【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种无透镜快照光谱成像系统及方法，属于光谱成像。
技术介绍
1、快照光谱成像是指在单次曝光下拍摄到场景的空间光谱三维信息。它极大地提高了成像效率，不仅捕获了每个空间位置的强度信息，还记录了对应的光谱信息，使动态场景的光谱数据实时捕获成为可能。由于反射率光谱是物质的内禀属性，连续的精细光谱图像能够反映复杂多样的现实世界物质组成与状态，因此快照光谱成像在工业生产检测、智慧农业、燃烧动力学分析、环境资源勘探等领域具有广泛的应用潜力。
2、随着可穿戴设备、自动驾驶、机器人、虚拟/增强现实等新兴应用的涌现，快照光谱成像系统正朝着小型化的方向发展。早期的快照光谱成像系统大多依赖于狭长的中继镜组和庞大的分光器件，导致成像系统显得十分笨重，严重限制了其在轻量化便携式场景中的应用。其中，比较具有代表性的技术有：积分场光谱仪(integral field spectrometry,ifs)、编码光圈快照成像光谱仪(coded aperture snapshot spectral imaging,cassi)、棱镜掩模式快照成像光谱仪(prism-mask video imaging spectrometry)、计算断层成像光谱仪(computed tomography imaging spectrometry)。这些技术基于棱镜色散或光栅衍射分光的原理，需要准直镜组来获取足够的色散距离，极大增加了系统体积与复杂度。
3、近年来，随着新材料对光学器件的革新与重构算法的优化，出现了基于衍射或像素级滤波原理的快照光谱
4、最近，借鉴于无透镜成像舍弃透镜而换用编码掩模器件的成像范式，出现了spectral diffuercam，用毛玻璃与彩色滤波阵列紧邻配置，将快照光谱成像系统的尺寸进一步缩小。但是，其使用8×8的窄带滤波阵列进行光谱编码，器件成本高昂。
技术实现思路
1、基于以上现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种紧凑集成低成本的无透镜快照光谱成像系统及其方法。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、集成式无透镜快照光谱成像系统，包括滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块、彩色采集模块和计算重构模块，其中，滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块依次相连，空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块分别与计算重构模块相连；所述滤波窗口模块，用于滤除窗口波段之外的光线；所述空间光谱压缩调制模块，用于对不同光谱通道的场景进行不同的振幅编码，以及将场景中的点光源以多路复用的方式投影到彩色采集模块；所述彩色采集模块，用于对场景进行光谱编码，得到二维测量值；所述计算重构模块，用于基于所述二维测量值重构出高光谱图像数据。
4、本专利技术还提供一种利用上述集成式无透镜快照光谱成像系统的方法，包括如下步骤：
5、s1，场景发出的光通过所述滤波窗口模块，滤除窗口波段之外的光线；
6、s2，利用所述空间光谱压缩调制模块对不同光谱通道的场景进行不同的振幅编码和衍射投影，并将场景中的点光源以多路复用的方式投影到彩色采集模块；
7、s3，所述彩色采集模块采集多光谱图像，获得空间光谱耦合的二维测量值；
8、s4，基于所述空间光谱耦合的二维测量值，利用高光谱重建算法重构高光谱图像数据。
9、本专利技术的主要技术包含以下三点：
10、(1)空间光谱压缩调制的光学器件
11、常见的空间光谱调制编码器件有：光栅、棱镜、doe、超表面器件等，其中光栅、棱镜等这些光学器件通常需要足够的色散距离而导致系统狭长笨重；doe、超表面器件这些光学器件虽然具有较强的光场调控能力，但是与之而来的是要求精密的加工工艺，带来高昂的成本。本专利技术提出的彩色掩模，通过将宽谱滤波与衍射光学巧妙结合，具有压缩的空间调制方式与丰富的光谱编码；同时可以灵活的对成像需求调整生产精度，对于成像要求低的场景，采用加工精度低的工艺生产彩色掩模，具有极低的生产成本。
12、(2)集成式光谱编码范式
13、过去的光谱编码范式通常分为以下几类：以cassi为代表的编码光圈式、以ctis为代表的计算断层式、以doe光谱成像为代表的衍射解耦式、以像素级滤波阵列高光谱成像为代表的宽谱解耦式，但是，其中没有一种范式能够将快照光谱成像的尺度降低到传感器级别。本专利技术提出的彩色掩模与多光谱图像传感器紧邻配置的集成式光谱编码范式能够做到传感器级别的集成度，同时对彩色掩模的设计提供了极大的设计自由度，保留了宽阔的想象空间。
14、(3)滤波阵列实现多光谱通道采集
15、经过空间光谱压缩调制模块后的投影具有高度耦合退化的特性，因为空间光谱三维数据中的每一个元素都进行了多路复用的衍射投影，并在空间与光谱上进行线性叠加，因此，需要在传感器表面进行更进一步的周期滤波编码将不同空间位置的衍射投影分离到不同的光谱编码通道中，以提供更丰富的光谱编码。
16、因此，本专利技术的方案具有以下优点：
17、(1)相较于现有的快照光谱成像方案，本专利技术采用彩色掩模结合宽谱滤波原理与衍射光学，降低了器件的制造成本，具有轻量化便携性的特点，提升了系统的紧凑性和集成度。同时为彩色掩模的设计保留更多自由度，为成像系统的优化设计提供了广阔的空间。
