[發明專利]時空聯合調制光場光譜成像系統及方法

有效

• 申請號: 201810469640.5
• 申請日: 2018-05-16
• 公開（公告）號: CN110501069B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 嚴強強;胡炳樑;王爽;吳銀花;王帥;李海巍
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/12
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明屬于光譜成像技術領域，涉及一種時空聯合調制光場光譜成像系統及方法。包括沿光路依次設置的物鏡鏡頭、濾光片調制模塊、空間光調制器及探測器，還包括空間光調制器控制電路、微機模塊及圖像處理模塊；經過濾光片后的不同譜段的光線在一次像面匯聚，成像在空間光調制器面上；對成像在空間光調制器面上的圖像進行空間調制，空間調制后將特定位置的光譜信息反射至探測器面，得到一次像面的空間光場信息和光譜信息；通過時空聯合調制，對空間光調制器中的微反射鏡依次進行多次編碼，獲得不同編碼圖像；數據處理后得到獲得目標的高空間分辨率圖像和高空間采樣對應的光譜信息。解決了光場光譜成像技術存在的空間分辨率低或光譜信息缺失的問題。

技術領域

本發明屬于光譜成像技術領域，尤其涉及一種時空聯合調制光場光譜成像系統及方法。

背景技術

光譜成像技術能夠同時獲得目標的空間圖像信息和光譜信息，被廣泛應用于軍事、農業、海洋、資源等多個方面。根據成像方式的不同，可以將光譜成像技術分為掃描式光譜成像和凝視光譜成像。前者通過周期性推掃或者擺掃獲得目標的空間圖像信息和光譜信息，時間分辨率低。而凝視型成像光譜技術通過一次成像即可獲得目標的空間圖像信息，同時通過時間調制或者空間調制的方法實現光譜信息的獲取。因此，凝視光譜成像技術被廣泛用于目標偵察，火災監控，安防，工業監控、醫療和食品等多個領域。

目前常見的凝視型成像光譜技術包括切片光譜成像技術、光纖陣列光譜成像技術、多光譜分光鏡技術、三維層析光譜成像技術、可調諧光柵光譜成像技術、光場光譜成像技術、壓縮感知光譜成像技術等，其中壓縮感知光譜成像和光場光譜成像技術結構簡單，容易實現。

壓縮感知光譜成像技術中的哈達瑪孔徑編碼光譜成像技術通過對空間圖像先色散，再對色散后的目標圖像，使用哈達瑪編碼模板對光譜信息進行編碼，再將編碼后的圖像壓縮成像，每一次曝光都能獲得一幅光譜編碼后的空間圖像，通過多次曝光獲得多幀不同編碼的圖像，進行解編碼即可獲得目標的光譜圖像。該方法具有高的空間分辨率和信噪比，并且能夠獲得高空間分辨率下各個空間采樣的光譜信息，但該方法需要通過多幀圖像反演才能獲得目標的光譜信息，時間分辨率低，容易造成動態目標信息的損失和漏檢。

光場光譜成像技術是一種視頻光譜成像技術，通過在光場相機入瞳位置添加濾光片進行光譜調制、在一次像面位置放置固定的編碼模板或者微透鏡陣列進行二次采樣，即可實現對目標四維光場信息獲取和記錄，通過四維光場信息能夠實現目標的深度信息和光譜信息的獲取，解決了哈達瑪孔徑編碼光譜成像技術動態性能差的問題，但其空間分辨率和光譜分辨率成反比，針對視頻光場光譜相機空間分辨率低的問題，目前，最常用的解決方案是配套相同光學性能的全色相機。通過后期的圖像處理，將低分辨光譜信息和高分辨全色信息像融合。但這種方案僅是將低空間采樣的光譜信息通過直接賦值或插值等手法賦予了高空間分辨率圖像，提高目標空間分辨率，但并沒有增加目標細節部分的光譜信息。這種方法，很可能導致對微小目標識別和偵察過程中的誤判和漏判。

發明內容

為了克服上述光場光譜成像技術存在的空間分辨率低或光譜信息缺失的問題，本發明提出一種時空聯合調制光場光譜成像系統及方法，能夠通過一次空間調制即可獲得目標在低空間分辨率下的光譜信息，通過時間調制可以獲得目標高空間分辨率下對應的光譜信息，并且該方案光譜分辨率和空間分辨率可調。

本發明的技術解決方案是提供一種時空聯合調制光場光譜成像系統，其特殊之處在于：包括沿光路依次設置的物鏡鏡頭、濾光片調制模塊、空間光調制器及探測器，還包括空間光調制器控制電路、微機模塊及圖像處理模塊；

上述物鏡鏡頭由多個透鏡組合形成，用于將目標成像在一次像面；

上述濾光片調制模塊嵌入物鏡鏡頭的孔徑光闌位置，用于對入射光線進行光譜調制；

上述空間光調制器位于物鏡鏡頭焦面，用于對一次像面的空間圖像進行空間調制；

上述探測器用于接收空間光調制器調制后的圖像，用于對一次成像進行二次采樣，記錄一次像面的空間光場信息和光譜信息；