主动式高光谱成像设备制造技术

披露了一种生成高光谱图像的系统和方法，该高光谱图像可以对应于三维图像，其中两个维度对应于空间视场，第三维度对应于频域吸收光谱。所披露的系统和方法包括那些采用双光频率梳傅立叶变换光谱法以及计算成像来生成高光谱图像的系统和方法。这种组合有利地使成像系统呈现出低尺寸、重量和功率，从而实现小型或手持尺寸的成像设备。

Active hyperspectral imaging equipment

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】主动式高光谱成像设备相关申请的交叉引用本申请要求于2017年4月19日提交的序列号为62/487,366的美国临时申请的利益和优先权，其内容通过引用并入本文。
技术介绍
存在有用于生成数字图像的各种成像技术。通常，多像素传感器用于捕获场景的图像，并且可以采用不同的感测技术，例如电荷耦合器件(charge-coupleddevice，CCD)像素阵列或互补型金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)像素阵列。为了获得彩色图像，可以使用滤波或色散来将不同的波长范围导向各个像素传感器。也可以使用多个彩色像素传感器。虽然这些技术在可见光谱中是有用的，其中可以使用三种不同的颜色(例如，红、绿、蓝)来生成“全彩色”图像，但当明确希望获得不同波长的详细信息时，成像系统将变得非常复杂。作为一个示例，一些具有这种特性的成像系统除了包含多个像素传感器阵列之外，还将包含频率扫描部件。
技术实现思路
本专利技术一般涉及用于在一定电磁频率范围内生成数字图像的系统和方法。更具体地，本专利技术的实施例提供了用于(例如，通过低尺寸、重量和功率(SWAP)设备)生成高光谱图像的系统和方法，其可以不使用或不需要频率滤波部件、频率扫描部件或色散元件。在实施例中，本文描述的系统和方法使用频率梳作为宽带电磁辐射源，用于在一定频率范围内照射场景。进行照射的电磁辐射可以通过通常的反射、散射和吸收过程与场景中的对象相互作用，并且来自场景的电磁辐射被捕获以进行探测。检测到的电磁辐射被用于重建不同频率的场景的数字图像。在一个方面，披露了一种成像设备。例如，在一些实施例中，一种成像设备包括：第一频率梳源，其用于以第一重复率生成第一频率梳；第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射对象；收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；以及检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生一组干涉图。可以理解的是，该方面的成像设备是有用的，例如，用于执行双频率梳傅立叶变换光谱法。这方面的成像设备还可以包括处理器以及与所述处理器数据通信并包括处理器可执行指令的非瞬时性计算机可读存储介质，该成像设备可以可配置所述处理器来执行特定的操作、指令或方法。例如，所述成像设备还可以包括处理器，其被配置以利用所述一组干涉图和所述一组参考场来生成所述对象的高光谱数字图像。所述处理器对于傅立叶变换光谱法和/或数字图像处理和/或重建的执行方面可能是有用的。例如，生成所述对象的所述高光谱数字图像可选地包括：(例如通过使用所述处理器)计算所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。可选地，生成所述对象的所述高光谱数字图像包括：例如通过使用所述处理器，利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行编码孔径成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行计算鬼影成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行阿达玛变换成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者利用所述一组干涉图集和所述一组参考场集来执行傅立叶变换零差成像重建算法。可以理解的是，所述高光谱数字图像可以对应于所述对象的三维表示，包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。各种频率梳源对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，所述第一频率梳源或所述第二频率梳源包括、或者这两者均包括：近红外(NIR)飞秒激光源、晶体微谐振器、硅光学微谐振器、掺铒光纤激光器、光子晶体光纤或其任意组合。可选地，所述第一重复率和所述第二重复率可以以10-5～10-7的因子进行偏离。各种空间编码器对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，所述空间编码器可选地包括：数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列、可变形反射镜或其任意组合。可以理解的是，所述空间编码器对于改变参考光束的空间强度分布可能是有用的。在一些实施例中，所述空间编码器可以被用于修改所述询问光束的空间强度分布。各种检测器对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，在一个实施例中，所述检测器包括单个像素检测器。可选地，所述检测器包括多个像素检测器。可选地，所述多个像素中的每一个像素的输出可以被相加以提供总输出，这样可以使多个像素检测器等同于单个像素检测器进行操作。可选地，所述检测器包括：宽带红外检测器、短波长红外检测器、中波长红外检测器和长波长红外检测器中的一个或多个。可选地，所述检测器包括热电冷却检测器。各种光学元件对于本文披露的成像设备和方法是有用的。例如，在不受限制的情况下，所述成像设备可以包括更少的或额外的光学元件，如任意附图中所示出的。可选地，所述第一光束组合器或所述第二光束组合器包括分束器、或者这两者均包括分束器。可选地，所述收集光学器件包括所述反射望远镜。可选地，所述成像设备还包括透镜、反射镜、分束器、滤波器、棱镜、偏振镜、波导或其任何组合中的一个或多个。额外的光学元件可被定位成与例如所述第一频率梳源、所述第二频率梳源、所述第一光束组合器、所述第一分束器、所述空间编码器、所述反射望远镜、所述收集光学器件、所述第二光束组合器和所述检测器中的一个或多个光通信。另一方面，披露了一种用于生成高光谱图像的方法。例如，这方面的一些方法包括：以第一重复率生成第一频率梳；以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；利用所述询问光束照射对象，其中所述询问光束与所述对象相互作用，以生成反射光；收集所述反射光；将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；检测所述组合光束，以产生一组干涉图；利用所述一组干涉图和所述一组参考场来重建所述对象的高光谱数字图像。如上面所述的，计算系统(例如基于系统的处理器)对于执行该方面的方法的某些部分可能是有用的。在实施例中，所述高光谱数字图像对应于所述对象的三维表示，包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。各种图像重建技术对于这方面的方法是有用的，所述方法可以由处理器或计算机实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种成像设备，包括：/n第一频率梳源，其用于以第一重复率生成第一频率梳；/n第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；/n第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；/n第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；/n空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；/n反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射对象；/n收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；/n第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；以及/n检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生一组干涉图。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170419 US 62/487,3661.一种成像设备，包括：
第一频率梳源，其用于以第一重复率生成第一频率梳；
第二频率梳源，其用于以与所述第一重复率偏离的第二重复率生成第二频率梳；
第一光束组合器，其与所述第一频率梳源和所述第二频率梳源光通信，所述第一光束组合器用于将所述第一频率梳和所述第二频率梳进行组合，以生成双频率梳；
第一分束器，其与所述第一光束组合器光通信，所述第一分束器用于分离所述双频率梳，以生成询问光束和参考光束；
空间编码器，其与所述第一分束器光通信，所述空间编码器用于利用一组参考场来对所述参考光束进行空间编码，以生成编码的参考光束；
反射望远镜，其与所述第一分束器光通信，所述反射望远镜用于利用所述询问光束照射对象；
收集光学器件，其被定位以收集由所述询问光束与所述对象相互作用而生成的反射光；
第二光束组合器，其与所述空间编码器和所述收集光学器件光通信，所述第二光束组合器用于将所述反射光和所述编码的参考光束进行组合，以生成组合光束；以及
检测器，其与所述第二光束组合器光通信，所述检测器用于检测所述组合光束并且产生一组干涉图。


