[發(fā)明專利]一種快照式光場-光譜成像儀及成像方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711349232.8
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN108088561A
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 金鵬;朱帥帥;林杰;張宇
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23209
• 代理人: 曹徐婷

本發(fā)明提出一種快照式光場?光譜成像儀及成像方法，其結(jié)構(gòu)為：沿光線方向依次設(shè)置的物鏡、視場光闌、準(zhǔn)直鏡、微透鏡陣列一、濾光片陣列、微透鏡陣列以及光電探測器及信號處理部件；其中微透鏡陣列一和濾光片陣列可得到不同波段的目標(biāo)物圖像，微透鏡陣列二對不同波長的目標(biāo)物圖像再次成像，最終光電探測器及信號處理部件可獲得目標(biāo)物的圖像、光譜和光場信息；成像方法上，在不同波長的子區(qū)域內(nèi)分別做目標(biāo)物的圖像以及深度重建，并將所有波段的平均深度作為最終目標(biāo)物的深度；本發(fā)明可以在探測器一次積分時間內(nèi)獲取目標(biāo)物的圖像、光譜以及深度四維信息；同時，通過平均所有波段的目標(biāo)物深度，可以大幅提高目標(biāo)物深度的精度，降低深度圖像的噪聲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及快照式多維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種快照式光場-光譜成像儀及成像方法。

背景技術(shù)

自然界中的光攜帶九維信息，包括空間信息(x，y，z)、傳播角度波長(λ)、偏振角度以及橢圓率(ψ，χ)，而傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)只捕捉了光的空間二維信息(x，y)。多維成像技術(shù)是一種不僅可以獲得目標(biāo)物的空間二維信息，還可以得到另外一維或多維信息的成像技術(shù)，在農(nóng)業(yè)、天文、生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了獲取目標(biāo)物的多維信息，目前大多數(shù)的系統(tǒng)采用掃描的方式。但這種方式并不適用于探測動態(tài)目標(biāo)。為了解決這個問題，學(xué)者們提出了使用二維探測器并行獲取高維信息的方法，這種技術(shù)又被稱為快照式多維成像技術(shù)。

快照式光譜成像技術(shù)是一種在探測器一次積分時間內(nèi)獲取目標(biāo)物圖像和光譜信息的成像技術(shù)，可以分為直接測量和計算成像兩類。直接測量類快照式光譜成像技術(shù)的策略是將來自目標(biāo)物的光按波長或空間位置分到探測器不同的位置，以實(shí)現(xiàn)對空間和光譜信息的并行獲取。2010年，Liang Gao等人提出了一種圖像映射光譜儀(Image mappingspectrometry)，該技術(shù)使用一塊空間映射單元將圖像分成條狀映射到探測器不同的位置，然后經(jīng)過色散棱鏡將不同波長的光投射到條狀圖像之間，最后經(jīng)過圖像映射算法得到目標(biāo)物的光譜立方體。圖像復(fù)制成像光譜儀(Image-replicatingimaging spectrometry)是由Alistair Gorman等人在2010年提出。該技術(shù)使用串聯(lián)的雙折射干涉儀將圖像按波長分成多份投影到探測器上。另外，基于光場的成像光譜儀(Imaging spectrometry using alight field architecture)、基于濾波器組的成像光譜儀(Imaging spectrometryusings filterstack)等也屬于直接測量類快照式光譜成像技術(shù)。計算成像類快照式光譜成像技術(shù)一般先獲取目標(biāo)光線的干涉信息，然后再經(jīng)過計算得到光譜信息。在上世紀(jì)九十年代由日本學(xué)者Akiko Hirai首次提出一種基于邁克爾遜干涉儀的快照式成像光譜系統(tǒng)，但該系統(tǒng)體積比較龐大，抗干擾能力差。此后，美國亞利桑那大學(xué)的Michael W.Kudenov等人提出了一種基于微透鏡陣列和諾馬斯基棱鏡的小型化的快照式成像光譜儀，其中微透鏡陣列用于將目標(biāo)圖像分成一系列的子圖，諾馬斯基棱鏡可以產(chǎn)生隨空間位置變化的光程差。將配準(zhǔn)并排列好的子圖進(jìn)行傅里葉變換即可得到目標(biāo)光譜立方體。另外，計算全息式成像光譜儀(Computed tomography imaging spectrometry)以及基于薩格奈克干涉儀的多光譜成像儀等均屬于計算類光譜成像技術(shù)。