基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统技术方案

一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，该系统的构成至少包括前置成像物镜、随机波前相位调制器、光电探测器和计算机，所述的前置成像物镜将物面成像于第一成像面上，在该第一成像面后设置随机波前相位调制器和光电探测器，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入端相连。该压缩光谱成像系统基于压缩感知理论，对光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。它可以工作在单次多点测量模式或多次多点测量模式，也可以工作在多次单点测量模式，且探测单元无需在探测面上紧密排布，排布形状可以随意选择。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压缩光谱成像系统，特别是一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统。
技术介绍
光谱成像是同时获取物体的两维空间图像信息和一维光谱信息的过程，是对三维数据进行采集的过程，其数据形式如图I所示。它同时实现成像和光谱分光的功能。由于现有探测器是两维的，所以在传统光谱成像系统中，都需要时间扫描来获得三维光谱图像数据。由于光谱成像数据量大，降低探测单元数目以及降低扫描时间是光谱成像
亟需解决的问题。 压缩感知理论是一种全新的信号采集、编解码理论。它在信号采集阶段对数据进行压缩，降低了数据采集量，为光谱成像技术中要求降低探测数据量的问题提供了一个 良好的解决途径。其基本原理如下假设待测信号X的长度为N，存在某组正交基Ψ =，将X在该组正交基下展开，使得X = ψχ,，X,只含有少数几个非零元素，或者Γ中大部分元素值相对于其他元素值很小。也就是说，信号X在正交基Ψ下是稀疏或可压缩的。在此条件下，采用与Ψ不相关的测量矩阵Φ对X进行投影测量，得到长度为M的矢量Y，即Y = Φ ΨΧ'。通过求解非线性优化问题_4] min+ll,-φμ, + Φ Ι,(1)可以在Μ〈〈Ν的条件下，以很大概率重构出X。这里M是所需采集的数据点数，N是恢复出的数据点数，可以看出采用该理论可以大大降低数据采集量。与传统信号采集过程不同，基于该理论的信号采集过程包括两个步骤第一个步骤是用与信号的稀疏表达基不相关的测量基，对信号作投影测量；第二个步骤是通过非线性优化算法，重构信号。利用压缩感知理论，可以对信号进行压缩采集的条件是信号X在某一表达基Ψ下是稀疏的，测量矩阵Φ与表达矩阵Ψ是不相关的。自然界中大部分物体的图像信息在某一正交基(比如小波变换基)下展开是稀疏或可压缩的。高斯随机测量矩阵与任意正交基都不相关，是良好的测量矩阵的候选。这为压缩感知理论在成像中的应用奠定了理论基础。基于压缩感知理论，美国Rice大学的科研人员提出了单像素相机。该相机只用一个单像素探测器进行多次测量，即可对物体进行二维成像。它通过数字微镜器件，使一部分空间位置处的光透过，其他位置处的光损失掉，即对待测物体的空间图像进行空间随机振幅调制，来实现将包含物体的二维空间图像信息的数据整体在互不相关的随机测量基下进行投影测量，用单像素探测器记录该投影测量结果，再通过非线性优化算法重构出图像。把该单像素相机接上传统的光谱分光系统，比如由光栅和线阵探测器构成的分光系统，就可实现光谱成像。受到数字微镜器件窗ロ材料透射谱段及尺寸的限制，将该压缩成像方案推广运用到中、远红外成像领域存在困难。此夕卜，该数字微镜器件起到振幅调制的作用，它导致损失一半光能量。美国Duke大学的研究人员研制出了基于空间随机ニ元振幅编码的压缩成像光谱仪。它先将物体成像于第一成像面上，在该成像面上放置ニ元振幅掩模板对物体的像进行振幅调制，将调制后的像通过ー个分光棱镜后成像于第二成像面上，在该第二成像面上放置面阵探测器进行探測。在该成像光谱仪中，只在光谱维进行全局投影測量，并实现压缩采集。在空间维并没有使用全局投影測量，因此在空间维并没有实现压缩采集。另外，该系统要通过移动振幅掩模来实现较高的空间分辨率，且在光调制阶段会损失一半的光能。上述压缩光谱成像系统，从原理上都是基于对光场的强度调制来实现成像的。根据现有的成像理论，采用波前相位调制也可以实现成像。传统的透镜成像就是ー种基于波 前相位调制的成像。该系统采用的波前相位调制函数iexP。