基于视场压缩的快照式光谱成像技术

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作者 张杰 薛鹏 +1 位作者 张瑞 吴倩楠 《应用光学》 北大核心 2025年第3期555-562,共8页

针对快照式成像芯片和成像光学元器件视场角度敏感问题,设计了一款基于视场压缩的快照式光谱成像系统。该系统由前置视场压缩系统、光阑、后置成像镜头组和光谱成像芯片四部分组成,通过前置光学系统的Zemax光学设计,实现了450 nm~800 n... 针对快照式成像芯片和成像光学元器件视场角度敏感问题,设计了一款基于视场压缩的快照式光谱成像系统。该系统由前置视场压缩系统、光阑、后置成像镜头组和光谱成像芯片四部分组成,通过前置光学系统的Zemax光学设计,实现了450 nm~800 nm波长范围内将±10°视场压缩为±3°,最大波相差小于1/4波长;设计的后置镜头组用于校正光学系统的色差、球差等像差;整个光学系统各个视场的RMS(root meam square)半径接近面阵探测器的像元尺寸,且相对畸变小于2.138%;最后通过实验验证了该视场压缩光学系统的可行性,并通过搭建的成像系统对不同颜色字母目标和外景目标物进行成像。实验结果表明:红色R中心波长为610 nm,绿色G中心波长为500 nm,蓝色B中心波长为460 nm;红色地面和绿色地面中心波长分别为613 nm、517 nm,进一步验证了该系统的准确性。 展开更多

关键词 光谱检测 快照式光谱成像 视场压缩光学设计

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基于快照式多光谱特征波长的小球藻叶黄素产量快速测定

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作者 沈英 占秀兴 +3 位作者 黄春红 谢友坪 郭翠霞 黄峰 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2216-2223,共8页

叶黄素是天然的抗氧化剂,对人体健康有多种益处,异养小球藻具有叶黄素纯度和产量均较高的优势,而小球藻叶黄素产量主要取决于生物质产量和叶黄素含量两个因素。传统的光密度法测生物质产量和高效液相色谱法测叶黄素含量存在操作复杂、... 叶黄素是天然的抗氧化剂,对人体健康有多种益处,异养小球藻具有叶黄素纯度和产量均较高的优势,而小球藻叶黄素产量主要取决于生物质产量和叶黄素含量两个因素。传统的光密度法测生物质产量和高效液相色谱法测叶黄素含量存在操作复杂、时效性低等不足。为了快速、无损测定小球藻生长过程中叶黄素含量变化,搭建可见-近红外双模式快照式多光谱成像检测系统,根据光谱响应区域,分别利用可见光相机获取叶黄素光谱信息,近红外相机获取生物质光谱信息,构建含有生物质量和叶黄素含量信息的可见-近红外双模式多光谱数据集。针对系统所使用的快照式多光谱相机光谱范围宽、波长数量少的特征波长选取问题,提出一种结合序列浮动前向选择的改进型连续投影算法(mSPA);将mSPA与常规的连续投影算法、遗传算法及随机蛙跳三种波长选择算法作对比分析后,构建了基于特征波长的多元线性回归和极限学习机模型;最后,利用生物质产量和叶黄素含量的最佳预测模型生成小球藻叶黄素产量的可视化分布图。结果表明,在利用近红外、可见光相机分别检测小球藻生物质、叶黄素量时,mSPA得到的特征波长数均较少,并具有最高的预测精度。生物质量与叶黄素含量的最佳模型均为mSPA筛选特征波长后建立的极限学习机模型,对应的预测集决定系数分别为0.947和0.907,预测集均方根误差分别为0.698 g·L^(-1)和0.077 mg·g^(-1),剩余预测偏差分别为3.535和3.338,模型的预测能力较好。可视化分布实现了直观监测小球藻叶黄素产量的变化,有助于后续实际生产中在线检测叶黄素产量。mSPA在快照式多光谱检测小球藻生物质含量及叶黄素含量中,通过对排序波长逐个评估以选择出最佳特征波长组合,有效地避免了特征波长的错选、漏选,提高了模型的预测精度,为快照式多光谱成像技术应用提供新的波长选择思路。 展开更多

