[发明专利]一种衍射快照光谱成像方法

说明书

本发明公开的一种衍射快照光谱成像方法，属于计算摄像学领域。本发明应用于衍射快照光谱成像系统，通过数据驱动的方式对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，使得编码和解码部分更加与彼此契合；光学编码结构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，提升重建图像精度；采用编码自由度高的衍射光学元件作为编码部分，具有体积小巧、结构紧凑的优点，具有实时成像的能力。采用可微分的模型对整个编码和解码过程进行建模，进而在任何机器学习自动微分框架中均可实现模型并进行优化，提升本发明的通用性。

技术领域

本发明涉及一种衍射快照光谱成像方法，尤其涉及能够快照式获取高质量高光谱图像的方法，属于计算摄像学领域。

背景技术

高光谱成像技术是一种将空间成像技术与光谱成像技术相结合的技术，其可以同时记录物体的空间和光谱信息，相较于传统成像技术能够获得更丰富的物体细节，目前已广泛应用于农业生产、物质识别、地质勘探和生物医学等众多领域。传统的快照式光谱成像方法通常使用了多个的折射透镜或反射透镜以实现光学编码，并通过计算解码的方式重建需要的光谱图像。此种方法对应的实物系统具有复杂的光学编码部分，使得其体积通常较大。得益于衍射光学元件具有高自由度编码能力，衍射快照光谱成像方法使用一个衍射光学元件代替此前系统中使用到的折射透镜或反射透镜作为光学编码结构，大大减小了整个系统的体积。然而，现有的衍射光谱成像方法通常是启发性地手工设计衍射光学元件的结构，此种设计方式需要使用有效的先验知识进行手工设计或者优化求解，且难以保证最终设计的结构是一个全局最优解。此外，现有的设计方法得到的衍射光学元件结构是一个高精度近乎连续的结构，而物理制造工艺通常只能加工不超过16台阶的衍射光学元件，这使得优化的结构和实际制造的结构存在差异，进一步将导致优化时一同设计的重建算法无法高质量地重建光谱图像。

发明内容

为解决现有衍射快照光谱成像方法中光学编码优化复杂，且优化后的衍射光学元件结构和实际物理制造的结构存在差异等问题。本发明公开的一种衍射快照光谱成像方法要解决的技术问题是：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，同时光学编码结构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。此外，本发明采用编码自由度高的衍射光学元件作为编码部分，采用本发明的成像系统相比使用多种折射或反射透镜作为编码部分的成像系统还具有体积小巧、结构紧凑的优点。

为实现所述目的，本发明采用以下技术方案。