单像素光谱成像系统及成像方法

本发明涉及光谱成像领域，特别涉及单像素光谱成像系统及成像方法。

背景技术：

1、光谱成像技术结合了光谱技术和成像技术，能记录每个像素点在多个谱段的强度数据。该技术能够将成像辐射的波段划分为更加狭窄的多个波段，同时进行成像，从而获得同一待测物的多个光谱波段的图像，即同时获得物体的二维空间信息和一维光谱信息，进而得到样品的材料信息和化学组成。因此，光谱成像技术不仅极大地推进了物质检测和分类技术地发展，同时在空气环境检测、水体资源控制、生物医药、生物无损检测、生物荧光检测等领域均有广泛应用。

2、目前的光谱成像仪普遍采用扫描成像的方式。根据扫描方式不同，光谱成像技术可分为摆扫式、推扫式和凝视式三类。摆扫式光谱成像技术利用摆扫设备，在垂直于光谱仪行进的方向进行扫描，实现二维空间信息的获取。但是，扫描的过程使得采集数据所需的时间较长，且摆扫设备对系统稳定性的要求较高。推扫式光谱成像技术没有摆扫设备，直接将视场中的一维空间图像经色散后成像在面阵探测器上，从而实现一维空间成像和一维光谱成像。推扫式光谱成像技术具有稳定性高的特点，但是其视场受探测器大小的限制。凝视式光谱成像技术有别于前两种技术，采用滤波器获得单一光谱维度的二维空间图像并通过面阵探测器采集图像，因而能量利用率较低。且分辨率受滤波器限制。此外，运用扫描方式进行光谱成像普遍需要运动部件，提高了系统的不稳定性，并且需要价格昂贵的面阵探测器进行数据采集。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了单像素光谱成像系统及成像方法。

2、本发明的第一个方面提供了一种单像素光谱成像系统，包括：

3、干涉仪，适用于使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；

4、样品架，上述样品架上放置有待测样品，上述干涉白光透过上述待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光；

5、空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；

6、单点探测器，适用于对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；

7、计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度，得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，上述模板的数量小于上述待测样品图像的像素点的个数。

8、根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：

9、外设部件互连总线采集卡，适用于控制上述干涉仪的启动、适用于控制上述模板的播放以及适用于发出采样模拟信号以对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至上述计算机。

10、根据本发明的实施例，上述干涉仪还适用于使外部输入的激光发生干涉得到干涉激光；

11、上述单像素光谱成像系统还包括：

12、激光探测器，适用于对上述干涉激光的强度进行探测；

13、过零比较电路，适用于根据上述干涉激光的强度，发出数字信号，上述数字信号适用于对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，上述数字信号经上述外设部件互连总线采集卡转换为上述采样模拟信号。

14、根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：

15、第一聚焦透镜，适用于使上述干涉仪发出的干涉白光进行聚焦；

16、光纤，适用于将聚焦后的干涉白光传输至上述待测样品上。

17、根据本发明的实施例，上述单像素光谱成像系统，还包括：

18、第二聚焦透镜，适用于对上述空间光调制器输出的每个模板对应的调制干涉光进行聚焦，得到聚焦干涉光；

19、准直镜，适用于对上述聚焦干涉光进行准直，并将准直后的干涉光输入至上述单点探测器。

20、根据本发明的实施例，上述激光为hene激光。

21、作为本发明的第二个方面，还提供了一种单像素光谱成像方法，利用上述的单像素光谱成像系统，上述方法包括：

22、利用干涉仪使外部输入的白光发生干涉得到干涉白光；

23、将上述干涉白光透过样品架上的待测样品，得到携带有上述待测样品光谱信息的干涉光；

24、利用空间光调制器，根据测量矩阵的至少一个模板得到至少一种翻转状态，以在每种翻转状态的作用下对上述干涉光进行振幅调制，得到调制干涉光；

25、利用单点探测器对每个模板对应的调制干涉光的强度进行探测；

26、利用计算机，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱，以及根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像，其中，上述模板的数量小于上述待测样品图像的像素点的个数。

27、根据本发明的实施例，还包括利用外设部件互连总线采集卡对上述单点探测器探测到的每个模板对应的调制干涉光的强度进行等光程差采样，并将采样结果发送至上述计算机。

28、根据本发明的实施例，根据探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱包括：

29、对每个模板对应的调制干涉光的强度的采样结果进行预处理，以去除上述采样结果中的直流分量，得到预处理结果；

30、对上述预处理结果进行切趾操作，得到切趾结果；

31、对上述切趾结果进行补零和傅里叶变换得到初始光谱；

32、对上述初始光谱进行相位校正操作得到每个模板对应的光谱。

33、根据本发明的实施例，根据所有模板对应的光谱以及上述测量矩阵得到上述待测样品的图像包括：

34、将上述测量矩阵和所有模板对应的光谱在目标波长下的能量值输入至图像重建算法，得到带有约束的目标函数；

35、利用松弛变量和增强拉格朗日乘数法对带有约束的目标函数进行转换，得到不带约束的目标函数；

36、根据不带约束的目标函数得到上述待测样品在上述目标波长下的图像。

37、根据本发明的实施例，使用单点探测器对调制干涉光进行探测，相对于传统的面阵探测器无需运动部件，简化了系统结构，提高了系统稳定性的同时使系统更易使用和维护，此外，单点探测器成本低廉，单点探测器测量接收到的光子数远大于传统的面阵探测器，这大大降低了由暗噪声造成的图像失真。

38、根据本发明的实施例，通过采用模板的数量小于待测样品图像的像素点的个数(即采用了压缩感知理论)，以及通过利用单点探测器对空间光调制器调制得到的干涉光进行探测、利用计算机对探测得到的每个模板对应的调制干涉光的强度得到每个模板对应的光谱、以及根据所有模板对应的光谱以及所述测量矩阵得到所述待测样品的图像(即单像素光谱成像技术)即将压缩感知理论和单像素光谱成像技术结合进行成像。由于采用模板的数量小于待测样品图像的像素点的个数，因此本发明实施例采用的单像素光谱成像系统需要采集的数据量小，采样时间短，成像速度快。

39、根据本发明的实施例，传统的单像素光谱成像方法透过样品的光为单色光，因此需要通过改变光源才能得到待测物在该光源波段下的图像，要想得到待测物在多个波段下的图像，需要频繁切换光源，在本技术实施例中，由于透过待测样品的光为干涉白光，根据该干涉白光可得到每个模板对应的光谱，由于每个模板对应的光谱均包括多个波长对应的强度，因此，利用本发明实施例提供的单像素光谱成像方法可以得到多个波长下的待测样品的图像。