）用于对第二图像（P2）在第一方向上分光；探测器（50）用于探测第二图像（P2）分光后的光信息，获得第三图像（P3），第三图像（P3）中，每一波段至少偏移一个像素。该系统能够在简化光路结构的同时降低计算复杂程度。
Description
本发明属于光谱成像技术领域，特别涉及一种光谱成像系统及光谱成像方法。
光谱成像可得到空间信息和光谱信息，可以进行物体外在特征识别，也可用于内部特性分析，广泛用于遥感环境分析、生物医学等。光谱成像系统得到的是三维数据立方体，包括二维空间信息和一维光谱信息。可以看作是在二维空间上，得到各个空间点的光谱信息；也可以看作是得到不同波段下的空间图像。
光谱成像系统分类方法很多，可以根据不同波段、不同分光器件、不同的实现方式划分。光电探测器只能检测二维信息，当用光电探测器检测时，需采用直接扫描方式或间接变换方式得到三维数据。直接扫描方式就是通过点扫、线扫或面扫得到三维数据。如：通过狭缝实现空间信息的点扫或者线扫，通过滤光片轮实现波段的面扫方式。间接变换方式包括干涉式傅里叶光谱成像、编码变换光谱成像等。
在编码变换方式中，已有的编码光谱成像系统有两种：一种是双光栅系统，光栅进行分光后又合光，编码器件位于两光栅之间，仅对光谱进行编码，系统增加了合光光路，结构较复杂。另一种是单光栅系统，对空间编码后进行分光，需对空间和光谱的混合信息进行解码重建，计算较复杂。
本发明的目的在于提供一种光谱成像系统，旨在解决传统的编码光谱成像光路结构复杂以及数据计算复杂的技术问题。
本发明是这样实现的，一种光谱成像系统，包括沿着光传输方向依次设置的成像单元、编码单元、柱面镜单元、分光单元以及探测器，其中，
所述成像单元用于将被测物体发出的物光成像于所述编码单元；
所述编码单元用于对所述物光进行编码，获得第一图像，所述第一图像包括点阵状分布的多个编码像点，所述编码单元的编码方式可调以获得多种第一图像；
所述柱面镜单元用于将所述第一图像在第一方向上放大，获得第二图像，所述第二图像包括多个平行排布的条纹像，每一所述条纹像由在第二方向上坐标一致的编码像点经均匀放大后叠加得到，所述第二方向和第一方向垂直，所述条纹像各处光强均匀；
所述分光单元用于对所述第二图像在第一方向上分光；
所述探测器用于探测第二图像分光后的光信息，获得第三图像，所述第三图像中，每一波段至少偏移一个像素。
进一步地，所述光谱成像系统还包括运算单元，与所述探测器连接，用于根据所述第三图像和所述编码单元的编码值计算所述被测物体的空间信息和光谱信息，获得物体的光谱图像。
进一步地，所述编码单元包括阵列排布的编码模块，所述编码模块可调节以控制物光的透过率，形成所述编码像点，所述编码值对应所述透过率。
进一步地，所述柱面镜单元包括同光轴的柱面镜、凸透镜和/或凹透镜，所述柱面镜包括柱形表面，所述柱形表面在所述第一方向上成弧形，在所述第二方向上呈直线型。
进一步地，所述分光单元包括沿着光传输方向依次设置的第一镜组、分光光栅和第二镜组，所述探测器设置于所述第二镜组的输出方向，所述分光光栅为一维透射光栅或一维反射光栅，分光方向与第一方向一致。
进一步地，所述光谱成像系统还包括设置于所述柱面镜单元和分光单元之间的光阑，用于获取所述第二图像中光强均匀的部分。
进一步地，所述探测器形成的第三图像包括多条平行的探测器条纹像，所述探测器条纹像中，每一波段沿所述第一方向至少偏移一个像素；
所述运算单元包括：
第三图像处理模块，用于计算第三图像中每个探测器条纹像中的每一波段的光强信息；
编码逆运算模块，用于根据所述每个探测器条纹像的光强信息，结合编码单元的编码值，逆运算获得每一波段的空间信息，进而将各波段的空间信息组合后获得被测物体的光谱图像。
进一步地，
在第二方向的任一坐标下，所述被测物体和所述第一图像具有如下关系：I
1(x)＝I
0(x)·T(x)；
其中，I
0(x)为被测物体的空间光强，I
1(x)为第一图像的光强，x＝1,…n,n为x方向像素数，T(x)为编码单元的编码值，所述x方向为所述第一方向；
所述第二图像和所述被测物体具有如下关系：
其中，T
N(x)表示第N次编码值,
表示第N次编码对应的第二图像的光强；
