光谱成像方法和系统技术方案

技术编号:18465247 阅读:25 留言:0更新日期:2018-07-18 15:37
本发明专利技术公开了一种用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统和方法。该系统包括:检测器的像素矩阵;像素矩阵前方的可调色散单元;和控制系统。该控制系统包括:控制器,所述控制器用于在n个图像采集过程调谐色散单元以提供色散单元的n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓;以及控制单元,所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块,每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像,并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓,所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。

Spectral imaging methods and systems

The invention discloses a hyperspectral imaging system and method for spectral data reconstruction of objects. The system includes the pixel matrix of the detector, the adjustable dispersion unit in front of the pixel matrix, and the control system. The control system includes: a controller, which is used to tune a dispersion unit in the N image acquisition process to provide n different and partially overlapping spectral transmission profiles of the dispersion unit; and the control unit, the control unit is communicated with the detector, and is configured and operable to handle the N separately. N image data blocks generated by the pixel matrix in the image acquisition process, each image data block indicates a spectral image detected by the pixel matrix, and corresponds to the different spectral transmission profiles of the dispersion unit, and the control unit determines the reconstructed spectral data of the object.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱成像方法和系统

技术介绍
本专利技术属于成像
,涉及一种光谱成像方法和系统。光谱成像旨在提供关于像平面中每个位置处的对象的至少一些光谱信息。已经开发出各种光谱成像技术,包括多光谱成像、高光谱成像、全光谱成像、成像光谱学或者化学成像。光谱图像通常表示为图像立方,是一种数据立方。多光谱(MS)和高光谱(HS)立方可以通过多种方式获取。一些系统(利用扫描式,推扫式和可调滤波器来实现HS成像器)依赖于对3DHS立方的ID或2D子集的多次采集,然后进行简单重建。其他一些系统包括用光谱信息换算分辨率(类似于拜耳CFA)的多色传感器,并要求空间谱重建算法[Y.Monno,M.Tanaka和M.Okutomi,ProceedingsofIS&T/SPIE(EI2012),DigitalPhotographyVIII,Vol.8299,pp.829900-1-7,January,2012;Y.Murakami,M.Yamaguchi,和N.Ohyama,"Hybrid-resolutionmultispectralimagingusingcolorfilterarray,",Opt.Express20,7173-7183(2012)]。近来,开发了几种HS快照采集技术。其中一些是基于压缩感测,其中HS图像被认为是稀疏的,并且在成像系统内使用附加光学元件来压缩数据。以下出版物中描述了这些技术:A.Stern,"Compressedimagingsystemwithlinearsensors,"Opt.Lett.32,3077-3079(2007);A.Wagadarikar,R.John,R.Willett,和D.Brady,"Singledisperserdesignforcodedaperturesnapshotspectralimaging,"Appl.Opt.47,B44-B51(2008);C.Li,T.Sun,K.F.Kelly和Y.Zhang.Acompressivesensingandunmixingschemeforhyperspectraldataprocessing.IEEE_J_IP21(3),pp.1200-1210.2012;M.A.Golub,M.Nathan,A.Averbuch,E.Lavi,V.A.Zheludev,和A.Schclar,"Spectralmultiplexingmethodfordigitalsnapshotspectralimaging,"Appl.Opt.48,1520-1526(2009)。然而,这些技术需要事先了解正在成像的场景,并且还往往遭受低光效,并且实现这种技术的系统相当复杂。对于积分场光谱系统,这些系统的基本原理与光场相机类似,即光谱信息用空间分辨率换算。因此,所检测到的光中的多个光谱带等于分辨率劣化率。积分场高光谱成像技术,如透镜阵列、光纤阵列、像切分器和微切分器,都表现出这种行为。另一种已知的解决方案涉及根据光栅衍射次序发散入射光的2D光栅的使用,以在传感器上形成多个多光谱子图像;接下来是重建算法。这种方法允许快速高光谱立方采集,但是合成图像遭受低空间分辨率;所需的设置也不能集成到普通的摄像机中。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于高光谱成像的新技术,其能够获取任意场景的完整高光谱立方。本专利技术为获取高光谱立方提供了全空间分辨率和光谱分辨率。这种技术既不需要场景的任何初步信息也不需要附加假设。