光学装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种高光谱成像装置(100)，包括用于从场景(106)接收光场的入射件(102)、编码器(108)、至少一个色散元件(110、112)、至少一个阵列检测器(114、116)和处理器(118)。编码器(108)被布置为从入射件(102)接收光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场(120)和第二编码光场(122)。至少一个色散元件(110、112)被布置为分别向第一编码光场(120)和第二编码光场(122)施加光谱剪切，以提供第一剪切光场(124)和第二剪切光场(126)。至少一个阵列检测器(114、116)被布置为检测第一剪切光场(124)和第二剪切光场(126)。处理器(118)被布置为处理至少一个阵列检测器(114、116)的输出信息，以确定与所述场景的高光谱图像相对应的数据立方体(128)。(128)。(128)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学装置和方法


[0001]本公开涉及一种高光谱成像装置和一种高光谱图像获取方法。

技术介绍

[0002]高光谱成像涉及获取场景的三维数据立方体，通过一个光谱域和两个空间域收集强度。数据立方体的格式为I(x，y，λ)。数据立方体的每个切片都包括与特定波长的光相对应的xy图像。传统的高光谱成像仪依赖于两种主要的捕获方法：使用扫描2D传感器捕获数据立方体，或者在后处理之后对要检索的光谱信息进行空间多路复用。扫描成像仪在方向上受到限制并且必须扫描(因此得名)，这是一个需要相当长时间并引入运动伪影的过程。多路复用成像仪在很大程度上避免了扫描引入的误差，但是需要大量牺牲空间信息或复杂的传感器来实现高光谱成像。多路复用成像仪的分辨率有限和/或难以制造。
[0003]为了实现单次高光谱捕获并避免多路复用光谱仪的分辨率牺牲，已经尝试了算法成像方法。最著名的例子是编码孔径快照光谱成像仪(CASSI)及其变体。CASSI依赖于压缩感知
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一种用于重建欠定线性系统的信号处理框架。通过将输入信号处理成可用于压缩感知重建的格式，CASSI可以根据从常规二维检测器的单次曝光获得的信号来重建高光谱数据立方体。然而，虽然CASSI在没有显著牺牲空间分辨率或复杂的多路复用的情况下实现单次成像，但是它只能以有限的分辨率捕获数据立方体，偶尔会出现伪影。
[0004]本公开的目的是克服或至少改善与已知的高光谱成像装置和高光谱成像方法相关联的缺点。

