[发明专利]一种快速多光谱成像装置

权利要求书

1.一种快速多光谱成像装置，其特征在于能够单次曝光获取连续多个光谱信息，该多光谱成像装置包括：成像镜头(1)、闪耀光栅(2)、掩膜(3)、带通滤波器(4)、中继透镜(5)和灰度相机(6)，且自左向右依次设置；成像镜头(1)将放置在成像镜头(1)正前方的观测样本(7)的实像映射在光栅(2)表面，光栅(2)表面的像经过中继透镜(5)映射到灰度相机(6)像素阵列上；此时，由于光栅(2)表面的实像经过中继透镜(5)重新聚焦在灰度相机(6)上，因此在相机上能够看到观测物体清晰地像；

掩膜(3)放在光栅(2)后表面与中继透镜(5)之间，靠近光栅(2)一侧的位置；带通滤波器(4)让光栅(2)后表面出射光中闪耀角对应的+1级中某一段连续光谱通道内的光线通过；通过灰度相机(6)拍摄得到被掩膜(3)调制之后的观测样本(7)的图像。

2.根据权利要求1所述的一种快速多光谱成像装置的实现方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：成像镜头(1)将放置在成像镜头(1)正前方的观测样本(7)的实像映射在光栅(2)表面，光栅(2)表面的像经过中继透镜(5)映射到灰度相机(6)像素阵列上；此时，由于光栅(2)表面的实像经过中继透镜(5)重新聚焦在灰度相机(6)上，因此在相机上能够看到观测物体清晰地像；

步骤2：掩膜(3)放在光栅(2)后表面与中继透镜(5)之间，靠近光栅一侧的位置；带通滤波器(4)让光栅后表面出射光中闪耀角对应的+1级中某一段连续光谱通道内的光线通过；

步骤3、通过灰度相机(6)拍摄得到被掩膜(3)调制之后的观测样本(7)的图像，此图像只有一张照片,即二维数据I,该二维数据为n个连续光谱通道对应带编码光谱响应图像的叠加，即定义该二维数据I为掩膜编码图像；

步骤4：在光栅后面放置掩膜(3)，掩膜作用是通过其打印的透光与不透光组合图案对光谱图像进行随机采样，该采样图案记为编码Ф，将光谱图像进行稀疏表示的过完背字典记为D，该字典为一个大尺度矩阵；由于光栅的色散作用，不同波段的光谱信号对应折射角度不同，因此照射到的掩膜图案之间存在一个平移关系，因此不同光谱通道下的光谱响应图像h_i对应的掩膜编码Φ_i各不相同，并且存在平移关系；

期望得到的三维光谱数据h可以表示为：

其中的α满足稀疏性约束，使得α稀疏化的优化问题可以表示为：

当成像镜头(1)正前方无观测样本(7)时，相机视野中获得的即只是单纯的掩膜编码图案Φ，对于单一光谱通道而言，第i个光谱通道下掩膜编码为Φ_i；当成像镜头(1)正前方有观测样本(7)时，第i个光谱通道下观测样本(7)的掩膜编码图像为二维数据I_i，I_i＝Φ_i×h_i＝Φ_i×D_i×α，其中Φ_i和D_i已知，应用压缩感知相关技术，使用matlab中的spg_bpdn函数来进行L1范数正则化最小二乘法求解优化问题即可求出第i个光谱通道下样本的光谱响应图像h_i；

步骤5：使用不同的掩膜编码Φ_i即可求解出其对应的光谱响应图像h_i，从而完成连续光谱通道信息的求解，从而得到三维光谱数据h＝{h₁,h₂,……,h_n}。