关键词 小球藻 叶黄素产量 快照式多光谱 特征波长

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快照式光谱成像技术发展趋势分析与展望(特邀) 被引量：2

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作者 袁艳 刘安琪 苏丽娟 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期90-106,共17页

快照式光谱成像技术可以单次曝光成像获得目标辐射的二维空间分布和一维光谱信息,在动态目标探测与识别中具有显著优势。本文总结了快照式光谱成像技术的空谱调制投影原理,并从丰富探测信息量的角度出发,在技术原理和数据处理两个层面... 快照式光谱成像技术可以单次曝光成像获得目标辐射的二维空间分布和一维光谱信息,在动态目标探测与识别中具有显著优势。本文总结了快照式光谱成像技术的空谱调制投影原理,并从丰富探测信息量的角度出发,在技术原理和数据处理两个层面分析了其主要发展趋势。在技术原理层面,扩展目标辐射探测维度,实现多维信息实时探测是光学探测技术发展的重要趋势,重点介绍了快照式光谱立体成像技术;在数据处理层面,提高光谱图像空间分辨率,对于提升快照式光谱成像技术的应用效果具有重要的实际意义。在此基础上,对快照式光谱成像技术的未来发展方向进行了展望。 展开更多

关键词 快照式光谱成像 多维信息调制 立体成像 数据处理 图像超分辨

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可见/近红外快照式多光谱成像快速测定雨生红球藻虾青素含量 被引量：1

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作者 沈英 占秀兴 +2 位作者 黄春红 谢友坪 黄峰 《食品工业科技》 CAS 北大核心 2023年第16期313-320,共8页

为了实现快速、无损检测雨生红球藻虾青素含量,本文提出一种快照式多光谱成像检测方法。利用可见光光谱范围480~635 nm和近红光谱范围665~950 nm的2台快照式多光谱相机搭建成像系统,采集了不同生长周期下的雨生红球藻样品光谱数据。为... 为了实现快速、无损检测雨生红球藻虾青素含量,本文提出一种快照式多光谱成像检测方法。利用可见光光谱范围480~635 nm和近红光谱范围665~950 nm的2台快照式多光谱相机搭建成像系统,采集了不同生长周期下的雨生红球藻样品光谱数据。为了优化预测模型,对比了不同处理方法的组合,包括不同光谱范围、3种预处理方法、2种特征波长选择算法和2种建模方法。结果表明,可见与近红外联用光谱经一阶导数(first derivation,FD)预处理、竞争自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)选择特征波长和反向传播(back propagation,BP)神经网络建模所构建的模型预测效果最佳,预测集相关系数(Rp)为0.9622,预测集均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.5126,剩余预测偏差(residual predictive devia tion,RPD)为3.6726,优于仅用可见光光谱(Rp为0.9467,RMSEP为0.6065,RPD为3.1042)。说明快照式多光谱成像技术检测雨生红球藻虾青素含量是可行的,并且可见与近红外光谱联用效果更好。 展开更多

关键词 快照式 可见/近红外 多光谱成像 虾青素含量 快速检测

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快照式光谱成像技术综述 被引量：23

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作者 高泽东 高洪兴 +7 位作者 朱院院 李杰 郝群 刘宇 陈超 成刚 曹杰 孟合民 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1323-1343,共21页

