[发明专利]区分荧光辐射光谱图像和反射光谱图像的成像系统及方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及区分荧光辐射光谱图像和反射光谱图像的成像系统及方法。

【背景技术】

高光谱成像是关于获取单个场景点的几十甚至更多的光谱信息的技术。高光谱成像所获得的高光谱图像集可以被看成是由空间维度(两维)和光谱维度(一维)组成的三维数据。高光谱成像技术常被用于遥感拍摄、生物医学分析、材料分析等领域。依托于这些应用，许多高光谱成像方法已经被提出。传统的高光谱成像方法牺牲时间维度以满足对光谱维度的要求，采用时序光谱扫描的方式完成成像。为克服这种弊端，实现对动态场景的高光谱分析，一些方法尝试将光谱维度映射到空间维度上，采用空间变化的滤色片或者可调谐的光谱滤波器完成这个任务。另外的方法，则尝试利用高光谱图像的稀疏性，利用压缩感知的原理，在一次曝光成像的图片中恢复出高光谱图像。但这些高光谱成像方法都没有考虑荧光材料的特殊光谱特性。

对于一般的非荧光材料，材料表面反射出来的光谱并不改变入射光的光谱谱段，本方法称这种光谱为反射光谱。而荧光效应，是指一种荧光材料，会吸收特定波长的光，进而辐射出波长更长波段的荧光，本方法称它吸收的光谱为荧光吸收光谱，辐射的光谱为荧光辐射光谱。然而，传统的高光谱成像技术并没有考虑这种荧光效应，更无法区分出场景中的反射光谱和荧光辐射光谱。

对于含有荧光材料的静态场景，有很多公开方法可以用来区分反射光谱和荧光辐射光谱。双光谱扫描通过不断改变光源和成像的谱段，能够准确获取每一对入射光谱和辐射光谱的数据，但时间和工作的开销大大限制了它的应用。独立成分分析(Independent Component Analysis)也可以用来实现对荧光辐射光谱和反射光谱的区分，但区分的效果并不十分理想，同时也受限于光谱的分布特性。通过利用荧光效应的同分布特性(同一荧光材料辐射出光的光谱分布相同)，简单的数学计算就可以从在多幅(不少于3)不同光照下的高光谱图像集中分离出荧光辐射光谱图像和反射光谱图像。同样，分别在两束互补的光谱高频光下捕获高光谱数据也可以比较容易的区分反射光谱图像和荧光辐射高光谱图像。然而，以上这些方法因为采用了普通的谱段扫描的高光谱成像系统，而受限于静态的场景分析。

在自然世界中，荧光材料广泛存在，而且荧光特性只是荧光材料的一部分，一般的光谱反射特性它同样具有。

【发明内容】

为了实现对动态场景中荧光材料的分析，本发明提出了一种区分荧光辐射光谱图像和反射光谱图像的成像系统及方法。

区分荧光辐射光谱图像和反射光谱图像的成像系统，包括：物镜、第一光栅、第一凸透镜、第二凸透镜、蒙板、第三凸透镜和光传感器，场景辐射的荧光和反射的光依次经过所述物镜、第一光栅、第一凸透镜、第二凸透镜、蒙板和第三凸透镜到达所述光传感器。

在一个实施例中，还包括空间光调制器，用于依次调制出光谱上互不重叠的两束光照射到所述场景。

在一个实施例中，还包括光源、第四凸透镜、第二光栅、第五凸透镜，所述光源的光依次经过所述第四凸透镜、第二光栅和第五凸透镜到达所述空间光调制器。

在一个实施例中，还包括滤波片，所述滤波片设置在所述光传感器与第三凸透镜之间。

在一个实施例中，所述空间光调制器为Lcos空间光调制器。

本发明还提供了区分荧光辐射光谱图像和反射光谱图像的成像方法，包括如下步骤：

S1、调制光谱上互不重叠的第一束光和第二束光，其中，所述第一束光和第二束光的频率大于设定频率；

S2、将所述第一束光和第二束光依次照射含有荧光材料的场景，所述场景辐射的荧光和反射的光依次经过物镜、光栅、第一凸透镜、第二凸透镜、蒙板和第三凸透镜到达光传感器；

S3、所述光传感器依次捕获第一束光照射所述场景对应的第一图像i₁和第二束光照射所述场景对应的第二图像i₂，第一图像i₁和第二图像i₂均包括荧光辐射光谱图像f和反射光谱图像r：

i₁＝φ(l₁·r+k₁·f)

i₂＝φ(l₂·r+k₂·f)

基于字典进行稀疏表示有如下关系：

f＝D_fα_f

r＝D_rα_r