所述第三图像和第二图像具有如下关系：
其中，I
2(λ
j)为一个条纹像中λ
j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；
I
3(x)为第三图像中一个探测器条纹像的像素x的光强，1≤x≤n+M-1。
本发明的另一目的在于提供一种光谱成像方法，包括：
将被测物体进行第一次成像及空间编码，获得第一图像，所述第一图像包括点阵状分布的编码像点，所述空间编码的编码方式可调，以获得多个不同的第一图像；
对所述第一图像进行第二次成像，将所述第一图像在第一方向上放大，在与所述第一方形垂直的第二方向上保持不变，获得包括多个平行排布的条纹像的第二图像；
对所述第二图像在第一方向上分光，并探测分光后的光信息，获得第三图像，所述第三图像包括多个平行的探测器条纹像，所述探测器条纹像中，每个波段至少错位一个像素；
根据所述探测器条纹像以及多次编码的编码值计算被测物体的空间光谱信息，获得光谱图像。
进一步地，通过柱面镜单元对所述第一图像在第一方向上放大，通过分光光栅对所述第二图像在第一方向上分光。
进一步地，
在第二方向的任一坐标下，所述被测物体和所述第一图像具有如下关系：
I
1(x)＝I
0(x)·T(x) ————式(1)
其中，I
0(x)为被测物体的空间光强，I
1(x)为第一图像的光强，x＝1,…n,n为x方向像素 数，T(x)为编码单元的编码值，所述x方向为所述第一方向；
所述第二图像和所述被测物体具有如下关系：
其中，T
N(x)表示第N次编码值,
表示第N次编码对应的第二图像的光强；
所述第三图像和第二图像具有如下关系：
其中，I
2(λ
j)为一个条纹像中λ
j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；
I
3(x)为第三图像中一个探测器条纹像的像素x的光强，1≤x≤n+M-1；
所述的根据所述探测器条纹像以及多次编码的编码值计算被测物体的空间光谱信息，获得光谱图像的步骤包括：
根据所述式(3)，基于所述I
3(x)计算I
2(λ
j)；
根据所述式(2)，基于所述I
2(λ
j)和T
N(x)计算一个所述条纹像对应的被测物体的光谱空间信息I
0(x,λ
j)；
对每个条纹像进行相同的计算，获得被测物体的光谱空间信息I
0(x,y,λ
j)，其中，x代表第一方向，y代表第二方向。
进一步地，所述空间编码的次数N小于或等于所述x方向像素数n。
进一步地，所述编码方式包括哈达码编码、正弦灰度编码和随机编码。
本发明实施例提供的光谱成像系统及方法具有如下效果：
第一、该光谱成像系统采用成像单元、编码单元、柱面镜单元、分光单元和探测器构建成像系统，通过编码单元对空间编码，通过柱面镜单元对编码后的图形进行一维放大， 通过分光单元对放大混合后的区域进行分光，探测器探测分光后的图像。利用柱面镜单元的一维放大作用，将一个维度上的不同空间点放大叠加到同一空间线上，得到不同空间点编码后的混合累加强度。利用分光方向与一维放大方向一致的分光单元，得到一个维度上不同波段下的混合累加强度，空间信息与编码相关，光谱信息与分光相关，通过探测器得到的信息计算光谱信息而避免与空间信息混杂，通过编码逆运算空间信息而避免与光谱信息混杂，进而将空间信息和光谱信息的处理分开，使数据计算更为简单。
第二，该系统只需一个分光单元，即只需一个分光光栅，与传统的双光栅系统相比，光路结构大幅度简化，搭建光路更为容易，成本更低，且能够降低系统结构带来的误差；
第三，该系统基于编码单元的多次编码进行计算，多次编码产生多组数据，对成像效果具有优化作用，提升成像质量。
第四，该系统可以适用于不同的空间编码解码方式，如：哈达码编码、正弦灰度编码、随机编码等；还可以考虑空间的稀疏性，减小编码次数进行压缩优化解码，编码灵活度较高。
图1是本发明实施例提供的光谱成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光谱成像系统的第一图像示意图；
图3是本发明实施例提供的光谱成像系统的第二图像示意图；
图4是本发明实施例提供的光谱成像系统的柱面镜单元的放大光路图；