系统地分析了各种快照式光谱成像技术并进行了对比。依据光谱数据立方体分割到2D空间进行成像的方法,将不同的快照式光谱成像技术分成图像分割、孔径分割、光路分割和频率分割4类,按类别探讨了17种技术方案的原理、优点、缺点与现状,从... 系统地分析了各种快照式光谱成像技术并进行了对比。依据光谱数据立方体分割到2D空间进行成像的方法,将不同的快照式光谱成像技术分成图像分割、孔径分割、光路分割和频率分割4类,按类别探讨了17种技术方案的原理、优点、缺点与现状,从空间像素数与光谱通道数权衡、图谱匹配、空间采样连续性、光能利用率及动态范围5个方面进行了对比和展望。研究结果有助于相关领域学者快速全面地了解快照式光谱成像仪的研究现状,为进一步提升其综合性能奠定基础。 展开更多

关键词 光谱成像 快照式 通道成像 图像分割 孔径分割 光路分割 频域分割

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快照式光谱光场成像技术 被引量：1

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作者 吕晓波 刘宇丰 +3 位作者 李毅威 朱帅帅 林杰 金鹏 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期220-230,共11页

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了... 针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原始图像中分别提取出来,并分别利用光场和干涉信息来重建目标场景的深度和光谱。本文搭建了快照式光谱光场成像系统,并对该系统在空间、光谱以及时间维度上的表现进行了实验验证。实验结果表明,该系统在将获取信息的维度扩展到七维的同时,其深度重建的均方根误差为7.7 mm,光谱重建的归一化均方根误差为6.87%。 展开更多

关键词 仪器科学 快照式光谱成像 光场成像 多维成像

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窄带快照式多光谱成像色彩还原方法 被引量：3

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作者 易定容 孔令华 +1 位作者 赵艳丽 杨子涵 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期183-187,共5页

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力,快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、... 由于兼具光谱分辨和空间分辨能力,快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法:(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。 展开更多

关键词 快照式窄带多光谱成像 色彩还原方法 CIE三刺激值积分 贝尔阵列插值 窄带多光谱彩色相机

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基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪研制 被引量：2

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作者 薛庆生 白皓轩 +2 位作者 鲁凤芹 杨敬尧 李辉 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期299-312,共14页

推扫式光谱成像技术虽然具备较高的空间、光谱分辨率,但其推扫成像的技术特点使其牺牲了时间分辨率,无法满足对动态目标、短时过程的光谱成像,限制了高光谱成像技术的应用范围。针对该缺陷,研制了基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪。... 推扫式光谱成像技术虽然具备较高的空间、光谱分辨率,但其推扫成像的技术特点使其牺牲了时间分辨率,无法满足对动态目标、短时过程的光谱成像,限制了高光谱成像技术的应用范围。针对该缺陷,研制了基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪。快照式光谱成像仪波段范围为500~700 nm,平均光谱分辨率优于10 nm。按照上述指标首先进行了快照式光谱成像仪的光学设计,然后根据光学设计结果对关键元器件进行了加工采购,并搭建了系统样机。通过对搭建的系统样机进行定标及目标物探测测试,仪器光谱成像效果良好。较传统推扫式光谱成像系统,该系统实现了快照式光谱成像,能够有效地提升高光谱成像探测效率,有助于拓展高光谱成像探测技术的应用范围。 展开更多

关键词 高光谱成像 快照式光谱成像 成像光谱仪 微透镜阵列 光学设计

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微型快照式窄带多光谱成像宫颈癌筛查方法 被引量：2

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作者 易定容 赵艳丽 +2 位作者 孔令华 王文琪 黄彩虹 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期157-161,共5页