18、(2)本专利技术采用彩色掩模衍射投影与周期宽谱滤波阵列联合调控的方法，提高了系统的光谱采样率，降低了系统的复杂度与重构问题的欠定性，有助于提高高光谱数据的重构精度。
19、(3)本专利技术具有高度集成的特点，降低了成像系统因复杂性带来的额外不稳定性与不确定因素，具有稳定鲁棒高效的特点。
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1.集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，包括滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块、彩色采集模块和计算重构模块，其中，滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块依次相连，空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块分别与计算重构模块相连；
2.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述空间光谱压缩调制模块采用彩色掩模，彩色掩模上不同空间位置分布着具有不同滤波响应的光谱滤波单元。
3.根据权利要求2所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色掩模与所述滤波窗口模块密合排列放置。
4.根据权利要求2所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色掩模与所述彩色采集模块以微小间隔紧邻配置。
5.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色采集模块为多光谱图像采集传感器，传感器上集成有拜尔滤波阵列。
6.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述计算重构模块利用高光谱重建算法，从彩色采集模块采集到的空间光谱耦合的二维测量值中重构出高光谱数
7.利用如权利要求1所述集成式无透镜快照光谱成像系统的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述空间光谱压缩调制模块采用彩色掩模对不同光谱通道的场景进行不同的振幅编码，经过一段距离d的衍射传播，产生不同相干衍射模式的点扩散函数，记为PSFλ(x0,y0)，其中(x0,y0)为传感器平面的空间位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述彩色采集模块为多光谱图像采集传感器，传感器上集成有拜尔滤波阵列；滤波阵列对衍射投影在空间上降采样为多个光谱编码通道，每个光谱编码通道具有不同的滤波响应形式，记其滤波响应为LC(λ)，其中C为光谱编码通道数；衍射投影通过滤波阵列后被传感器记录，对场景进行进一步的光谱编码，得到二维测量值YC(x,y)：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S4中，利用步骤S2产生的点扩散函数PSFλ(x0,y0)、步骤S3获得的滤波响应LC(λ)以及二维测量值YC(x,y)，重构出高光谱图像数据。
...【技术特征摘要】
1.集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，包括滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块、彩色采集模块和计算重构模块，其中，滤波窗口模块、空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块依次相连，空间光谱压缩调制模块和彩色采集模块分别与计算重构模块相连；
2.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述空间光谱压缩调制模块采用彩色掩模，彩色掩模上不同空间位置分布着具有不同滤波响应的光谱滤波单元。
3.根据权利要求2所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色掩模与所述滤波窗口模块密合排列放置。
4.根据权利要求2所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色掩模与所述彩色采集模块以微小间隔紧邻配置。
5.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述彩色采集模块为多光谱图像采集传感器，传感器上集成有拜尔滤波阵列。
6.根据权利要求1所述的集成式无透镜快照光谱成像系统，其特征在于，所述计算重构模块利用高光谱重建算法，从彩色采集模块采集到的空间光谱耦合的二维测量值中重...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹汛，胡李豪，霍梓康，吕涛，黄成龙，李世桥，张丁源，陈林森，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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