图5是本发明实施例提供的光谱成像系统的第三图像示意图；
图6是本发明实施例提供的光谱成像系统的编码单元示意图；
图7是本发明实施例提供的光谱成像系统的柱面镜单元示意图；
图8是本发明实施例提供的光谱成像系统的分光光栅示意图；
图9是本发明实施例提供的光谱成像系统的运算单元示意图；
图10是本发明实施例提供的光谱成像方法的流程示意图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖 直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1至图5，本发明实施例提供一种光谱成像系统100，能够在简化系统光路的同时减少数据处理的复杂程度。该光谱成像系统100包括沿着光传输方向依次设置的成像单元10、编码单元20、柱面镜单元30、分光单元40以及探测器50，其中，光传输方向是指被测物体60发出或者反射的物光在该系统中的传输方向。成像单元10将被测物体60发出的物光成像于编码单元20；编码单元20对物光进行编码，获得第一图像P1，如图2。该第一图像P1包括点阵状分布的多个编码像点P11，编码单元20的编码方式可调以获得多种第一图像P1，其调整的次数依成像要求而定，不严格限制，考虑成像的分辨率和清晰度，一般可以为几次至像素数n次不等。上述柱面镜单元30用于将第一图像P1在第一方向上放大，获得第二图像P2，如图3。可以理解，柱面镜可视为将圆柱形透镜延平行于中心轴的截面截取其一部分得到，在平行于截面的方向，柱面镜表面不发生弯曲，对光线没有拉伸或压缩效应，在垂直于截面的方向，柱面镜表面为圆弧形，对光线有放大效应，且可视为均匀放大，进而本实施例通过柱面镜单元30能够将第一图像P1在第一方向上放大，而在与第一方向垂直的第二方向上保持不变，该第一方向即上述与截面垂直的方向，第二方向为与上述的中心轴平行的方向。进而，参考图4，第一图像P1经过柱面镜单元30后，形成的第二图像P2包括多个平行排布的条纹像P21，每一条纹像P21由在第二方向上坐标一致的编码像点P11经均匀放大后叠加得到，条纹像P21各处光强均匀。上述分光单元40用于对第二图像P2在第一方向上分光。探测器50则用于探测第二图像P2分光后的光信息，获得第三图像P3。如图5，该第三图像P3中，由于分光后成像，进而可以通过对分光单元40等器件进行设置以使得每一波段至少偏移一个像素，以用于后续运算。当然，每一波段也可以偏移多个像素。
进一步地，该光谱成像系统100还包括运算单元70，其与探测器50连接，用于根据第三图像P3和编码单元20的编码值计算被测物体60的空间信息和光谱信息，获得物体的光谱图像。具体地，运算单元70可以是专用的计算机，或者安装于常规计算机内部的程序。该运算单元70可以预存或者在测量时接收各种计算数据，对数据进行所需的处理和分析等，同时可以输出被测物体60的光谱图像。
具体地，该光谱成像系统100具体可以通过如下方式进行光谱成像：
首先，在第二方向(y方向)的任一坐标下，被测物体60和第一图像P1具有如下关系：I
1(x)＝I
0(x)·T(x) ——式(1)；
其中，I
0(x)为被测物体60的空间光强，具体可以是被测物体60在一个空间点处的光强，I
1(x)为第一图像P1的光强，具体可以是与该空间点对应的第一图像P1中的一个编码像点P11的光强；x＝1,…n,n为x方向(第一方向)像素数，具体可以是在未分光状态下，物光在探测器50像面第一方向上所占据的像素数；T(x)为编码单元20的编码值，不同的编码方式对应不同的编码值，可以有多种选择，不影响成像结果。例如，编码单元采用数字微镜器件DMD实现，可进行哈达码编码、正弦灰度编码和随机编码等等。
进一步地，第一图像P1经过柱面镜单元30后，在x方向被放大，在y方向保持不变，使得相同的y坐标对应的不同的编码像点P11在x方向均被均匀放大，并且相互叠加，形成一条条纹像P21，该条纹像P21各处光强相等，设为I
2，该第二图像P2和被测物体60具有如下关系：
其中，N表示编码次数，T
N(x)表示第N次编码值,