本专利技术的高光谱成像系统包括放置在探测器的像素矩阵的前方,即相对于输入光传播方向的像素矩阵上行的宽光谱滤波器/标准具,例如,具有宽透射峰值的通光孔径法布里-珀罗标准具。该系统以“多次曝光”模式操作以获取场景的多个帧,同时使用标准具的多个不同的、部分重叠的透射曲线。更具体地说,该系统操作以获取一组帧,每个帧具有不同的标准具透射函数,即标准具的稍微偏移的透射峰值。透射轮廓很宽,以捕获更多的光线,从而提高信噪比。因此,以波长的预设加权总和获取每个帧,并且每两个曝光(帧)的光谱轮廓可能显著重叠。采集之后,应用光谱重建算法以恢复图像的光谱。一般来说,光谱带的数量等于曝光次数。因此,本专利技术为获取任意场景的完整高光谱立方提供了全空间和光谱分辨率,同时具有标准成像系统的简单结构,另外配备了具有宽光谱透射轮廓的可调谐色散元件(光谱滤波器),其允许在每个帧内获取波长的加权和。本专利技术的高光谱成像系统可以集成在彩色(拜耳)和单色图像传感器中。通光孔径法布里-珀罗标准具也可用于标准彩色成像,从而实现双用途成像系统(标准彩色+高光谱)。该系统具有改进的噪声性能,因为每个帧都是以降低的噪声含量获取的。本专利技术的方法是通用的并且可以适合多种成像场景,包括UV/VIS/NIR;并不依赖于传感器。本专利技术的成像系统可以集成在工业相机,监视相机,医疗设备,质量控制设备,用于检测化合物和生物组织的光谱分析系统中。本专利技术运用转让给本申请受让人的美国专利申请No.62/075,972中描述的高光谱成像技术,并且通过引用将其并入本文。该技术基于在输入光场上应用角度编码,同时创建其光学图像,从而提供高光谱图像数据(高光谱立方)的角度复用。该技术可以有效操作用于可在像素阵列的至少N个像素点成像的尺寸的对象,以允许重建N个光谱带。本专利技术的技术提供了非常小的对象到单个像素对象的有效光谱重建。为此,本专利技术利用不同的宽光谱标准具透射函数的多次曝光方法。可调谐标准具配置为在相对较宽的光谱范围内的可调谐性,并且还优选为具有足够的自由光谱范围(FSR)。此外,为了能够生成精确的彩色图像,标准具优选地配置为低精细度(即,足够宽的光谱透射峰值)。一方面,这为创建图像提供了精确(例如,精确可靠)的颜色,另一方面,允许足够的光线传递给传感器(像素矩阵)。标准具通常包括一对彼此间隔开一定间隔(光学距离)的基本平行的、通常反射的表面。通常,这种标准具的透射函数T是波长λ,两个表面的透射率以及这些表面之间的间隔值的函数。对于由给定的反射表面(即,给定的透射率)形成的标准具,标准具的透射率是波长和间隔的函数,T(λ,gap)。因此,通过可控地改变反射表面之间的间隔以在n帧(n次曝光)的图像采集期间分别提供n个不同间隔值的序列,标准具的不同的n个透射函数应用于输入光场,输入光场对由检测器的像素矩阵检测的n个波长λ1,…λN的光分量的检测有不同程度的影响。这允许通过处理n帧的图像数据来重建对象的光谱。因此,根据本专利技术的一个广义方面,提供了一种用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统,该系统包括:检测器的像素矩阵;像素矩阵之前的色散单元;和控制系统,包括:控制器,所述控制器用于在n个图像采集过程中调谐色散单元以提供n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓;以及控制单元,所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由所述n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块,每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像,并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓;所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。色散单元的透射轮廓是波长和色散单元的可调参数(例如,间隔)的函数。多个图像数据块是色散单元的多个透射轮廓和待确定对象的光谱的函数。色本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统,该系统包括:检测器的像素矩阵;像素矩阵前方的色散单元;和控制系统,包括:控制器,所述控制器用于在n个图像采集过程中调谐色散单元以提供n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓的控制器;以及控制单元,所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由所述n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块的控制单元,每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像,并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓;所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.30 US 62/198,7891.用于重建对象的光谱数据的高光谱成像系统,该系统包括:检测器的像素矩阵;像素矩阵前方的色散单元;和控制系统,包括:控制器,所述控制器用于在n个图像采集过程中调谐色散单元以提供n个不同的、部分重叠的光谱透射轮廓的控制器;以及控制单元,所述控制单元与检测器进行数据通信、并配置为和可操作用于分别处理由所述n个图像采集过程中的像素矩阵生成的n个图像数据块的控制单元,每个图像数据块指示由像素矩阵检测的光谱图像,并且对应于色散单元的不同光谱透射轮廓;所述控制单元并确定对象的重建光谱数据。2.如权利要求1所述的成像系统,其中,色散单元包括配置有宽光谱范围的标准具。3.如权利要求1或2所述的成像系统,其中,色散单元的透射轮廓是波长和色散单元的可调参数的函数。4.如权利要求1-3任意一项所述的成像系统,其中,多个图像数据块是色散单元的多个透射轮廓和待确定对象的光谱的函数。5.如前述任意一项权利要求所述的成像系统,其中,通过色散单元的光通路在像素矩阵处提供图像数据的波长多路复用,以使得像素点的检测光强度对应于与色散单元的透射率函数多路复用的图像的光谱数据。6.如权利要求2-5任意一项所述的成像系统,其中,标准具配置为通光孔径法布里-珀罗标准具。7.如权利要求6所述的成像系统,配置为和可操作用于双模式成像,可选择地以标准彩色成像模式和高光谱成像模式操作。8.如前述任意一项权利要求所述的成像系统,其中,检测器配置为单色或彩色检测器。9.如前述任意一项权利要求所述的成像系统...

【专利技术属性】
技术研发人员:阿里尔·瑞兹大卫·蒙德拉维克
申请(专利权)人:科技创新动量基金以色列有限责任合伙公司
类型:发明
国别省市:以色列,IL

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