[发明专利]一种快照式光场-光谱成像仪及成像方法

说明书

本发明提出一种快照式光场‑光谱成像仪及成像方法，其结构为：沿光线方向依次设置的物镜、视场光阑、准直镜、微透镜阵列一、滤光片阵列、微透镜阵列以及光电探测器及信号处理部件；其中微透镜阵列一和滤光片阵列可得到不同波段的目标物图像，微透镜阵列二对不同波长的目标物图像再次成像，最终光电探测器及信号处理部件可获得目标物的图像、光谱和光场信息；成像方法上，在不同波长的子区域内分别做目标物的图像以及深度重建，并将所有波段的平均深度作为最终目标物的深度；本发明可以在探测器一次积分时间内获取目标物的图像、光谱以及深度四维信息；同时，通过平均所有波段的目标物深度，可以大幅提高目标物深度的精度，降低深度图像的噪声。

技术领域

本发明涉及快照式多维成像技术领域，特别涉及一种快照式光场-光谱成像仪及成像方法。

背景技术

自然界中的光携带九维信息，包括空间信息(x，y，z)、传播角度波长(λ)、偏振角度以及椭圆率(ψ，χ)，而传统的成像系统只捕捉了光的空间二维信息(x，y)。多维成像技术是一种不仅可以获得目标物的空间二维信息，还可以得到另外一维或多维信息的成像技术，在农业、天文、生物检测、环境监测等领域有着广泛的应用。为了获取目标物的多维信息，目前大多数的系统采用扫描的方式。但这种方式并不适用于探测动态目标。为了解决这个问题，学者们提出了使用二维探测器并行获取高维信息的方法，这种技术又被称为快照式多维成像技术。

快照式光谱成像技术是一种在探测器一次积分时间内获取目标物图像和光谱信息的成像技术，可以分为直接测量和计算成像两类。直接测量类快照式光谱成像技术的策略是将来自目标物的光按波长或空间位置分到探测器不同的位置，以实现对空间和光谱信息的并行获取。2010年，Liang Gao等人提出了一种图像映射光谱仪(Image mappingspectrometry)，该技术使用一块空间映射单元将图像分成条状映射到探测器不同的位置，然后经过色散棱镜将不同波长的光投射到条状图像之间，最后经过图像映射算法得到目标物的光谱立方体。图像复制成像光谱仪(Image-replicatingimaging spectrometry)是由Alistair Gorman等人在2010年提出。该技术使用串联的双折射干涉仪将图像按波长分成多份投影到探测器上。另外，基于光场的成像光谱仪(Imaging spectrometry using alight field architecture)、基于滤波器组的成像光谱仪(Imaging spectrometryusings filterstack)等也属于直接测量类快照式光谱成像技术。计算成像类快照式光谱成像技术一般先获取目标光线的干涉信息，然后再经过计算得到光谱信息。在上世纪九十年代由日本学者Akiko Hirai首次提出一种基于迈克尔逊干涉仪的快照式成像光谱系统，但该系统体积比较庞大，抗干扰能力差。此后，美国亚利桑那大学的Michael W.Kudenov等人提出了一种基于微透镜阵列和诺马斯基棱镜的小型化的快照式成像光谱仪，其中微透镜阵列用于将目标图像分成一系列的子图，诺马斯基棱镜可以产生随空间位置变化的光程差。将配准并排列好的子图进行傅里叶变换即可得到目标光谱立方体。另外，计算全息式成像光谱仪(Computed tomography imaging spectrometry)以及基于萨格奈克干涉仪的多光谱成像仪等均属于计算类光谱成像技术。