表示第N次编码对应的第二图像P2的光强，具体是第二图像P2中的条纹像P21对应的光强，当然，每一条纹像P21的光强均可用式(2)表示，在计算过程中，根据某一条纹像P21的
对应计算获得该条纹像P21对应的被测物体60的空间点的信息，多个条纹像P21进行相同的计算过程，即可获得整个被测物体60的信息。计算方法与编码方式和测量次数有关，当N＝n时，采用简单的逆矩阵计算就可得到准确解；当N<n时，编码需要考虑稀疏性，可采用优化算法得到最优解。
进一步地，第二图像P2经过分光后，由探测器50所探测，探测器50获得第三图像P3，该第三图像P3包括多个与第二图像P2的条纹像P21一一对应的探测器条纹像P31，该探测器条纹像P31在第一方向上基于波段发生偏移，每个波段偏移至少一个像素，第三图像P3和第二图像P2具有如下关系：
其中，I
2(λ
j)为一个条纹像P21中λ
j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；当然，每个探测器条纹像P31的光强均用上式表示。I
3(x)为第三图像P3中一个探测器条纹像P31的像素x的光强，由于分光作用，该像面像素有所扩展，此时，1≤x≤n+M-1，当每一波段偏移一个像素时，x＝1,…n+M-1；n为x方向像素数，像素数n一般大于波段数M。每次编码，均会产生一第三图像P3，第三图像P3中，每个探测器条纹像P31中各像素点的光强均可获知，通过上式(3)可以获得第二图像P2中对应条纹像P21的各波段的光强I
2(λ
j)。进行N次编码后，可以获得N组第二图像P2中对应条纹像P21的各波段的光强I
2(λ
j)，再结合公式(2)以及对应的编码值，可以逆运算获得被测物体60的空间光强I
0(x,λ
j)。对y方向每一被测区段进行相同的测量，就可以获得被测物体60完整的空间光强信息I
0(x,y,λ
j)。
基于上述成像系统的结构设计和工作原理，本发明实施例提供的光谱成像系统100具有如下效果：
第一、该光谱成像系统100采用成像单元10、编码单元20、柱面镜单元30、分光单元40和探测器50构建成像系统，通过编码单元20对空间编码，通过柱面镜单元30对编码后的图形进行一维放大，通过分光单元40对放大混合后的区域进行分光，探测器50探测分光后的图像。利用柱面镜单元30的一维放大作用，将一个维度上的不同空间点放大叠加到同一空间线上，得到不同空间点编码后的混合累加强度。利用分光方向与一维放大方向一致的分光单元40，得到一个维度上不同波段下的混合累加强度，空间信息与编码相关，光谱信息与分光相关，通过探测器50得到的信息计算光谱信息而避免与空间信息混杂，通过编码逆运算空间信息而避免与光谱信息混杂，进而将空间信息和光谱信息的处理分开，使数据计算更为简单。
第二，该系统只需一个分光单元40，即只需一个分光光栅，与传统的双光栅系统相比，光路结构大幅度简化，搭建光路更为容易，成本更低，且能够降低系统结构带来的误差；
第三，该系统基于编码单元20的多次编码进行计算，多次编码产生多组数据，对成像 效果具有优化作用，提升成像质量。
第四，该系统可以适用于不同的空间编码解码方式，如：哈达码编码、正弦灰度编码、随机编码等；还可以考虑空间的稀疏性，减小编码次数进行压缩优化解码，编码灵活度较高。
在一个实施例中，成像单元10包括一个、两个或多个透镜，具体可以是凸透镜、凹透镜、凸透镜组、凹透镜组或者凸透镜和凹透镜的组合。
在一个实施例中，参考图6，编码单元20可以采用数字微镜器件DMD。编码单元20包括阵列排布的编码模块21，编码模块21具体可以包括反光镜、透光镜等状态可调节的部件，用以控制物光的透过率，形成点阵状分布的编码像点P11，上述编码值即对应该透过率，当然，编码值和透过率不必是相同的数值，而是存在确定的运算关系。
在一个实施例中，参考图7，柱面镜单元30包括同光轴的柱面镜31，还可以进一步包括凸透镜，还可以进一步包括凹透镜，柱面镜31、凸透镜和凹透镜32三者的位置不必严格限制，根据光路合理设计即可。其中，柱面镜31的柱形表面在第一方向上成弧形，在第二方向上呈直线型，进而在第一方向上放大图形。
