[發(fā)明專利]一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置與測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610920079.9
• 申請日: 2016-10-21
• 公開（公告）號: CN106404171B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許廷發(fā);王茜;張宇寒;徐暢;閆歌;蘇楠楠;譚翠媚
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心11120
• 代理人: 郭德忠,李愛英

1.一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置，其特征在于，包括前置透鏡(2)、波段選擇與分光模塊(3)、空間編碼模塊(4)、準(zhǔn)直透鏡(5)、面陣探測器(6)、數(shù)據(jù)存儲模塊(7)、計算重構(gòu)模塊(8)；

所述前置透鏡(2)將目標(biāo)場景(1)的光線會聚；

所述波段選擇與分光模塊(3)接收前置透鏡(2)的透射光，并使透射光中選定的一系列中心波長的光通過，完成光譜維的編碼，具體的：

所述波段選擇與分光模塊(3)包括液晶可調(diào)濾光器(31)和液晶可調(diào)濾光器控制器(32)，其中液晶可調(diào)濾光器控制器(32)通過改變加載在液晶可調(diào)濾光器(31)上的控制電壓來改變通過波段選擇與分光模塊(3)的入射光的中心波長；

所述選定的一系列中心波長的光滿足如下其中一個條件：

1)包含目標(biāo)場景(1)信息量最大；

2)使目標(biāo)場景(1)的可區(qū)分性最好；

3)彼此間相關(guān)性最弱；

4)使目標(biāo)場景(1)的光譜特征差異性最大；

所述空間編碼模塊(4)接收通過波段選擇與分光模塊(3)的出射光；在空間編碼模塊(4)通過0/1調(diào)制模板對入射光實現(xiàn)二維空間信息的調(diào)制，其中，0/1調(diào)制模板是互不相關(guān)的二維隨機矩陣，且隨著每次調(diào)制的入射光中心波長不同，二維隨機矩陣也不同；且每一個矩陣元的取值為0或1，服從高斯隨機分布；同時，當(dāng)矩陣元為0時，該矩陣元處的入射光不能透射；當(dāng)矩陣元為1時，該矩陣元處的入射光能透射；

所述準(zhǔn)直透鏡(5)將調(diào)制后的包含二維空間信息的光線進(jìn)行縮束和準(zhǔn)直，得到平行光束；

所述面陣探測器(6)接收準(zhǔn)直透鏡(5)輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將二維空間信息轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；

所述數(shù)據(jù)存儲模塊(7)將面陣探測器(6)的輸出的調(diào)制圖像進(jìn)行采集存儲；

所述計算重構(gòu)模塊(8)接收數(shù)據(jù)存儲模塊(7)存儲的調(diào)制圖像，并通過調(diào)制圖像計算得到目標(biāo)場景(1)中選定中心波長的光的圖像信息和光譜信息，完成選定中心波長的高光譜計算成像。

2.如權(quán)利要求1所述的一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置，其特征在于，所述空間編碼模塊(4)采用透射式編碼模塊，其中透射式編碼模塊包括透射式液晶空間光調(diào)制器(41)和空間光調(diào)制器控制器(42)；其中空間光調(diào)制器控制器(42)控制透射式液晶空間光調(diào)制器(41)上加載的二維隨機矩陣，對入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

3.如權(quán)利要求1所述的一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置，其特征在于，所述空間編碼模塊(4)采用反射式編碼模塊，其中反射式編碼模塊包括反射式空間光調(diào)制器(43)和空間光調(diào)制器控制器(42)；其中空間光調(diào)制器控制器(42)控制反射式空間光調(diào)制器(43)上加載的二維隨機矩陣，對入射光進(jìn)行二維空間信息的調(diào)制。

4.如權(quán)利要求3所述的一種三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置，其特征在于，反射式空間光調(diào)制器(43)為反射式硅上液晶器件LCOS或者反射式數(shù)字微鏡器件DMD。

5.一種基于權(quán)利要求1的三維編碼的液晶高光譜計算成像測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：目標(biāo)場景(1)的空間光密度為f₀(x,y,λ)，其中x,y表示目標(biāo)場景(1)在二維空間中的坐標(biāo)，λ表示目標(biāo)場景(1)光譜維的波長；目標(biāo)場景f₀(x,y,λ)通過前置透鏡(2)入射到波段選擇與分光模塊(3)，波段選擇與分光模塊(3)上加載控制電壓使得通過該模塊的入射光為特定中心波長的準(zhǔn)單色光，且該特定中心波長處的透過率函數(shù)為T₁(λ)；經(jīng)過波段選擇與分光模塊(3)后，入射光光強分布f₁(x,y,λ)為：

f₁(x,y,λ)＝T₁(λ)f₀(x,y,λ)；

步驟2：空間編碼模塊(4)上加載的0/1調(diào)制模板對通過波段選擇與分光模塊(3)的入射光的光強分布進(jìn)行調(diào)制，得到二維空間信息；其中，空間編碼模塊(4)的透過率函數(shù)為T₂(x,y)，經(jīng)過空間編碼模塊(4)后，入射光強度f₂(x,y,λ)為：

f₂(x,y,λ)＝∫∫f₁(x',y',λ)T₂(x',y')×h(x-x',y-y')dx'dy'

其中h(x-x',y-y')表示整個成像測量裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)；

步驟3：準(zhǔn)直透鏡(5)將調(diào)制后的包含二維空間信息的入射光進(jìn)行縮束、準(zhǔn)直，得到平行光束；

步驟4：面陣探測器(6)接收接收準(zhǔn)直透鏡(5)輸出的包含二維空間信息的平行光束，并將其轉(zhuǎn)換為調(diào)制圖像；其中，面陣探測器(6)上的光強分布g(x,y)為：

g(x,y)＝∫∫∫T(x',y',λ)f₀(x',y',λ)×h(x-x',y-y')dx'dy'dλ

其中，T(x,y,λ)＝T₁(λ)T₂(x,y)；

步驟5：數(shù)據(jù)存儲模塊(7)采集并存儲面陣探測器(6)的調(diào)制圖像；

步驟6：改變加載在波段選擇與分光模塊(3)上的控制電壓，將進(jìn)入空間編碼模塊(4)的入射光的中心波長調(diào)節(jié)至選定的下一個中心波長，重復(fù)步驟1到步驟5，直至完成全部選定中心波長的光的采集；

步驟7：計算重構(gòu)模塊(8)利用數(shù)據(jù)存儲模塊(7)的調(diào)制圖像，并通過調(diào)制圖像計算得到目標(biāo)場景(1)中選定中心波長的光的圖像信息和光譜信息，完成所需中心波長的高光譜計算成像。