[發明專利]一種快速多光譜成像裝置

在審

• 申請號: 202010029071.X
• 申請日: 2020-01-12
• 公開（公告）號: CN111198037A
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 顏成鋼;呂彬彬;崔凱科;孫垚棋;張繼勇;張勇東;沈韜
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種用于多光譜成像的光路裝置及其實現方法。本發明包括成像鏡頭，閃耀光柵，掩膜，帶通濾波器，中繼透鏡，灰度相機。成像鏡頭作用與傳統相機的鏡頭相同，用來獲取場景的二維圖像信息并投射到光柵表面。光柵會將場景不同光譜波長下的反射光色散到不同角度上，帶通濾波器將閃耀光柵亮度最高的+1級中待記錄的光譜波段單獨通過，其他波段以及其它光柵級上的光線屏蔽掉。此時掩膜處于光柵與中繼透鏡中間，靠近光柵一側，光柵將成像鏡頭投射在光柵表面的光線色散開，經過光柵色散后的光會照射在掩膜表面，經過掩膜的調制之后，經過中繼透鏡記錄在相機的傳感器陣列上。本發明可以記錄連續多個光譜通道信息，并且可以用于記錄動態場景的光譜成像。

技術領域

本發明涉及光譜成像領域，是一種快速多光譜成像裝置。

背景技術

相比于傳統的成像技術，多光譜成像在會在拍攝場景二維圖像的同時，記錄其光譜信息，將二維空間與一維光譜信息記錄下來。光譜成像技術可以增加記錄信息的豐富程度，有利于后期分析與處理。光譜成像技術初期，使用的是傳統的方法獲取光譜信息，即通過窄帶濾光片來記錄對應波長處的二維空間信息與光譜信息。該方法精度高，易于實現，缺點是只能夠獲取有限多個光普通道信息，且光譜信息不連貫。同時，此方法無法同時記錄不同光譜通道上的光譜信息，因此只能實現靜態場景的光譜成像。

快速多光譜成像技術可以實現幾十個光譜通道的獲取，因此光譜數據更加豐富。因此，快速多光譜成像技術可以有效地解決早期光譜成像技術中光譜通道少，無法處理動態場景圖像獲取的問題。

發明內容

本發明提出一種快速多光譜成像裝置。

本發明提供了一種用于多光譜成像的光路裝置，該裝置包括成像鏡頭，閃耀光柵，掩膜，帶通濾波器，中繼透鏡，灰度相機。成像鏡頭作用與傳統相機的鏡頭相同，用來獲取場景的二維圖像信息并投射到光柵表面。光柵會將場景不同光譜波長下的反射光色散到不同角度上，帶通濾波器將閃耀光柵亮度最高的+1級中待記錄的光譜波段單獨通過，其他波段以及其它光柵級上的光線屏蔽掉。此時掩膜處于光柵與中繼透鏡中間，靠近光柵一側，光柵將成像鏡頭投射在光柵表面的光線色散開，經過光柵色散后的光會照射在掩膜表面，經過掩膜的調制之后，經過中繼透鏡記錄在相機的傳感器陣列上。

一種快速多光譜成像裝置的實現方法，包括如下步驟：

步驟1：成像鏡頭(1)將放置在成像鏡頭(1)正前方的觀測樣本(7)的實像映射在光柵(2)表面，光柵(2)表面的像經過中繼透鏡(5)映射到灰度相機(6)像素陣列上；此時，由于光柵(2)表面的實像經過中繼透鏡(5)重新聚焦在灰度相機(6)上，因此在相機上能夠看到觀測物體清晰地像；

步驟2：掩膜(3)放在光柵(2)后表面與中繼透鏡(5)之間，靠近光柵一側的位置；帶通濾波器(4)讓光柵后表面出射光中閃耀角對應的+1級中某一段連續光譜通道內的光線通過；

步驟3、通過灰度相機(6)拍攝得到被掩膜(3)調制之后的觀測樣本(7)的圖像，此圖像只有一張照片,即二維數據I,該二維數據為n個連續光譜通道對應帶編碼光譜響應圖像的疊加，即定義該二維數據I為掩膜編碼圖像；

步驟4：在光柵后面放置掩膜(3)，掩膜作用是通過其打印的透光與不透光組合圖案對光譜圖像進行隨機采樣，該采樣圖案記為編碼Ф，將光譜圖像進行稀疏表示的過完背字典記為D，該字典為一個大尺度矩陣；由于光柵的色散作用，不同波段的光譜信號對應折射角度不同，因此照射到的掩膜圖案之間存在一個平移關系，因此不同光譜通道下的光譜響應圖像h_i對應的掩膜編碼Φ_i各不相同，并且存在平移關系；

期望得到的三維光譜數據h可以表示為：

其中的α滿足稀疏性約束，使得α稀疏化的優化問題可以表示為：