在一个实施例中，分光单元40包括沿着光传输方向依次设置的第一镜组41、分光光栅42和第二镜组43，探测器50设置于第二镜组43的输出方向，参考图8，分光光栅42为一维透射光栅或者一维反射光栅，一维透射光栅包括多个等间隔平行设置的狭缝421，一维反射光栅包括多个等间隔平行设置的反光带，狭缝421或反光带的长度方向与第一方向垂直。第一镜组41和第二镜组43可以采用凸透镜、凹透镜、凸透镜组、凹透镜组或者凸凹透镜组。
进一步地，同一维度的不同的编码像点P11在第一方向上的放大可能存在一定的偏移，在多个编码像点P11放大叠加后，其两端的信息不均匀，进而，在柱面镜单元30和分光单元40之间还设有光阑80，用于将两端不均匀不可用的信息过滤，获取第二图像P2中光强均匀的部分。
在一个实施例中，第三图像P3中的任一探测器条纹像P31中，每一波段沿第一方向偏移一个像素。在其他实施例中，第三图像P3中的任一探测器条纹像P31中，每一波段沿第一方向偏移两个以上像素，同样可以计算得到光谱信息。
在一个实施例中，参考图9，运算单元70包括第三图像处理模块71和编码逆运算模块72，其中，第三图像处理模块71用于计算第三图像P3中每个探测器条纹像P31的光强信息；编码逆运算模块72用于根据每个探测器条纹像P31的光强信息，结合编码单元20的编码值，逆运算获得每个探测器条纹像P31中每一波段的空间信息，进而将各波段的空 间信息组合后获得被测物体60的光谱图像。具体地，首先根据探测器条纹像P31的光强信息，结合上述公式(3)计算获得第二图像P2中对应条纹像P21的各波段的光强I
2(λ
j)；然后，根据I
2(λ
j)和公式(2)结合编码值计算每个探测器条纹像P31中每一波段的空间信息；然后，将各波段的空间信息结合，获得被测物体60的光谱图像。
在一个实施例中，编码次数N可以和像素数n相等，此时可以得到最优化的成像效果。在其他实施例中，还可以考虑空间的稀疏性，减小编码次数进行压缩优化解码，简化运算量。编码次数与所述编码方法有关，如：哈达码编码测量N＝n次，逆变换可得到准确解；随机编码N<<n次，压缩感知计算可得到最优解。
本发明实施例进一步提供一种光谱成像方法，该方法可以但不限于基于上述系统实现，参考图10，该方法包括：
步骤S101：将被测物体60进行第一次成像及空间编码，获得第一图像P1，所述第一图像P1包括点阵状分布的编码像点P11，所述空间编码的编码方式可调，以获得多个不同的第一图像P1；
步骤S102：对所述第一图像P1进行第二次成像，将所述第一图像P1在第一方向上放大，在与所述第一方形垂直的第二方向上保持不变，获得包括多个平行排布的条纹像P21的第二图像P2；
步骤S103：对所述第二图像P2在第一方向上分光，并探测分光后的光信息，获得第三图像P3，所述第三图像P3包括多个平行的探测器条纹像P31，所述探测器条纹像P31中，每个波段至少错位一个像素；
步骤S104：根据所述探测器条纹像P31以及多次编码的编码值计算被测物体60的空间光谱信息，获得光谱图像。
在一个实施例中，通过柱面镜单元30对第一图像P1在第一方向上放大，通过分光光栅42对第二图像P2在第一方向上分光。该柱面镜单元30可采用上述系统中的柱面镜单元30。该分光光栅42可以采用上述系统中的分光光栅42。进一步地，还可在分光光栅42两侧分别设置第一镜组41和第二镜组43。
在本实施例中，在第二方向的任一坐标下，被测物体60和第一图像P1具有如下关系：
I
1(x)＝I
0(x)·T(x) ——式(1)
其中，I
0(x)为被测物体60的空间光强，I
1(x)为第一图像P1的光强，x＝1,…n,n为x 方向像素数，T(x)为编码单元20的编码值，x方向为上述第一方向；
在步骤S102中，在第二图像P2处，各个x位置光强分布一致，均为各空间点的累加：
其中，C为常数，表示光强的均匀分散系数，计算时可忽略。第二图像P2和被测物体60具有如下关系：
其中，T
N(x)表示第N次编码值,
表示第N次编码对应的第二图像P2的光强。
经探测器50形成的第三图像P3和第二图像P2具有如下关系：
其中，I
2(λ
j)为一个条纹像P21中λ
j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；
