[发明专利]成像系统及其光编码设备

说明书

一种光谱成像系统，包括空间编码器、光谱编码器和至少一个单像素光电探测器。空间编码器包括第一光编码设备，第一光编码设备包括用于空间编码的第一掩模，第一掩模配置有一个或更多个编码图案。光谱编码器包括色散装置和第二光编码设备，色散装置用于将来自第一光编码设备的被编码光在空间上分成多个分量；第二光编码设备包括用于对多个分量进行光谱编码的第二掩模，第二掩模具有一个或更多个编码图案。至少一个单像素光电探测器被定位成用于测量由掩模编码的光。空间编码器可操作以通过生成第一掩模的一个或更多个编码图案的不同图案或部分图案的序列对光进行空间编码。光谱编码器可操作来通过色散装置和第二掩模之间的相对运动对光进行光谱编码。

技术领域

本发明涉及包括一个或更多个光编码设备的成像系统，例如光谱成像系统。

背景技术

成像具有广泛的应用范围，已经为那些应用开发了多种成像技术。

例如，光谱成像是一种非常有用的工具，在生物科学、医疗保健、农业以及国防系统中已经发现了有前景的应用。线谱成像仪为单个空间线上的每个可解析点获取特定波长带上的光谱。结果是二维(two-dimensional,2D)强度图，该强度图中的两个轴分别是空间(位置)和光谱(波长或频率)。光谱图像数据立方体，即在宽光谱范围内以连续波段获取的场景图像的堆叠，可以通过沿垂直于该空间线方向扫描线性成像器来获得。使用光谱图像数据立方体，因此可以分析视场(field of view,FOV)内针对任何对象或点的化学成分或光谱特征，并基于已建立的光谱库，针对存在或不存在某些材料而对图像场景进行颜色渲染。因此，光谱成像仪捕获信息远远超出传统数码相机和红外相机所能捕获的信息。光谱成像的潜在应用包括地质中的矿物识别、防御系统中的地形分类和伪装目标检测、食品在线检测、沿海和内陆水域研究、环境危害监测和跟踪以及生物医学和生命科学中的癌症检测。

成像的配置可以大致分为三类：(1)使用2D阵列探测器捕获全场图像。(2)使用一维(one-dimensional,1D)阵列探测器沿垂直于1D阵列的方向步进穿过整个图像场的连续线性成像。(3)利用单像素探测器并逐点依次扫描成像平面。

近年来，将单像素光电探测器用于成像应用已经引起了广泛关注。主要原因之一是，尽管传统的基于硅的电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)或CMOS传感器现在无处不在且成本低廉，用阵列光电探测器在硅盲区的波长(例如红外(infrared,IR)波长)成像要复杂得多，体积大，价格昂贵。因此，在成像系统中使用基于单像素的光电探测器不仅显著降低了成本、封装尺寸和重量，而且使系统能够在传统的阵列成像器当前无法使用的波长下运行。对于光谱成像应用，基于单像素的系统可以提供额外的优势(例如易于校准)，因为它本质上没有阵列均匀性误差。

光谱成像包括使入射光色散到其光谱成分中，从而允许在单独的探测器元件上拾取每个光谱波段的强度以重建其光谱轮廓。对于此类方案，随着解析光谱波段变窄且帧速率增加，可在探测器元件处拾取的辐射量越低。低强度信号对低能量IR波长范围内的信噪比(signal-to-noise,SNR)提出了进一步挑战。

多路复用方案已被证明是通过固有的费尔盖特增益(Fellgett’s advantage)提高SNR的有效方法。这种方案不是单独查看每个光谱波段，而是允许多个波段的信号同时入射到探测器上，并通过信号后处理将信号解耦。以这种方式，这种方法在弱光条件下或在不具有灵敏探测器的波长下工作时是可行的，例如在红外范围内工作。光谱成像受制于这些条件，尤其是在高分辨率和高帧率下受制于这些条件。

哈达玛(Hadamard)变换是此种多路复用方案的基础。特别令人感兴趣的是，这种方案可用于使用具有高SNR的单像素探测器进行成像。一种实施方式使用循环S矩阵(cyclic S-matrices)，从而在入射成像平面生成加权图案，该入射成像平面允许或阻挡指定点到达单像素探测器。通过一系列不同的图案，可以对来自探测器的时间序列信号进行后处理以重建图像。