[发明专利]一种衍射快照光谱成像方法

权利要求书

1.一种衍射快照光谱成像方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤101：按照衍射光学理论构建光学物理编码前向模型；

步骤102：对步骤一构建的光学物理编码前向模型中的衍射光学元件高度图进行量化感知处理，使其呈现量化台阶的样式；

步骤103：基于可微分的神经网络构建计算解码模型，利用所述计算解码模型预测推理原始的光谱图像重建图像；

步骤104：通过数据驱动的方式对衍射快照光谱成像系统中的衍射光学元件的编码结构和重建解码神经网络进行联合优化，得到相对最优的光学编码结构及其对应的计算解码模型；同时在优化阶段通过步骤102量化感知处理使衍射光学元件的编码结构呈现量化台阶的样式，进而实现在优化阶段考虑实际制造中的量化要求，使得优化得到的衍射光学元件结构和制造的衍射光学元件结构一致，进而提升整个光谱成像系统的重建图像精度。

2.如权利要求1所述的一种衍射快照光谱成像方法，其特征在于：还包括步骤105、步骤106：

步骤105：根据步骤104优化得到的光学编码结构制造衍射光学元件，利用所述衍射光学元件和RGB图像传感器搭建衍射快照光谱成像系统，由于衍射光学元件编码自由度高，能够减小搭建的衍射快照光谱成像系统的体积，提高衍射快照光谱成像系统的紧凑度；

步骤106：使用步骤105搭建好的衍射快照光谱成像系统拍摄目标场景，并使用步骤104中优化得到的计算解码模型对实物系统拍摄的观测图像进行解码重建，以得到所需要的目标场景对应的高光谱图像，进而提升整个光谱成像系统的重建图像精度。

3.如权利要求1或2所述的一种衍射快照光谱成像方法，其特征在于：步骤101中所述光学物理编码前向模型基于点扩散函数模型构建；根据入射光方向，当自然场景的一个点光源波长为λ的波场传播一定的距离d后到达衍射光学编码器的衍射光学元件前的平面位置(x，y)时，表示为U₀：

其中，i是复数单位；衍射光学元件会对波场产生相位上的调制，调制后的波场U₁表示为：

其中，A(x，y)是光圈函数，其值若为0则意味着阻止此位置的传播，其值为1意味着允许此位置的传播；φ(x，y，λ)是衍射光学元件在平面位置(x，y)上对波长为λ的波场产生的相位偏移：

φ(x，y，λ)＝(n_λ-1)H(x，y)  (3)

其中，n_λ是衍射光学元件对于λ波长光的折射率，H(x，y)是衍射光学元件设计结构的在平面位置(x，y)上高度；波场继续传播z距离后到达RGB图像传感器平面，其被表示为U₂：

其中f_x和f_y分别是空间位置(x，y)对应的频率变量；根据传感器平面的波场得出点扩散函数P，其是传感器平面上复波场的平方大小：

P(x，y，λ)∝|U₂(x，y，λ)|²   (5)

在获取点扩散函数后，将对应波长λ的目标场景图像I(x，y，λ，d)与相应点扩散函数P(x，y，λ)分别进行卷积运算：

即获得对应波长和场景深度的调制后图像I′(x，y，λ)；求得的调制后场景I′包含了全集波长Λ与全集深度D中每种情况下调制后图像I′_λ，d：

I＝{I′_λ，d|λ∈Λ，d∈D}  (7)

调制后图像经过RGB图像传感器根据其在[λ₀，λ₁]范围内的光谱响应曲线R_c采集后，得到观测的调制后RGB图像I_{c∈{R，G，B}}(x，y)：

其中η为传感器噪声；至此，建立光学编码的前向模型如公式(1-8)所示。