I
3(x)为第三图像P3中一个探测器条纹像P31的像素x的光强，1≤x≤n+M-1，当每一波长错位一个像素时，x＝1,…n+M-1；
上述步骤S104所述的根据所述探测器条纹像P31以及多次编码的编码值计算被测物体60的空间光谱信息，获得光谱图像的步骤包括：
第一步：根据式(3)，基于I
3(x)计算I
2(λ
j)；
第二步：根据式(2)，基于I
2(λ
j)和T
N(x)计算一个条纹像P21对应的被测物体60的光谱空间信息I
0(x,λ
j)；
第三步：对每个条纹像P21进行相同的计算，获得被测物体60的光谱空间信息I
0(x,y,λ
j)，其中，x代表第一方向，y代表第二方向。
在该方法中，空间编码的次数N小于或等于所述x方向像素数n，优选地，空间编码的次数N等于x方向像素数n，以实现最优的成像效果。此时可以得到最优化的成像效果。 也可以考虑空间的稀疏性，减小编码次数进行压缩优化解码，简化运算量。
在一个实施例中，空间编码的编码方式可以选择但不限于哈达码编码、正弦灰度编码、随机编码等。
上述光谱成像方法具有如下效果：
第一、该光谱成像方法通过对空间编码，并对编码后的图形进行一维放大，再对放大混合后的区域进行分光，探测分光后的图像并进行数据运算。其将一个维度上的不同空间点放大叠加到同一空间线上，得到不同空间点编码后的混合累加强度。通过与一维放大方向一致的分光得到一个维度上不同波段下的混合累加强度，这样，空间信息与编码相关，光谱信息与分光相关，通过探测分光后的信息计算光谱信息而避免与空间信息混杂，通过编码逆运算空间信息而避免与光谱信息混杂，进而将空间信息和光谱信息的处理分开，使数据计算更为简单。
第二，该方法对应的系统只需一个分光单元40，即只需一个分光光栅42，与传统的双光栅系统相比，光路结构大幅度简化，搭建光路更为容易，成本更低，且能够降低系统结构带来的误差；
第三，该方法基于编码单元20的多次编码进行计算，多次编码产生多组数据，对成像效果具有优化作用，提升成像质量。
第四，该方法可以适用于不同的空间编码解码方式，如：哈达码编码、正弦灰度编码、随机编码等；还可以考虑空间的稀疏性，减小编码次数进行压缩优化解码，编码灵活度较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
- 一种光谱成像系统，其特征在于，包括沿着光传输方向依次设置的成像单元、编码单元、柱面镜单元、分光单元以及探测器，其中，所述成像单元用于将被测物体发出的物光成像于所述编码单元；所述编码单元用于对所述物光进行编码，获得第一图像，所述第一图像包括点阵状分布的多个编码像点，所述编码单元的编码方式可调以获得多种第一图像；所述柱面镜单元用于将所述第一图像在第一方向上放大，获得第二图像，所述第二图像包括多个平行排布的条纹像，每一所述条纹像由在第二方向上坐标一致的编码像点经均匀放大后叠加得到，所述第二方向和第一方向垂直，所述条纹像各处光强均匀；所述分光单元用于对所述第二图像在第一方向上分光；所述探测器用于探测第二图像分光后的光信息，获得第三图像，所述第三图像中，每一波段至少偏移一个像素。
- 如权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光谱成像系统还包括运算单元，与所述探测器连接，用于根据所述第三图像和所述编码单元的编码值计算所述被测物体的空间信息和光谱信息，获得物体的光谱图像。
- 如权利要求2所述的光谱成像系统，其特征在于，所述编码单元包括阵列排布的编码模块，所述编码模块可调节以控制物光的透过率，形成所述编码像点，所述编码值对应所述透过率。
- 如权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述柱面镜单元包括同光轴的柱面镜、凸透镜和/或凹透镜，所述柱面镜包括柱形表面，所述柱形表面在所述第一方向上成弧形，在所述第二方向上呈直线型。
- 如权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述分光单元包括沿着光传输方向依次设置的第一镜组、分光光栅和第二镜组，所述探测器设置于所述第二镜组的输出方向，所述分光光栅为一维透射光栅或一维反射光栅，分光方向与第一方向一致。
