一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法

1.本发明属于光谱成像技术领域，特别是涉及到一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法。


背景技术：

2.关联成像又称鬼成像是一种与传统光学成像技术完全不同的新型成像技术，仅通过一个单像素探测器即可获取图像的全部信息，又称单像素成像。传统光学成像技术采用物空间到像空间点到点的成像模式获取图像信息。而关联成像是利用光场二阶或更高阶的信息关联来获取目标场景的光谱、空间及相位分布等信息，再结合压缩感知、深度学习等技术可以突破香农极限，提高探测信息的利用效率。在关联成像模式中，一系列经空间光调制的光场与目标场景作用后，其信号被一个无空间分辨能力的单像素探测器全部收集，通过光场与信号关联运算的方式，实现一个单像素探测器获取一幅目标图像的能力。
3.现有关联成像实现彩色成像大多数采用三到四个光路每个光路分别放置红绿蓝三基色滤光片并配置单像素探测器，或者使用一个单像素探测器前面添加滤光片轮来实现三基色测量的彩色成像，光学系统冗余复杂。在多光谱和高光谱关联成像方面，大多采用光栅对总光强进行分光和线阵探测器测量及标定的方式实现光谱信息的获取，或者采用加工相位板及标定的方式实现光谱信息的获取，系统复杂性仍然没有降低，且需要分光和标定，实现起来具有一定的复杂性,而且光谱分辨率与光谱通道数受限并且需要处理的数据量大。
4.因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法用于解决传统光谱成像技术系统复杂、光谱分辨率与光谱通道数受限及数据量大的技术问题。
6.一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法，利用包括光源模块、空间光场调制器、光学成像系统以及光谱探测采集模块的关联成像系统，所述光学成像系统包括透镜组、分光棱镜、反射镜和/或相机镜头，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：
7.步骤一、根据使用需求波段制作彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列
8.1)根据单像素探测器阵列单像元尺寸及像元间隙加工镂空掩模版；
9.2)将各波段窄带光学滤光片切割成单像素探测器阵列中单像元尺寸大小；
10.3)将切割后的不同波段滤光片排列至掩模版形成滤光片阵列，其中每一个探测器阵列单像元对应一个独立波段的滤光片；
11.4)将滤光片阵列镀膜面胶合到单像素探测器阵列上并进行封装形成彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列；
12.步骤二、取反射镜以及透镜组构成光学收集系统，光谱探测器阵列放置在光学收
集系统的光线射出端，并且光谱探测器阵列放置在光学收集系统完整显示物体所有信息的位置区域内，保证物体在相应波段下完整成像，构成光谱探测采集模块；
13.步骤三、按照光场被动调整模式和光场主动调整模式两种工作模式分别布置光源模块、空间光场调制器、光学成像系统以及光谱探测采集模块的位置：
14.其中，光场被动调整模式下，光源模块发射自然光、宽谱光或特定波段的光直接照射物体所在的场景，光线经过物体透射或反射后传输至光学成像系统；光学成像系统布置在物体与空间光场调制器之间，光学成像系统对入射光线通过透镜组进行汇聚再发射给空间光场调制器；空间光场调制器接收光学成像系统发射出的光束至调制面上并产生光场，光场投射于光谱探测采集模块；光学收集系统通过反射镜和透镜组对光场进行汇聚后发射至光谱探测器阵列上；光谱探测器阵列上的各波段窄带光学滤光片将光学信息按照各自波长滤波，通过单像素探测器阵列获得彩色、多光谱或高光谱关联成像的信号探测值；
15.光场主动调整模式下，光源模块发射自然光、宽谱光或特定波段的光投射到空间光场调制器的调制面上并产生光场，光场经过光学成像系统中的分光棱镜和相机镜头后投射至物体；物体反射光经光学成像系统的相机镜头和分光棱镜射入光学收集系统，光学收集系统采集物体所在的场景的光学信号；光学收集系统通过反射镜和透镜组对光场进行汇聚后发射至光谱探测器阵列上；光谱探测器阵列上的各波段窄带光学滤光片将光学信息按照各自波长滤波，通过单像素探测器阵列获得彩色、多光谱或高光谱关联成像的信号探测值；
16.将空间光场调制器产生的光场与相应获得的彩色、多光谱或高光谱关联成像的信号探测值进行关联计算并获得彩色、多光谱或高光谱关联成像的光谱图像信息值，至此彩色、多光谱或高光谱关联成像完成。
