[发明专利]一种光谱成像方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱成像技术，特别涉及一种波长扫描式光谱成像方法及其系统。

背景技术

光谱成像技术可获得所摄景物空间二维、光谱一维的三维光谱数据立方体，自上世纪80年代诞生以来，被广泛应用于大气监测、资源勘测、森林保护、医学诊察等领域。传统光谱成像可分为波长扫描式、空间扫描式和时间扫描式三类。波长扫描式光谱成像选用滤光片、声光调制器等可调谐滤光器件实现拍摄景物的波段选择，每次拍摄获取景物某一波段的光谱图像，通过对滤光器件进行调节并对景物实施数次拍摄可获取其多波段的光谱图像获取。利用此类方法实施的光谱成像波段范围和波段数有限，不便于实现高光谱分辨率宽波段范围的光谱成像。空间扫描式光谱成像需用狭缝对视场进行限制，选用棱镜、光栅等色散器件对狭缝像进行分光，并将各个波段的狭缝像一次性投射到探测器焦平面上。受狭缝限制，此方法中入射光通量有限，难以获得高成像信噪比。为拍摄较大空间范围的景物，需使成像光谱仪沿垂直狭缝方向进行推扫，使所获数据的时间一致性降低。时间扫描式光谱成像又称干涉型光谱成像，此法在对景物拍摄的同时构建一定的光程差，完成拍摄后，通过对采集数据实施一定的后期处理（如傅立叶变换）即可提取拍摄景物的光谱信息。此方法数据处理所需的开销巨大，且易受环境串扰从而降低光程差构建精度乃至光谱数据提取精度。

由此可见，传统光谱成像方法尽管形式各异，但成像时均需加以一定形式的扫描以获得庞大的光谱数据，且无法同时满足宽光谱范围多谱段、对大视场瞬时拍摄、高信噪比等成像要求。为克服以上缺陷对其应用发展带来的桎梏，自上世纪末，科研工作者们开始着手研究新型光谱成像方法，其中，较具代表性的是1997年美国亚历桑那大学的Michael R. Descour率先报道的计算层析光谱成像技术（Computed Tomography Imaging Spectrometer,CTIS)及2006年美国杜克大学D. J. Brady成功创立的孔径编码凝视型光谱成像技术(Coded Aperture Snapshot Spectral Imagin,CASSI)。自上述两项标志性的新型光谱成像技术诞生之后，国外围绕新型光谱成像技术开展研究工作的势头日益迅猛，一系列的系统优化和应用研究工作在随后不间断的得以实施和报道。这其中标志性的事件是2009年美国莱斯大学生物工程系首次将图像切片光谱仪（Image Slicing Spectrometer,ISS)应用于超光谱荧光成像术中，以及英国赫瑞瓦特大学和美国剑桥研究仪器中心于次年联合报道的图像折叠光谱成像仪（Image-Replicating Imaging Spectrometer,IRIS)。

即便克服了传统光谱成像的某些技术局限，各类新型光谱成像方法依旧存有各自的问题：计算层析光谱成像技术需要极大面阵的焦平面用以采集层析压缩后的数据图像，且存在数据缺失问题；孔径编码凝视型光谱成像技术之中，由单帧采样数据重构的拍摄景物三维光谱数据立方体时间开销巨大，且存有失真；图像折叠光谱成像仪受技术限制，目前可以达到的波段数量非常有限。因此，各类新型光谱成像方法尽管实现了一定程度的技术突破，但在数据保真度、拍摄实时性、系统便捷性等方面依然存有欠缺。综上所述，新型光谱成像方法存在如下不足：1.通过压缩成像恢复的三维光谱数据立方体存有失真，无法精确获取拍摄景物各波段的光谱图像及光谱曲线；2.成像器件数量多，降低了成像系统的光能使用率，系统构成复杂，不利于实现成像系统的轻小化；3.重构光谱数据所需时间开销大，无法实现拍摄后光谱数据的同步处理，进而无法实现高帧频光谱成像。

作为一种重要的衍射光学器件，波带片不仅具有类似透镜成像的功用，且具有普通物镜无法比拟的特点，目前已被广泛应用于激光聚焦、红外与紫外成像、远程光通信、全息照相术等领域。但将其应用于光谱成像目前还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种不经推扫即能对较大范围景物实施光谱成像，能有效提高系统光能使用率，便于实现系统的轻小化的光谱成像方法及其系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种光谱成像方法，由n幅图案不同的菲涅尔波带片，分别将拍摄目标不同波长的像聚焦到探测器焦平面上，得到拍摄目标不同波长的光谱图像；所述探测器采集由菲涅尔波带片生成的第一级次衍射像，不被用于采集的其他级次衍射像由波带片与探测器之间的光阑滤去。

n为≥ 10的整数。