在不考虑透镜口径限制的情况下，经过这ー调制，它将物面上的一个点源映射成像面上的ー个点源。即它的点扩散函数是ー个点，直接測量像面上的光强分布就得到了物体的图像信息。改变这一相位调制函数，将改变点扩散函数的空间分布，实现物空间到像空间的一点到多点映射。这时，測量像面上的光强分布不能直接得到物体的图像信息，需要再经过后期数据处理，恢复出原始物体的图像信息。这是基于波前相位调制成像的一般原理。目前已经报道的基于波前相位调制的成像并不是基于压缩感知理论的成像，并不能解决降低探測单元个数或減少探测时间的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，以解决降低探測单元个数或減少探测时间的问题。该压缩光谱成像系统基于压缩感知理论，对光谱图像数据进行三维压缩采集，大大降低了数据采集量。它可以工作在单次多点测量模式或多次多点测量模式，也可以工作在多次单点测量模式，且探测単元无需在探測面上紧密排布，排布形状可以随意选择。随机波前相位调制器对光场进行随机波前相位调制，它将物面上的一个点源映射为像面上的随机光强分布，即散斑场。该系统的測量矩阵的某一列对应的是物面上某个位置上、某个中心波长的窄带点源形成的散斑场。该测量矩阵是一个随机矩阵。物面上不同位置或不同波长的窄带点源形成的散斑场是不相关的，相应地，測量矩阵的不同列是不相关的。因此，该系统的测量方式满足压缩感知的条件。从数据获取角度来看，该系统分两步来完成数据获取。第一步为数据测量把包含待测物体的ニ维空间图像信息和ー维光谱信息的数据全体在互不相关的随机测量基下作投影測量，用光电探测器记录各投影测量結果。第二步为数据重构通过非线性算法[参见文献3，M. Figueiredo, R. Nowak, and Wright, “gradient projection for sparse reconstruction:ApplIcation tocompressed sensing and other inverse problems, ” IEEE J. Sel. Top. Signal Process,vol. I, no. 4，pp. 586 - 598，2007.]，从测量信号中重构出待测物体的ニ维空间图像信息和光谱信息。本专利技术的技术解决方案如下一种压缩光谱成像系统，其特点在于该系统的构成包括前置成像物镜、随机波前相位调制器和光电探测器，所述的前置成像物镜将物面成像于第一成像面上，在该第一成像面后设置随机波前相位调制器和光电探测器，所述的光电探测器置于原始探測面上，所述的光电探测器的输出端与计算机的输入端相连。在所述的随机波前相位调制器和光电探测器之间还有第一放大成像透镜，该第一放大成像透镜置于所述的随机波前相位调制器后，所述的光电探测器置于所述的第一放大成像透镜的成像面上。还有色散元件，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件位于第一放大成像透 镜和光电探测器之间。还有色散元件和第二放大成像透镜，该色散元件是光学棱镜或光栅，该色散元件和第二放大成像透镜置于第一放大成像透镜和光电探测器之间，所述的光电探测器置于第一放大成像透镜、色散元件和第二放大成像透镜的成像面上。所述的随机波前相位调制器是透射式器件或反射式器件，所述的随机波前相位调制器具有位置移动和锁定的机构。所述的前置成像物镜是望远镜、照相物镜或显微物镜。所述的光电探测器是单点探測器或多点探測器。所述的多点探測器的各探测单元在探測平面上的分布为线状排列、方形排列或无规则排列。该系统对光谱和ニ维空间信息同时进行投影測量，采用了三维数据压缩采集方式；或系统工作在ニ维压缩采集模式下，将成像和光谱分光分成两部分，只对ニ维图像空间进行压缩采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统，其特征在于该系统的构成包括前置成像物镜（2）、随机波前相位调制器（4）、光电探测器（6）和计算机（7），所述的前置成像物镜（2）将物面（1）成像于第一成像面（3）上，在该第一成像面（3）后设置随机波前相位调制器（4）和光电探测器（6），所述的光电探测器（6）置于原始探测面（5）上，所述的光电探测器（6）的输出端与计算机（7）的输入端相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩申生，吴建荣，沈夏，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：