基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统

本发明属于计算成像领域，具体涉及一种基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统。它采用远场散斑相位板和傅里叶变换透镜对包含物体空间和光谱信息的光场进行远场散斑调制后进行探测，再通过重建算法解调出物体的光谱图像信息。

背景技术：

1、基于散斑调制的快照式压缩光谱成像系统将物体的光谱图像信息调制到散斑场，经过面阵探测器记录之后，再通过重建算法提取出物体的光谱图像。它基于光场高阶关联成像体制，具有单次曝光探测就能获得光谱图像的优点，对于动态场景的光谱成像具有重要的应用前景。目前，已经先后公开了多个利用近场或者菲涅尔区散斑调制的快照式压缩光谱成像相关的专利。在早期的系统方案中[cn102818631b基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统]、[cn104121990b基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统]，利用近场或者菲涅尔区的瑞利散斑场对光谱图像信息进行调制，所采用的散斑对比度最高不超过1，导致散斑调制探测信号的信噪比受限。在低光照等条件下由于探测信噪比低，图像重建质量较差，光谱复原精度较低。

2、为此，人们提出了基于超瑞利散斑的压缩光谱成像方案[cn109520619基于非瑞利散斑场的关联成像光谱相机及其成像方法]，从理论上来说，超瑞利散斑的对比度可以设计为远大于1，从而显著提高散斑调制信号的信噪比。但是由于在光路上采用的是近场或者菲涅尔区散斑设计，光场在自由空间传播所引起的色散效应导致只能在较窄的带宽内实现较高的对比度。

3、如何在宽谱段内实现高对比度超瑞利散斑调制，是提升基于散斑调制的压缩光谱成像探测信噪比亟需解决的问题。已有专利[cn114719978a基于色散补偿的宽波段超瑞利散斑关联成像光谱相机及其成像方法]利用前置成像模块或中继成像模块的色散来补偿光场自由空间传播所引起的色散，从而实现宽谱超瑞利散斑调制。该方法有效拓宽了超瑞利散斑的工作带宽，但是为了实现色散补偿，前置镜或者中继镜需要满足特定的色散要求，使得设计难度增加，并且在理论上不同波长的成像倍率存在差异，需要进行校正后才能实现不同波长图像的配准。

4、针对上述基于近场或者菲涅尔区散斑调制的光谱成像系统的研究现状，本发明提出基于远场散斑调制的宽谱压缩光谱成像方案，利用远场散斑所具有的不同波长的光场沿着径向呈缩放关系的特性，并通过傅里叶变换透镜将远场散斑映射到近处的探测面上，实现宽谱段超瑞利散斑调制探测。该系统具有光学设计较容易实现的优点：前置镜采用常规物镜即可，无需特殊设计；而傅里叶变换透镜只要按照常规消色差透镜设计即可。并且该系统所获得的不同波长的图像具有相同的成像倍率，无需校正即可实现不同波长图像的配准。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于远场散斑调制的宽谱快照式压缩光谱成像系统。通过远场散斑相位板对物面发出的光场进行相位调制，将物体的空间图像和光谱信息加载到远场散斑场，并采用面阵探测器进行探测记录，再通过重建算法解算出物体的空间光谱图像。

2、一种基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特点在于，包括远场散斑调制探测模块和光谱图像重建模块；所述远场散斑调制探测模块至少包括远场散斑相位板、傅里叶变换透镜和光电探测器；所述远场散斑相位板，用于对第一成像面的宽谱图像进行波前相位调制进而形成远场散斑；所述傅里叶变换透镜，用于将所述远场散斑映射到所述光电探测器探测面；所述光电探测器，用于对获取的所述远场散斑进行探测；所述光谱图像重建模块，用于从光电探测器记录的编码探测信号中解调出目标物体的光谱图像信息；

3、所述远场散斑相位板位于所述傅里叶变换透镜的光瞳面上，且所述第一成像面、傅里叶变换透镜和光电探测器探测面的位置满足其中，z1为第一成像面到傅里叶变换透镜的距离，z2为傅里叶变换透镜到光电探测器探测面的距离，f为傅里叶变换透镜的焦距，从而使所述光电探测器探测面上的光场和远场散斑相位板的光瞳函数成傅里叶变换关系，不同波长的散斑场沿着径向呈缩放关系。z2≥f，并且一般而言z2和f属于同一数量级。

4、所述不同波长的散斑场沿着径向呈缩放关系，公式如下：

5、

6、式中，(x,y)为探测面的坐标，λ0为远场散斑相位板的初始波长，通常为系统的中心波长；u(x,y,λ0,z2)为初始波长λ0、探测面距离傅里叶变换透镜z2的散斑场的复振幅，i(x,y,λ0,z2)为对应的光强；u(x,y,λ,z2)为波长为λ的散斑场的复振幅，i(x,y,λ0,z2)为对应的光强。

