[发明专利]一种快速多光谱成像装置

说明书

本发明公开了一种用于多光谱成像的光路装置及其实现方法。本发明包括成像镜头，闪耀光栅，掩膜，带通滤波器，中继透镜，灰度相机。成像镜头作用与传统相机的镜头相同，用来获取场景的二维图像信息并投射到光栅表面。光栅会将场景不同光谱波长下的反射光色散到不同角度上，带通滤波器将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，其他波段以及其它光栅级上的光线屏蔽掉。此时掩膜处于光栅与中继透镜中间，靠近光栅一侧，光栅将成像镜头投射在光栅表面的光线色散开，经过光栅色散后的光会照射在掩膜表面，经过掩膜的调制之后，经过中继透镜记录在相机的传感器阵列上。本发明可以记录连续多个光谱通道信息，并且可以用于记录动态场景的光谱成像。

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，是一种快速多光谱成像装置。

背景技术

相比于传统的成像技术，多光谱成像在会在拍摄场景二维图像的同时，记录其光谱信息，将二维空间与一维光谱信息记录下来。光谱成像技术可以增加记录信息的丰富程度，有利于后期分析与处理。光谱成像技术初期，使用的是传统的方法获取光谱信息，即通过窄带滤光片来记录对应波长处的二维空间信息与光谱信息。该方法精度高，易于实现，缺点是只能够获取有限多个光普通道信息，且光谱信息不连贯。同时，此方法无法同时记录不同光谱通道上的光谱信息，因此只能实现静态场景的光谱成像。

快速多光谱成像技术可以实现几十个光谱通道的获取，因此光谱数据更加丰富。因此，快速多光谱成像技术可以有效地解决早期光谱成像技术中光谱通道少，无法处理动态场景图像获取的问题。

发明内容

本发明提出一种快速多光谱成像装置。

本发明提供了一种用于多光谱成像的光路装置，该装置包括成像镜头，闪耀光栅，掩膜，带通滤波器，中继透镜，灰度相机。成像镜头作用与传统相机的镜头相同，用来获取场景的二维图像信息并投射到光栅表面。光栅会将场景不同光谱波长下的反射光色散到不同角度上，带通滤波器将闪耀光栅亮度最高的+1级中待记录的光谱波段单独通过，其他波段以及其它光栅级上的光线屏蔽掉。此时掩膜处于光栅与中继透镜中间，靠近光栅一侧，光栅将成像镜头投射在光栅表面的光线色散开，经过光栅色散后的光会照射在掩膜表面，经过掩膜的调制之后，经过中继透镜记录在相机的传感器阵列上。

一种快速多光谱成像装置的实现方法，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：