17.所述光源模块包括光源和用于控制光线照射方向的光学镜片，光源模块在光场被动调整模式下，有两种工作模式：一种为光源发射的光直接照射到物体所在的目标场景，另一种为光源的光经光学镜片的反射、折射和/或透射后照射到物体所在的目标场景；
18.光源模块在光场主动调整模式下也有两种工作模式：一种为光源发射的光直接照射到空间光场调制器，另一种为光源发射的光经光学镜片的反射、折射和/或透射后照射到空间光场调制器。
19.所述空间光场调制器产生光场有两种模式，其中一种模式为：使用与空间光调制器连接的上位机中的控制程序根据预先生成的光场调制图样或调制函数生成的光场调制图样，将图加载至空间光场调制器，空间光场调制器按照设定的顺序及速度根据加载图像产生结构光场，并照射物体或经物体透射至空间光场调制器的调制面；另一种模式为：通过控制空间光场调制器的运动切换光场调制模式的方法产生光场，并照射物体或经物体透射至空间光场调制器的调制面。
20.所述步骤三中关联计算的具体方法为：
21.空间光场调制器产生的光场均用i
(m)
(x,y)表示，其中，m为光场的数量，x、y为二维光场矩阵维度；物体用t(x,y,λ)表示，其中λ为物体的波长信息；
22.将光谱探测器阵列接收到的信号探测值通过与之连接的上位机进行存储，存储的探测值用表示，通过探测值与调制的空间光场关联计算获得各谱段的重构图像g
λ
(x,y)，重构图像g
λ
(x,y)的计算公式如下：
[0023][0024]
其中，＜＞表示系综平均，
[0025]
获得的重构图像g
λ
(x,y)值即为彩色、多光谱或高光谱关联成像的光谱图像信息值。
[0026]
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
[0027]
本发明可以根据需要选择性进行彩色、多光谱或高光谱关联成像，在实现彩色、多光谱或高光谱关联成像时，无需扫描，仅需要使用一个光谱探测器阵列就能在一个光学路径下实现一个像元获取一幅光谱图像的能力。且本发明在实现彩色、多光谱或高光谱关联成像的过程中无需分光和标定，降低了实现复杂度。本发明实现装置简单，可以实现有透镜和无透镜成像。
附图说明
[0028]
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0029]
图1为本发明一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法中光场被动调整模式下的工作原理图。
[0030]
图2为本发明一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法中光场主动调整模式下的工作原理图。
[0031]
图中1-光源模块、2-空间光场调制器、3-光学成像系统、4-光谱探测采集模块、5-物体、101-光源、102-光学镜片、401-光谱探测器阵列、402-光学收集系统。
具体实施方式
[0032]
如图所示，一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法，利用包括光源模块1、空间光场调制器2、光学成像系统3以及光谱探测采集模块4的关联成像系统。所述光源模块1发射自然光、宽谱光或特定波段的光；所述光学成像系统3包括透镜、分光棱镜、反射镜和/或光学镜头，所述空间光场调制器2用于空间光场调制并对物体5的信息进行编码；所述光谱探测采集模块4包括用于彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列401和光学收集系统402，光学收集系统402通过透镜组对光场进行汇聚后发射至光谱探测器阵列401上，光学收集系统402收集空间光场调制器2的调制光场投射于单像素探测器的阵列信号。
[0033]
所述光谱探测器阵列401包括镂空掩模版、滤光片以及单像素探测器，镂空掩模版的每个镂空孔均与单像素探测器阵列单像元尺寸一致，相邻两个镂空孔之间的间隙与像元间隙一致；所述滤光片的尺寸与单像素探测器阵列中单像元尺寸一致，滤光片为各波段窄带光学滤光片，滤光片固定安装在镂空掩模版对应的镂空孔上，形成滤光片阵列；滤光片阵列镀膜面胶合到单像素探测器阵列上并进行封装形成用于彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列401。单像素探测器探测滤光片阵列根据波长滤波后的光信号。
[0034]
一种彩色、多光谱或高光谱关联成像方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：