- 如权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光谱成像系统还包括设置于所述柱面镜单元和分光单元之间的光阑，用于获取所述第二图像中光强均匀的部分。
- 如权利要求2所述的光谱成像系统，其特征在于，所述探测器形成的第三图像包括多条平行的探测器条纹像，所述探测器条纹像中，每一波段沿所述第一方向至少偏移一个像素；所述运算单元包括：第三图像处理模块，用于计算第三图像中每个探测器条纹像的光强信息；编码逆运算模块，用于根据所述每个探测器条纹像的光强信息，结合编码单元的编码值，逆运算获得每一波段的空间信息，进而将各波段的空间信息组合后获得被测物体的光谱图像。
- 如权利要求1至7任一项所述的光谱成像系统，其特征在于，在第二方向的任一坐标下，所述被测物体和所述第一图像具有如下关系：I 1(x)＝I 0(x)·T(x)；其中，I 0(x)为被测物体的空间光强，I 1(x)为第一图像的光强，x＝1,…n,n为x方向像素数，T(x)为编码单元的编码值，所述x方向为所述第一方向；所述第二图像和所述被测物体具有如下关系：
其中，T N(x)表示第N次编码值,表示第N次编码对应的第二图像的光强；
所述第三图像和第二图像具有如下关系：
其中，I 2(λ j)为一个条纹像中λ j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；I 3(x)为第三图像中一个探测器条纹像的像素x的光强，1≤x≤n+M-1。 - 一种光谱成像方法，其特征在于，包括：将被测物体进行第一次成像及空间编码，获得第一图像，所述第一图像包括点阵状分布的编码像点，所述空间编码的编码方式可调，以获得多个不同的第一图像；对所述第一图像进行第二次成像，将所述第一图像在第一方向上放大，在与所述第一方形垂直的第二方向上保持不变，获得包括多个平行排布的条纹像的第二图像；对所述第二图像在第一方向上分光，并探测分光后的光信息，获得第三图像，所述第 三图像包括多个平行的探测器条纹像，所述探测器条纹像中，每个波段至少错位一个像素；根据所述探测器条纹像以及多次编码的编码值计算被测物体的空间光谱信息，获得光谱图像。
- 如权利要求9所述的光谱成像方法，其特征在于，通过柱面镜单元对所述第一图像在第一方向上放大，通过分光光栅对所述第二图像在第一方向上分光。
- 如权利要求9所述的光谱成像方法，其特征在于，在第二方向的任一坐标下，所述被测物体和所述第一图像具有如下关系：I 1(x)＝I 0(x)·T(x) ————式(1)其中，I 0(x)为被测物体的空间光强，I 1(x)为第一图像的光强，x＝1,…n,n为x方向像素数，T(x)为编码单元的编码值，所述x方向为所述第一方向；所述第二图像和所述被测物体具有如下关系：
其中，T N(x)表示第N次编码值,表示第N次编码对应的第二图像的光强；
所述第三图像和第二图像具有如下关系：
其中，I 2(λ j)为一个条纹像中λ j波段下的光强，j＝1,…M，M为波段数；I 3(x)为第三图像中一个探测器条纹像的像素x的光强，1≤x≤n+M-1；所述的根据所述探测器条纹像以及多次编码的编码值计算被测物体的空间光谱信息，获得光谱图像的步骤包括：根据所述式(3)，基于所述I 3(x)计算I 2(λ j)；根据所述式(2)，基于所述I 2(λ j)和T N(x)计算一个所述条纹像对应的被测物体的光 谱空间信息I 0(x,λ j)；对每个条纹像进行相同的计算，获得被测物体的光谱空间信息I 0(x,y,λ j)，其中，x代表第一方向，y代表第二方向。 - 如权利要求11所述的光谱成像方法，其特征在于，所述空间编码的次数N小于或等于所述x方向像素数n。
- 如权利要求9至12任一项所述的光谱成像方法，其特征在于，所述编码方式包括哈达码编码、正弦灰度编码和随机编码。
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