棱镜-阶梯镜面调制的光谱视频成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种棱镜

【技术实现步骤摘要】
棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统


[0001]本专利技术涉及一种全光通量的棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，属于光谱成像领域
。

技术介绍

[0002]受人眼对三原色感知的启发，传统相机利用贝尔排列的滤色镜来记录视觉信息，但是现实世界中光照光谱和反射率光谱具有多样性和复杂性，采用简单的三色表示方法无法捕捉自然场景光谱的复杂细节
。
超越人眼极限的光谱成像成为新的热点研究方向，为解决复杂的计算机视觉问题提供了新的机会
。
[0003]传统光谱成像技术主要包括时序光谱滤波
、
空间点线扫描等技术，无法同时获得动态对象的具有二维空间分辨率的光谱数据，限制了其在很多基础研究领域的进一步应用
。
近年来光谱采集已经从对静态的扫描发展到对动态场景的瞬间成像，向着高速采集的方向发展，有望广泛地应用于工业监测
、
军事安全
、
燃烧科学等领域
。
[0004]随着视频帧率的提高，信号的欠采样和更短时间的单帧曝光
(
光信号积分时间减少
)
导致光通量严重降低，影响了光谱图像的重建精度和光路信噪比
。
现有的主流光谱视频成像技术：编码光圈快照光谱成像
(CASSI)、
断层扫描成像光谱仪
(CTIS)、
棱镜掩模光谱视频成像系统
(PMVIS)
在时
‑
空<br/>‑
谱三个维度之间相互掣肘的前提下进行权衡，但由空谱信号调制及较低光通量造成的成像质量低，算法时空复杂度高等问题，使现有的光谱视频成像技术，无法灵活应用于各种场景，对于成像要求较高的特定场景，现有系统和方法难以胜任
。
因此亟需一种能够提供高光通量
、
低重建复杂度的成像系统以实现光谱视频的快速
、
灵活
、
高质量获取
。