[0035]
步骤一、根据使用需求波段制作彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列
[0036]
1)根据单像素探测器阵列单像元尺寸及像元间隙加工镂空掩模版；
[0037]
2)将各波段窄带光学滤光片切割成单像素探测器阵列中单像元尺寸大小；
[0038]
3)将切割后的不同波段滤光片排列至掩模版形成滤光片阵列，其中每一个探测器阵列单像元对应一个独立波段的滤光片；
[0039]
4)将滤光片阵列镀膜面胶合到单像素探测器阵列上并进行封装形成彩色、多光谱、高光谱关联成像的光谱探测器阵列401；
[0040]
步骤二、取反射镜以及透镜组构成光学收集系统402，光学收集系统402用于收集空间光场调制器2的调制光场投射于单像素探测器的阵列信号；光谱探测器阵列401放置在光学收集系统402的光线射出端，并且光谱探测器阵列401放置在光学收集系统402能够完全显示物体5所有信息的位置区域内，保证物体5在相应波段下完整成像，构成光谱探测采集模块4；
[0041]
步骤三、按照光场被动调整模式和光场主动调整模式两种工作模式分别布置光源模块1、空间光场调制器2、光学成像系统3以及光谱探测采集模块4的位置：
[0042]
其中，光场被动调整模式下，光源模块1发射自然光、宽谱光或特定波段的光直接照射物体5所在的场景，光线经过物体5投射或反射后传输至光学成像系统3；光学成像系统3布置在物体5与空间光场调制器2之间，光学成像系统3对入射光线通过透镜组进行汇聚再发射给空间光场调制器2；空间光场调制器2接收光学成像系统3发射出的光束至调制面上，空间光场调制器2用于空间光场调制并对物体5的信息进行编码，光场投射于光谱探测采集模块4；光学收集系统402通过透镜组对光场进行汇聚后发射至光谱探测器阵列401上；光谱探测器阵列401单像元上的各波段窄带光学滤光片将光学信息按照各自波长滤波，通过单像素探测器阵列获得彩色、多光谱或高光谱关联成像的信号探测值；
[0043]
光场主动调整模式下，光源模块1发射自然光、宽谱光或特定波段的光投射到空间光场调制器2的调制面上并产生光场，光场经过光学成像系统3中的分光棱镜和相机镜头后投射至物体5；物体5反射光经光学成像系统3的相机镜头和分光棱镜射入光学收集系统402，光学收集系统402采集物体5所在的场景的光学信号；光学收集系统402中的透镜组对光场进行汇聚后发射至光谱探测器阵列401上；光谱探测器阵列401上的各波段窄带光学滤光片将光学信息按照各自波长滤波，通过单像素探测器阵列获得彩色、多光谱或高光谱关联成像的信号探测值；
[0044]
以上两种模式下，空间光场调制器2产生的光场均用i
(m)
(x,y)表示，其中，m为光场的数量，x、y为二维光场矩阵维度；物体5用t(x,y,λ)表示，其中λ为物体的波长信息；
[0045]
将光谱探测器阵列401接收到的信号探测值通过与之连接的上位机进行存储，存储的探测值用表示，通过探测值与调制的空间光场关联计算获得各谱段的重构图像g
λ
(x,y)，重构图像g
λ
(x,y)的计算公式如下：
[0046][0047]
其中为＜＞表示系综平均。获得的重构图像g
λ
(x,y)值即为彩色、多光谱或高光谱关联成像的光谱图像信息值。
[0048]
所述光源模块1包括光源101和用于控制光线照射方向的光学镜片102，光源模块1在光场被动调整模式下，有两种工作模式：一种为光源101发射的光直接照射到物体5所在的目标场景，另一种为光源101的光经光学镜片102的反射、折射和/或透射后照射到物体5
所在的目标场景；
[0049]
光源模块1在光场主动调整模式下也有两种工作模式：一种为光源101发射的光直接照射到空间光场调制器2，另一种为光源101发射的光经光学镜片102的反射、折射和/或透射后照射到空间光场调制器2。
[0050]
所述空间光场调制器2产生光场有两种模式，其中一种模式为：使用与空间光调制器2连接的上位机中的控制程序根据预先生成的光场调制图样或调制函数生成的光场调制图样，将图加载至空间光场调制器2，空间光场调制器2按照设定的顺序及速度根据加载图像产生结构光场，并照射物体5或经物体5透射至空间光场调制器2的调制面；另一种模式为：通过控制空间光场调制器2的运动切换光场调制模式的方法产生光场，并照射物体5或经物体5透射至空间光场调制器2的调制面。
[0051]
通过光场与信号探测值关联运算的方式，实现光谱探测器阵列上任意一个单像素探测器获取一幅目标图像的能力，当然也可以通过其它求解方法获取各光谱的图像信息值。