技术实现思路

[0005]根据本公开的第一方面，提供了一种高光谱成像装置，其包括用于从场景接收光场的入射件、编码器、至少一个色散元件、至少一个阵列检测器和处理器。编码器被布置为从入射件接收光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场。至少一个色散元件被布置为分别向第一编码光场和第二编码光场施加第二光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场。至少一个阵列检测器被布置为检测第一剪切光场和第二剪切光场。处理器被布置为处理至少一个阵列检测器的输出信息，以确定与场景的高光谱图像相对应的数据立方体。
[0006]成像装置可以被配置为从单个照片(例如，来自第一阵列检测器和第二阵列检测器的一帧数据)获得数据立方体。在一些实施例中，成像装置可以被配置为从多于一个照片(例如，从两个照片、三个照片或更多个照片)获得数据立方体。
[0007]在检测到的光场中提供多于一个编码图案使得能够进行原始高光谱数据立方体的断层摄影重建，从而提高了基于单个编码图案捕获数据的方法的保真度。
[0008]在一些实施例中，可以提供和检测多于两个编码光场，例如，可以存在四个不同的编码光场(并且每个编码光场可以具有不同的编码)。
[0009]在一些实施例中，可以存在单个检测器和可重新配置的编码器装置。在这样的实
施例中，第一空间图案和第二空间图案可以在时间上分离，其中编码器在第一剪切光场和第二剪切光场的检测之间被重新配置。在这样的实施例中可以使用单个色散元件(例如，在可重新配置的编码器和单个检测器之间)。
[0010]在其他实施例中，编码器可以被布置为提供空间上分离的第一编码光场和第二编码光场。
[0011]第一光场和第二光场可以包括互补的空间图案(无论第一编码光场和第二编码光场在空间上还是在时间上分离)。互补的空间图案可以是互补的随机或伪随机空间图案。
[0012]编码器可以被配置为在不同方向上反射第一编码光场和第二编码光场。
[0013]一些实施例可以组合编码光场的空间和时间分离，检测时间上和空间上分离的编码光场(例如，通过提供空间上分离的第一光场和第二光场的可重新配置的编码器，并且利用不同的编码器图案从检测器收集多于一个照片)。
[0014]有利地，利用互补的空间图案编码并在检测之前单独剪切的光场的第一和第二副本的生成在数据立方体重建中提供了更高的保真度。这类似于断层摄影，由此第一和第二副本有效地对应于数据立方体沿不同方向的投影，从而提供关于数据立方体的附加信息，而不是仅使用单个剪切和编码的副本。编码和剪切与两个或更多个副本的检测的组合可以被称为压缩断层摄影。
[0015]至少一个色散元件可以包括第一色散元件和第二色散元件，第一色散元件被配置为向第一编码光场施加第一光谱剪切，第二色散元件被配置为向第二编码光场施加第二光谱剪切。
[0016]至少一个色散元件可以是或包括透射式色散元件。第一色散元件和第二色散元件中的一者或两者可以是透射式色散元件。
[0017]第一光谱剪切和第二光谱剪切可以具有不同的大小。
[0018]第一光谱剪切和第二光谱剪切可以具有不同的空间方向。
[0019]编码器可以包括数字微镜装置、静态掩模、液晶装置(例如，硅基液晶)。
[0020]编码器可以是或包括透射式编码器。编码器和至少一个色散元件都可以是透射式的。使用透射式部件可以使高光谱成像装置更易小型化，特别是当执行压缩断层摄影时。
[0021]编码器可以包括被配置为提供第一编码光场的第一编码器部分和被配置为提供第二编码光场的第二编码器部分。第一编码器部分和第二编码器部分可以设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上或沿着相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径设置。第一离散成像路径和第二离散成像路径可以彼此平行。离散成像路径可以避免对诸如分束器的反射元件的需求，这可以进一步使高光谱成像装置更易小型化。
[0022]第一色散元件及第二色散元件可设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上。
[0023]高光谱成像装置还可以包括光谱编码器，该光谱编码器被配置为在至少一个阵列检测器对第一剪切光场和第二剪切光场进行检测之前对第一剪切光场和第二剪切光场进行光谱编码。这使得高光谱成像装置能够在空间域和光谱域两者中进行编码。这在编码中提供了额外的自由度，因此允许数据立方体的采样中具有更高程度的不相干性(随机性)，并且进而可以改善数据立方体的重建。
[0024]光谱编码器可以包括被配置为对第一剪切光场进行光谱编码的第一光谱编码器
部分，以及被配置为对第二剪切光场进行光谱编码的第二光谱编码器部分。第一光谱编码器部分和第二光谱编码器部分可以设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上或沿着相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径设置。光谱编码器可以是透射式编码器。
[0025]至少一个阵列检测器可以包括第一阵列检测器和第二阵列检测器，第一阵列检测器和第二阵列检测器分别被布置为检测第一剪切光场和第二剪切光场。
[0026]高光谱成像装置还可以包括分束器和第三阵列检测器，其中分束器布置在入射件和编码器之间，并且被布置为将光场的一部分提供给第三阵列检测器并将光场的剩余部分提供给编码器。
[0027]提供给第三阵列检测器的光场的部分可以是未剪切的(或光谱非分散的)。
[0028]高光谱成像装置还可以包括位于入射件和编码器之间的聚焦或中继元件。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高光谱成像装置，包括用于从场景接收光场的入射件、编码器、至少一个色散元件、至少一个阵列检测器和处理器，其中：所述编码器被布置为从所述入射件接收所述光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场；至少一个色散元件被布置为分别向所述第一编码光场和第二编码光场施加光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场；至少一个阵列检测器被布置为检测所述第一剪切光场和第二剪切光场；以及所述处理器被布置为处理所述至少一个阵列检测器的输出信息，以确定对应于所述场景的高光谱图像的数据立方体。2.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器被布置为提供空间上分离的第一编码光场和第二编码光场，所述第一编码光场和第二编码光场具有互补的空间图案。3.根据权利要求2所述的高光谱成像装置，其中，所述互补的空间图案是互补的随机或伪随机空间图案，和/或其中，所述空间图案是二进制的。4.根据权利要求2或3所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个色散元件包括第一色散元件和第二色散元件，所述第一色散元件被配置为向所述第一编码光场施加第一光谱剪切，所述第二色散元件被配置为向所述第二编码光场施加第二光谱剪切。5.根据权利要求4所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个阵列检测器包括第一阵列检测器和第二阵列检测器，所述第一阵列检测器和所述第二阵列检测器分别被布置为检测所述第一剪切光场和所述第二剪切光场。6.根据权利要求5所述的高光谱成像装置，还包括分束器和第三阵列检测器，其中，所述分束器布置在所述入射件和所述编码器之间，并且被布置为将所述光场的一部分提供给所述第三阵列检测器，并将所述光场的剩余部分提供给所述编码器。7.根据权利要求5所述的高光谱成像装置，其中，提供给所述第三阵列检测器的光场的所述部分是未剪切的。8.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，施加到所述第一和第二编码光场的所述光谱剪切具有不同的大小和/或不同的空间方向。9.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器包括数字微镜装置。10.根据权利要求1至8中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器和所述至少一个色散元件中的一者或两者是透射性的。11.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器包括被配置为提供所述第一编码光场的第一编码器部分和被配置为提供所述第二编码光场的第二编码器部分。12.根据权利要求11所述的高光谱成像装置，其中，所述第一编码器部分设置在第一离散成像路径上，并且所述第二编码器部分设置在第二离散成像路径上。13.根据间接地从属于权利要求4的权利要求12所述的高光谱成像装置，其中，所述第一色散元件设置在所述第一离散成像路径上，并且所述第二色散元件设置在所述第二离散成像路径上。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的高光谱成像装置，其中，所述第一离散成像路径和所述第二离散成像路径彼此平行。15.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，还包括光谱编码器，所述光谱编码器被布置为在所述至少一个阵列检测器对所述第一剪切光场和第二剪切光场进行检测之前对所述第一剪切光场和第二剪切光场进行光谱编码。16.根据权利要求15所述的高光谱成像装置，其中，所述光谱编码器包括第一光谱编码器部分和第二光谱编码器部分，所述第一光谱编码器部分被配置为对所述第一剪切光场进行光谱编码，所述第二光谱编码器部分被配置为对所述第二剪切光...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宾，
申请(专利权)人：牛津大学创新有限公司，
类型：发明
国别省市：