棱镜-阶梯镜面调制的光谱视频成像系统

本发明涉及一种全光通量的棱镜-阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，属于光谱成像领域。

背景技术：

1、受人眼对三原色感知的启发，传统相机利用贝尔排列的滤色镜来记录视觉信息，但是现实世界中光照光谱和反射率光谱具有多样性和复杂性，采用简单的三色表示方法无法捕捉自然场景光谱的复杂细节。超越人眼极限的光谱成像成为新的热点研究方向，为解决复杂的计算机视觉问题提供了新的机会。

2、传统光谱成像技术主要包括时序光谱滤波、空间点线扫描等技术，无法同时获得动态对象的具有二维空间分辨率的光谱数据，限制了其在很多基础研究领域的进一步应用。近年来光谱采集已经从对静态的扫描发展到对动态场景的瞬间成像，向着高速采集的方向发展，有望广泛地应用于工业监测、军事安全、燃烧科学等领域。

3、随着视频帧率的提高，信号的欠采样和更短时间的单帧曝光(光信号积分时间减少)导致光通量严重降低，影响了光谱图像的重建精度和光路信噪比。现有的主流光谱视频成像技术：编码光圈快照光谱成像(cassi)、断层扫描成像光谱仪(ctis)、棱镜掩模光谱视频成像系统(pmvis)在时-空-谱三个维度之间相互掣肘的前提下进行权衡，但由空谱信号调制及较低光通量造成的成像质量低，算法时空复杂度高等问题，使现有的光谱视频成像技术，无法灵活应用于各种场景，对于成像要求较高的特定场景，现有系统和方法难以胜任。因此亟需一种能够提供高光通量、低重建复杂度的成像系统以实现光谱视频的快速、灵活、高质量获取。

技术实现思路

1、针对以上现有技术的缺陷，本发明提供一种棱镜-阶梯镜面调制的光谱视频成像系统。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、棱镜-阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，包括场景捕获模块、光学准直模块、三维空-谱调制模块、解耦采集模块、耦合采集模块和融合重建模块；所述场景捕获模块捕获到的场景信息经过光学准直模块之后，输入三维空-谱调制模块；所述三维空-谱调制模块进行图像切片离散、色散、光谱波段选择、光矢调制后，形成对场景三维光谱数据解耦并二维展开后的光谱图像，然后对经过二维展开的数据立方体进行采样并输入解耦采集模块，未采样的数据则由耦合采集模块进行耦合采集；将所述解耦采集模块和耦合采集模块采集到的两路不同尺度的光谱信息通过融合重建模块重建出完整的空谱数据立方体。

4、进一步地，所述三维空-谱调制模块包括图像切片装置x1、色散棱镜l1、条形周期掩模m、光矢调制棱镜l2和阶梯镜面阵列x2；所述光学准直模块使光矢方向垂直于主光轴入射至图像切片装置x1，再依次经过色散棱镜l1、条形周期掩模m、光矢调制棱镜l2和阶梯镜面阵列x2。

5、进一步地，所述图像切片装置x1由在主光轴方向上紧密排列、在垂直主光轴方向上离散排列的与主光轴方向之间夹角为45°的一组条形反射镜面构成；所述图像切片装置x1将准直后的场景信息，沿主光轴方向均匀切片，并沿垂直主光轴的方向均匀离散。

6、进一步地，所述条形周期掩模m的狭缝在掩模平面上等距排布，狭缝宽度和狭缝间距之比设置为1:1，用于实现对色散后的场景信息光谱波段的截取。

7、进一步地，所述条形周期掩模m的周期和图像切片装置x1的条形反射镜面的分布周期保持一致，即狭缝宽度+狭缝间距＝图像切片装置x1中条形反射镜面在垂直主光轴方向上的投影宽度d+图像切片装置x1中条形相邻反射镜面在垂直主光轴方向上的距离k*d，其中k为相邻条形反射镜面之间的距离与条形反射镜面宽度之比。

8、进一步地，所述色散棱镜l1和光矢调制棱镜l2为色散面相互平行、直角面垂直主光轴放置的两块材质和尺寸规格完全相同的直角三棱镜，所述条形周期掩模m在色散棱镜l1和光矢调制棱镜l2间的相对位置可调。

