本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種高階映射光譜成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

為了實(shí)現(xiàn)光譜成像技術(shù)向高空間分辨率、高光譜分辨率、高信噪比方向發(fā)展，出現(xiàn)了很多不用傳統(tǒng)狹縫色散和濾波分光的光譜成像系統(tǒng)，如干涉型光譜成像技術(shù)，其特點(diǎn)是利用傅里葉變換，通過(guò)多通道采集和舍棄狹縫實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率下的光能量保證，繼而保證高信噪比。干涉光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)，使得越來(lái)越多的研究人員考慮利用數(shù)學(xué)變換，實(shí)現(xiàn)光譜成像，典型的有計(jì)算層析光譜成像技術(shù)、哈達(dá)碼變換光譜成像技術(shù)、壓縮編碼光譜成像技術(shù)。計(jì)算層析的優(yōu)點(diǎn)是光通量很高，缺點(diǎn)是探測(cè)器要求太高，計(jì)算速度要求太快，工程應(yīng)用困難；哈達(dá)碼變換的優(yōu)點(diǎn)是多通道探測(cè)，光能利用率高，對(duì)弱光探測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯；壓縮編碼的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采樣量大幅減少、多通道探測(cè)，工程實(shí)現(xiàn)難度減低，不足是計(jì)算精度有待提高。

綜上所述，光譜成像技術(shù)正在由直接成像型向變換成像型發(fā)展，其特點(diǎn)是狹縫的取消帶來(lái)的光譜分辨率限制減小，濾波取消帶來(lái)的空間分辨率限制減少，同時(shí)，變換代替狹縫帶來(lái)的多通道優(yōu)勢(shì)使得能量限制減少，這幾個(gè)變化對(duì)提高分辨率并保證高信噪比非常重要。因此，變換型光譜成像技術(shù)已成為未來(lái)光譜技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

但是，隨著光譜成像技術(shù)向更高維成像、更高分辨率方向發(fā)展，上述現(xiàn)有變換型光譜成像技術(shù)會(huì)出現(xiàn)不足，如高空間分辨率下干涉型光譜成像技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高維成像；高空間分辨率下壓縮編碼光譜成像技術(shù)因更精細(xì)的編碼，其稀疏重構(gòu)精度無(wú)法保證；哈達(dá)碼變換光譜成像技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)高維成像；而計(jì)算層析光譜成像技術(shù)本身對(duì)探測(cè)器要求太高，工程可行性較差。為此，需要研究新的高維成像并可以保證高分辨率和高信噪比的易工程應(yīng)用的光譜成像方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高階映射光譜成像系統(tǒng)及方法，用以克服現(xiàn)有技術(shù)在高分辨率、高信噪比下工程實(shí)現(xiàn)困難、成像精度變差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高維成像的缺陷。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種高階映射光譜成像系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括沿光路依次設(shè)置的前置光學(xué)系統(tǒng)、高階映射編碼系統(tǒng)、聚焦成像系統(tǒng)、探測(cè)器組件、高階逆映射復(fù)原系統(tǒng)。

上述前置光學(xué)系統(tǒng)為離軸三反結(jié)構(gòu)或offner結(jié)構(gòu)。

上述高階映射編碼系統(tǒng)包括具有正交編碼特性的數(shù)字微鏡陣列或液晶光閥或光學(xué)掩膜板制成的映射調(diào)制器，所述高階映射編碼系統(tǒng)為上述單一調(diào)制器或多個(gè)任意調(diào)制器的串聯(lián)。

上述聚焦成像系統(tǒng)包括透鏡。

上述高階逆映射復(fù)原系統(tǒng)包括逆變換或逆算子或基于高階映射設(shè)計(jì)的逆映射算法。

本發(fā)明還提供一種高階映射光譜成像方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)觀測(cè)目標(biāo)的原始多維信息經(jīng)過(guò)成像處理，得到目標(biāo)物像信息；

2)上述目標(biāo)物像信息通過(guò)高階映射編碼調(diào)制，得到高階調(diào)制信息；

3)上述高階調(diào)制信息經(jīng)過(guò)聚焦二次成像和信息采集，得到目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)；

4)上述目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高階逆映射復(fù)原處理，得到目標(biāo)的復(fù)原多維信息。

上述步驟2)中高階映射編碼調(diào)制包括對(duì)空間、光譜甚至偏振、時(shí)間等多維信息的高維信息映射調(diào)制以及對(duì)空間、光譜甚至偏振、時(shí)間等多維信息進(jìn)行高分辨率、高信噪比的高階映射成像與高階逆映射復(fù)原。

上述映射是單一的映射或多種映射的串聯(lián)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于高階映射，提出一種新型的高階映射光譜成像方法。不同于一般的變換，高階映射具有不同集合對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)和高維變換的特點(diǎn)，因而變換域更廣、變換維度更高。同時(shí)，由于取消了狹縫色散和濾波分光，其高分辨率有所保證，而且高階映射帶來(lái)的多通道優(yōu)勢(shì)能保證高信噪；特別是，高階映射可以實(shí)現(xiàn)多維信息的一致探測(cè)，其較先單維信息探測(cè)再組合的多維信息探測(cè)方式，其硬件要求降低。本發(fā)明的意義主要體現(xiàn)在：解決了高分辨率光譜成像的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，解決了高信噪比光譜成像的能量不足問(wèn)題，解決了高維光譜成像的技術(shù)手段問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的高階映射光譜成像原理構(gòu)成圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，前端的成像探測(cè)系統(tǒng)依次包括前置光學(xué)系統(tǒng)、高階映射編碼系統(tǒng)、聚焦成像系統(tǒng)及探測(cè)器組件，后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其定義為高階逆映射復(fù)原系統(tǒng)。以二維空間一維光譜構(gòu)成的三維光譜成像為例，目標(biāo)原始信息經(jīng)過(guò)離軸三反結(jié)構(gòu)的前置光學(xué)系統(tǒng)成像處理，得到目標(biāo)物像，然后，目標(biāo)物像通過(guò)高階映射編碼系統(tǒng)調(diào)制得到高階調(diào)制信息；這里，對(duì)于二維空間一維光譜構(gòu)成的三維光譜成像來(lái)說(shuō)，高階映射編碼系統(tǒng)為具有正交特性的編碼矩陣，實(shí)現(xiàn)方式為編碼的光學(xué)掩膜板制成的映射調(diào)制器；接著，調(diào)制信息經(jīng)過(guò)由單透鏡構(gòu)成的聚焦成像系統(tǒng)，在探測(cè)器組件焦平面實(shí)現(xiàn)二次成像，并由探測(cè)器采集電路完成目標(biāo)成像數(shù)據(jù)的獲取，最后，基于成像數(shù)據(jù)，利用高階逆映射復(fù)原系統(tǒng)的高階數(shù)據(jù)復(fù)原軟件，即可得到目標(biāo)三維信息，這里的高階逆映射為相應(yīng)高階映射的逆變換或者逆算子，也可以是基于高階映射設(shè)計(jì)的逆映射算法。