基于数字微镜的编码成像光谱仪的研究

发布时间：2020-04-12 00:26

【摘要】：成像光谱仪结合了照相机和光谱仪的功能,可以得到空间和光谱信息,有广泛的应用领域。本文主要对数字微镜DMD编码的光谱成像系统进行了研究,论文的主要研究工作及成果如下:1、介绍了成像光谱仪的应用与分类,引出编码方式的成像光谱仪;通过分析数字微镜DMD编码成像光谱仪的研究现状,指出DMD编码的主要方式:光谱编码和空间编码。2、分析了DMD两种编码方式的结构与原理,仿真分析了DMD的二维衍射特性及对光学系统的影响。结合编码方式的特点,先从双光栅结构的光谱编码方式入手,设计了一套双光栅光谱编码成像系统。3、实现了基于哈达玛变换的成像光谱仪,针对传统标定方法繁琐、耗时、灵活性差,提出并实现了一种基于图像匹配的光谱标定方法。该方法的优点:效率高,通过匹配计算得到DMD与CCD的相对物理位置,即使编码模板改变也不需要重新标定;精度高,对于像素不匹配造成的交错编码点,根据标定位置计算灰度编码值,代替原有的0-1编码值,从而提高重建光谱精度。4、提出并实现了一种新的傅里叶压缩光谱成像方法,不同于传统傅里叶光谱成像采用干涉仪,这里采用DMD的正弦编码实现光谱的傅里叶变换。该方法优点:基于光谱信息在傅里叶域的稀疏性,用少数几次编码测量即可重建光谱,较传统的哈达玛编码成像光谱仪,测量效率大为提高;DMD编码模板切换方便,易于得到不同的光谱分辨率;较传统干涉式傅里叶变换,系统没有移动部件且解码直接得到波长域的光谱。5、分析了压缩感知快照式的光谱成像原理,快照方式可以仅一次编码测量重建多光谱图像,但空间质量不如多次测量。提出结合滤光功能的微透镜阵列,单次测量得到多个图谱混叠图像,这些图像的空间分布类似但光谱信息不同,分波段解码可以提高图像质量,并对系统进行了仿真分析。
【图文】：

第 1 章 引言成像光谱仪概述人类借助光认知世界主要有两种方式，一是光学成像，二是光谱分析。可以得到物体的空间信息；光谱分析可以获得物体的物理、化学性质，事物的本质。成像光谱仪是将成像技术和光谱技术有机结合而成的，在空间特征信息的同时得到空间像元色散形成的光谱信息，得到的是三通常称之为“数据立方体”。从数据立方体，可以提取每个波段的二维，也可提取每个空间像元的一维光谱曲线，如图 1.1[1]。根据空间信息，我们可以得到被测物体的尺寸、大小等外在特征；根据，可以得到物体的内在特性，，如物质成分、含量等。因此，成像光谱仪物体的定位、定性、定量分析。

图 1.2 成像光谱仪应用举例Figure 1.2 Application of spectral imaging成像光谱仪的应用与光谱波段范围有较大关系，根据不同的应用领域，设计时需选择不同的波段范围。常用的光谱范围包括可见光、近红外、中红外等，不同波段的特性及应用范围如表 1.1。表 1.1 不同波段光谱特性与应用Table 1.1 Features and applications for different wavebands光谱范围 特点 应用领域可见光（0.4-0.7μm）人眼视感范围；辐射能量高；探测器技术成熟，光电转换效率高颜色识别、色素检测，印刷、纺织、食品等领域近红外（0.7-2.5μm）较强的穿透能力；不需前处理，无损检测；定量分析含氢基团检测：水分、酒精、血糖，药物检测分类等
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1

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