2.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：
处理器，其被配置以利用所述一组干涉图和所述一组参考场来生成所述对象的高光谱数字图像。


3.根据权利要求2所述的成像设备，其中，生成所述对象的高光谱数字图像包括：计算所述一组干涉图的傅立叶逆变换，其中每一个所述干涉图由对应的参考场进行空间加权。


4.根据权利要求2所述的成像设备，其中，生成所述对象的高光谱数字图像包括：利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行编码孔径成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行计算鬼影成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行阿达玛变换成像重建算法、利用所述一组干涉图和所述一组参考场来执行利用结构照射成像重建算法的通过相位检索进行的相干成像、或者利用所述一组干涉图集和所述一组参考场集来执行傅立叶变换零差成像重建算法。


5.根据权利要求2所述的成像设备，其中，所述高光谱数字图像对应于所述对象的三维表示，所述对象的三维表示包括第一空间维度、第二空间维度以及对应于频域吸收光谱的第三维度。


6.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一频率梳源或所述第二频率梳源包括、或者这两者均包括：近红外(NIR)飞秒激光源、晶体微谐振器、硅光学微谐振器、掺铒光纤激光器、光子晶体光纤或其任意组合。


7.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一重复率和所述第二重复率以10-5～10-7的因子偏离。


8.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述空间编码器包括：数字微镜装置、空间光调制器、硅上液晶装置、液晶阵列、可变形反射镜或其任意组合。


9.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述空间编码器修改所述参考光束的空间强度分布。


10.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括单个像素。


11.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括多个像素，其中来自所述多个像素中的每一个像素的输出相加以提供总输出。


12.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括：宽带红外检测器、短波长红外检测器、中波长红外检测器和长波长红外检测器中的一个或多个。


13.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述检测器包括热电冷却检测器。


14.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述第一光束组合器或所述第二光束组合器包括分束器、或者这两者均包括分束器。


15.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述收集光学器件包括所述反射望远镜。


16.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：与所述第一频率梳源、所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：马可·A·洛佩兹，伊顿·Y·C·梅，埃里克·安德森，
申请(专利权)人：DRS网络和成像系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US