技术实现思路

[0005]针对以上现有技术的缺陷，本专利技术提供一种棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统
。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，包括场景捕获模块
、
光学准直模块
、
三维空
‑
谱调制模块
、
解耦采集模块
、
耦合采集模块和融合重建模块；所述场景捕获模块捕获到的场景信息经过光学准直模块之后，输入三维空
‑
谱调制模块；所述三维空
‑
谱调制模块进行图像切片离散
、
色散
、
光谱波段选择
、
光矢调制后，形成对场景三维光谱数据解耦并二维展开后的光谱图像，然后对经过二维展开的数据立方体进行采样并输入解耦采集模块，未采样的数据则由耦合采集模块进行耦合采集；将所述解耦采集模块和耦合采集模块采集到的两路不同尺度的光谱信息通过融合重建模块重建出完整的空谱数据立方体
。
[0008]进一步地，所述三维空
‑
谱调制模块包括图像切片装置
X1、
色散棱镜
L1、
条形周期掩模
M、
光矢调制棱镜
L2和阶梯镜面阵列
X2；所述光学准直模块使光矢方向垂直于主光轴入射至图像切片装置
X1，再依次经过色散棱镜
L1、
条形周期掩模
M、
光矢调制棱镜
L2和阶梯镜面阵
列
X2。
[0009]进一步地，所述图像切片装置
X1由在主光轴方向上紧密排列
、
在垂直主光轴方向上离散排列的与主光轴方向之间夹角为
45
°
的一组条形反射镜面构成；所述图像切片装置
X1将准直后的场景信息，沿主光轴方向均匀切片，并沿垂直主光轴的方向均匀离散
。
[0010]进一步地，所述条形周期掩模
M
的狭缝在掩模平面上等距排布，狭缝宽度和狭缝间距之比设置为
1:1
，用于实现对色散后的场景信息光谱波段的截取
。
[0011]进一步地，所述条形周期掩模
M
的周期和图像切片装置
X1的条形反射镜面的分布周期保持一致，即狭缝宽度
+
狭缝间距＝图像切片装置
X1中条形反射镜面在垂直主光轴方向上的投影宽度
d+
图像切片装置
X1中条形相邻反射镜面在垂直主光轴方向上的距离
K*d
，其中
K
为相邻条形反射镜面之间的距离与条形反射镜面宽度之比
。
[0012]进一步地，所述色散棱镜
L1和光矢调制棱镜
L2为色散面相互平行
、
直角面垂直主光轴放置的两块材质和尺寸规格完全相同的直角三棱镜，所述条形周期掩模
M
在色散棱镜
L1和光矢调制棱镜
L2间的相对位置可调
。
[0013]进一步地，所述阶梯镜面阵列
X2由在主光轴方向和垂直主光轴方向上均离散排布的矩形微反射镜面均匀排布而成，用于对平行主光轴入射的经过二维展开的场景光谱信息均匀采样，其中一部分光谱信息由反射镜反射进入解耦采集模块，未被反射镜面反射采样的光谱信息进入耦合采集模块
。
[0014]进一步地，所述矩形微反射镜面与在主光轴方向和垂直主光轴方向的二维空
‑
谱像面均呈
45
°
夹角
。
[0015]进一步地，所述微反射镜面的尺寸
S
与图像切片装置
X1中条形反射镜面在垂直主光轴方向上的投影宽度
d
相等，而且阶梯镜面阵列
X2在横向或纵向上相邻微反射镜面之间的距离与微反射镜面宽度之比
N
＝图像切片装置
X1相邻条形反射镜面之间的距离与条形反射镜面宽度之比
K。
[0016]进一步地，所述解耦采集模块由透镜和灰度相机组成，所述耦合采集模块由透镜和具有大面阵灰度相机组成
。
[0017]本专利技术的主要贡献包括以下三点：
[0018](1)
三维空谱调制的光学器件：阶梯镜面
[0019]目前现有的光谱成像系统中，常见的光路调制器件主要包括滤光片，掩模，图像切片装置，棱镜，微透镜阵列，光栅等等，但这些器件只能在二维层面对光谱数据立方体进行转化，所以在用以这些器件构成的成像系统对三维数据进行成像时，总是显得捉襟见肘，缺乏灵活性
。
因此，本专利技术引入了一个在空间上周期性离散分布的阶梯镜面对经过二维展开的数据立方体进行采样，未本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，其特征在于，包括场景捕获模块
、
光学准直模块
、
三维空
‑
谱调制模块
、
解耦采集模块
、
耦合采集模块和融合重建模块；所述场景捕获模块捕获到的场景信息经过光学准直模块之后，输入三维空
‑
谱调制模块；所述三维空
‑
谱调制模块进行图像切片离散
、
色散
、
光谱波段选择
、
光矢调制后，形成对场景三维光谱数据解耦并二维展开后的光谱图像，然后对经过二维展开的数据立方体进行采样并输入解耦采集模块，未采样的数据则由耦合采集模块进行耦合采集；将所述解耦采集模块和耦合采集模块采集到的两路不同尺度的光谱信息通过融合重建模块重建出完整的空谱数据立方体
。2.
根据权利要求1所述的棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，其特征在于，所述三维空
‑
谱调制模块包括图像切片装置
X1、
色散棱镜
L1、
条形周期掩模
M、
光矢调制棱镜
L2和阶梯镜面阵列
X2；所述光学准直模块使光矢方向垂直于主光轴入射至图像切片装置
X1，再依次经过色散棱镜
L1、
条形周期掩模
M、
光矢调制棱镜
L2和阶梯镜面阵列
X2。3.
根据权利要求2所述的棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，其特征在于，所述图像切片装置
X1由在主光轴方向上紧密排列
、
在垂直主光轴方向上离散排列的与主光轴方向之间夹角为
45
°
的一组条形反射镜面构成；所述图像切片装置
X1将准直后的场景信息，沿主光轴方向均匀切片，并沿垂直主光轴的方向均匀离散
。4.
根据权利要求3所述的棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱视频成像系统，其特征在于，所述条形周期掩模
M
的狭缝在掩模平面上等距排布，狭缝宽度和狭缝间距之比设置为
1:1
，狭缝用于实现对色散后的场景信息光谱波段的截取
。5.
根据权利要求4所述的棱镜
‑
阶梯镜面调制的光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹汛，吕涛，施展，陈林森，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：