9、进一步地，所述阶梯镜面阵列x2由在主光轴方向和垂直主光轴方向上均离散排布的矩形微反射镜面均匀排布而成，用于对平行主光轴入射的经过二维展开的场景光谱信息均匀采样，其中一部分光谱信息由反射镜反射进入解耦采集模块，未被反射镜面反射采样的光谱信息进入耦合采集模块。

10、进一步地，所述矩形微反射镜面与在主光轴方向和垂直主光轴方向的二维空-谱像面均呈45°夹角。

11、进一步地，所述微反射镜面的尺寸s与图像切片装置x1中条形反射镜面在垂直主光轴方向上的投影宽度d相等，而且阶梯镜面阵列x2在横向或纵向上相邻微反射镜面之间的距离与微反射镜面宽度之比n＝图像切片装置x1相邻条形反射镜面之间的距离与条形反射镜面宽度之比k。

12、进一步地，所述解耦采集模块由透镜和灰度相机组成，所述耦合采集模块由透镜和具有大面阵灰度相机组成。

13、本发明的主要贡献包括以下三点：

14、(1)三维空谱调制的光学器件：阶梯镜面

15、目前现有的光谱成像系统中，常见的光路调制器件主要包括滤光片，掩模，图像切片装置，棱镜，微透镜阵列，光栅等等，但这些器件只能在二维层面对光谱数据立方体进行转化，所以在用以这些器件构成的成像系统对三维数据进行成像时，总是显得捉襟见肘，缺乏灵活性。因此，本发明引入了一个在空间上周期性离散分布的阶梯镜面对经过二维展开的数据立方体进行采样，未采样的数据则进行耦合采集。由此，光谱成像系统捕获两路数据：一路捕获的是高空间分辨率，高光谱分辨率的图像数据，但包含的信息总量较少(为数据立方体上的均匀采样)；另一路捕获的是低空间分辨率，低光谱分辨率，但耦合了大量的空谱信息。利用这两组不同尺度的信息重建出完整的数据立方体。与此同时，这两组数据在探测器矩阵上存在简单的映射关系，相较于ctis和cassi，可大幅度降低重建算法的时空复杂度。相较于现有技术所采用的高光谱分辨率、低空间分辨率的数据形式和低光谱分辨率、高空间分辨率的数据形式进行光谱融合的方法，本技术获得的一对数据提供了更多的空-谱信息，有助于提高高光谱重建的精度。

16、(2)以阶梯镜面-对称棱镜组为核心的空谱数据调制方式

17、对于准直入射后的场景光，本发明通过图像切片装置x1转化后，获得空间上离散的场景信息，此时需要对场景信息进行色散使之在空间上投射出场景光的不同频率分量，然而阶梯镜面的采样需要保证不同纵深位置上的入射光线角度的一致性。因此，这里使用色散方向一致的对称棱镜来对离散的场景信息进行色散和光矢调制。整体上，以阶梯镜面-对称棱镜组为核心的空谱数据调制方法获得一组不同信息尺度的易于重建的空-谱数据。

18、(3)置于对称棱镜组之间的条形周期掩模实现光谱通道一定范围的灵活选取。

19、置于对称棱镜之间的条形周期掩模m相当于一块带通的滤光片，它可以通过空间位置上(色散面方向和垂直色散面方向)的变化灵活截取谱域上特定光谱范围的图像信息。

20、因此，本发明的方案具有以下优点：

21、(1)相较于现有的利用掩模设计的计算光谱视频成像系统，本发明系统利用微镜面阵列的反射和透射进行三维空-谱数据调制，降低了数据调制时的信息损失，可大幅提升系统的光通量。

22、(2)本发明设计的光谱视频成像系统捕获了一组不同尺度的易于重建空-谱数据，可大幅度降低后端重建算法的时空复杂度，适配高速场景的任务；同时，两种数据形式涵盖了更多的空-谱信息，有助于提高高光谱重建精度。

23、(3)提供了一定范围内光谱波段的灵活选择。