7、所述远场散斑相位板对物体发出的光场进行相位调制，使得在该相位板的远场位置处形成超瑞利散斑，并将物体的空间图像和光谱信息编码到该散斑场。所述远场散斑可以是亚瑞利散斑、瑞利散斑或者超瑞利散斑，其中超瑞利散斑具有更高的对比度，从而能使系统具有更高的探测信噪比，因此远场超瑞利散斑调制方案是优先选择方案。远场散斑相位板的设计可以在常规衍射光学器件的设计方法比如光场逆传播方法、盖师贝格-撒克斯通算法(gs)、杨顾算法(yg)等基础上进行特殊化设计。本发明的具体实施方式部分给出了基于光场逆传播方法的远场散斑相位板设计实例。

8、所述傅里叶变换透镜用于将远场散斑分布映射到其成像面上，从而被光电探测器所探测。傅里叶变换透镜需进行消色差设计。根据光学设计的不同，傅里叶变换透镜可以作为单个成像透镜组进行设计，此时相位板位于该成像透镜组的出瞳处；也可以拆成准直镜和汇聚镜两部分进行设计，此时相位板位于准直镜和会聚镜中间。

9、所述光电探测器通常为面阵探测器，既可以是用于灰度成像探测的灰度阵列探测器，也可以是集成了马赛克型滤波阵列的面阵探测器。探测器各像元既可以是规则排布，也可以是不规则排布。

10、光谱图像的重建，既可以采用基于迭代运算的压缩感知图像重建算法，也可以采用基于神经网络的深度学习图像重建算法。

11、该光谱成像系统可以工作在紫外、可见光、近红外、中远红外等各个光谱波段。根据工作谱段的不同，选择合适的材料来设计制作远场散斑相位板，并选择相应的光电探测器。

12、该压缩光谱成像系统能工作于显微成像、遥感成像等各种场合；通过成像物镜的设计，可以对不同距离的物体成像。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

14、1，将物体的空间图像和光谱信息编码到散斑场上再进行探测，能够利用物体在空间维和光谱维的统计先验，实现压缩采样。减少了数据采集量，降低了对探测器像元数目的要求。

15、2，采用远场超瑞利散斑调制，散斑对比度高因而探测信噪比高，并且在宽谱段范围内都能实现超瑞利散斑调制，满足宽谱段探测的要求。

16、3，通过单次曝光探测就能获取光谱图像信息。能够以高帧频获取物体的光谱图像信息，适用于对瞬变物体进行光谱成像。

技术特征：

1.一种基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特征在于，包括远场散斑调制探测模块和光谱图像重建模块；所述远场散斑调制探测模块至少包括远场散斑相位板、傅里叶变换透镜和光电探测器；所述远场散斑相位板，用于对第一成像面的宽谱图像进行波前相位调制进而形成远场散斑；所述傅里叶变换透镜，用于将所述远场散斑映射到所述光电探测器探测面；所述光电探测器，用于对获取的所述远场散斑进行探测；所述光谱图像重建模块，用于从光电探测器记录的编码探测信号中解调出目标物体的光谱图像信息；

2.根据权利要求1所述的基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特征在于，所述不同波长的散斑场沿着径向呈缩放关系，公式如下：

3.根据权利要求1所述的基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特征在于，所述第一成像面为由物镜将物体成像而成，或者为物体本身。

4.根据权利要求1所述的基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特征在于，z2≥f，并且一般而言z2和f属于同一数量级。

5.根据权利要求1所述的基于远场散斑调制的快照式压缩光谱成像系统，其特征在于，所述远场散斑相位板在远场位置处形成瑞利散斑场，也可以形成超瑞利散斑场或者亚瑞利散斑场。

技术总结
一种基于远场散斑调制的宽谱快照式压缩光谱成像系统，包括远场散斑调制探测模块和光谱图像重建模块两个部分，远场散斑调制探测模块包括物镜、远场散斑相位板、傅里叶变换透镜、光电探测器，用于对目标物体的光谱图像信息进行编码探测；光谱图像重建模块包括具备图像处理能力的软件和硬件，用于通过算法从编码探测信号中解调出目标物体的光谱图像信息。本发明通过光路和远场散斑相位板的优化设计实现了宽谱高对比度的超瑞利散斑调制，能够获得更高信噪比的快照式探测信号，有助于获得更准确的光谱图像信息；基于压缩感知理论，能够对信号进行压缩采样，从而提升成像分辨率。

技术研发人员：吴建荣,韩申生,王鹏威,刘震涛
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5