白光阴道镜图像对比度较低,不利于医生鉴别不同病变程度组织,也不利于自动化宫颈癌筛查。利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性,与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反,利用快照式多光... 白光阴道镜图像对比度较低,不利于医生鉴别不同病变程度组织,也不利于自动化宫颈癌筛查。利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性,与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反,利用快照式多光谱窄带成像来加速光谱图像获取过程,提升不同病变程度组织之间灰度对比度同时,降低后续图像分析处理算法难度,实现对宫颈组织病变类型高帧率自动化分类。首先,使用微型快照式窄带多光谱摄像方法,在血红蛋白的两个强吸收峰(415±10)和(525±10) nm、一个反射带(620±10) nm和一个背景波段(450±10) nm共四个波段对宫颈组织进行快照式零时差获取四幅窄带光谱图像。而后,对所获取的光谱图像进行简单代数加减,以生成突显病变组织的融合图像,提高不同病变程度组织之间的对比度。最后,使用欧式距离分类算法,对光谱融合图像中不同病变级别进行分类,建立计算机辅助宫颈癌筛查方法。创新点在于实现了高帧率计算机辅助光学病理诊断方法。分别采用临床常规白光阴道镜及微型快照式窄带多光谱摄像对宫颈癌手术切下的新鲜组织进行彩色图像及光谱融合图像的高帧率采集,并使用同一个欧式距离分类算法对两种图像进行自动分类,分类结果都以组织病理诊断作为标准来计算正确率。通过对比两种分类结果正确率来检验光谱融合图像相对于彩色图像是否提升对比度,及其是否可以实现与组织病理诊断(金标准)结果一致的诊断。欧式距离分类算法对光谱融合图像分类准确率接近100%,远高于对白光阴道镜图像约50%的准确率。多位临床医生对基于微型快照式多光谱摄像头光谱融合图像的计算机自动分类结果表示接受。微型快照式窄带多光谱成像方法能有效提升光谱融合图像获取帧率及不同病变程度组织之间灰度对比度,能有效快速地将宫颈组织划分为与组织病理诊断结果一致的病变类型。由于诊断客观、无创伤、结果立等可得,该方法将有助于实现落后地区宫颈癌筛查的普及以及图像导航下的宫颈癌精准治疗手术。 展开更多

关键词 宫颈癌筛查 血红蛋白特征光谱 快照式窄带多光谱成像 图像对比度 组织病变级别分类 计算机辅助诊断

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多光谱3D成像方法 被引量：3

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作者 蒋威 易定容 +2 位作者 孔令华 余卿 崔长彩 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期140-147,共8页

已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像... 已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像采集系统,使用离焦深度还原算法获取深度信息。其基本原理为:首先,增强纵向色差光学镜头使得同一物点在不同光谱波段图像上的成像离焦程度不同;其次,快照式窄带多光谱图像传感器单帧曝光同时获取多幅窄带光谱图像;再通过离焦深度还原算法根据多光谱图像边缘梯度获取3D信息。实验采用纵向色散增强型光学成像系统及快照式多光谱相机捕获450±10 nm、525±10 nm、620±10 nm 3通道光谱图像,对5 m内场景进行3D深度恢复,获得了深度误差不高于5 cm的测量结果。实验结果表明多光谱3D视觉方法可以实现单目、所提单帧图像的深度估计。该方法能同时获得视觉及深度信息且无需空间位置配准及预先深度刻度,单帧图像处理平均耗时0. 186 s,图像采集系统尺寸为120 mm×77 mm×65 mm,其工作功率约为10 W,兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。因此,所提方法有望在无人驾驶及智能机器人等领域获得广泛应用。 展开更多

关键词 离焦深度法 多光谱3D成像 纵向色散 快照式窄带多光谱成像 单目单次曝光3D成像

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紧凑型图像复分光谱成像系统光学设计及优化 被引量：3

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作者 马培培 刘扬阳 +2 位作者 吕群波 裴琳琳 方煜 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第7期18-23,共6页

从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发,对已有16波段系统进行改进,研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化,对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式,... 从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发,对已有16波段系统进行改进,研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化,对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式,利用Zemax-EE的多重结构特性,设计了视场为±1.25°,相对孔径达到1∶3,系统结构尺寸约为220mm的图像复分光谱成像仪系统,且各个波长光学传递函数值均大于0.75.与已有等同空间分辨率的16波段图像复分光谱成像系统比较,所设计系统结构紧凑、衍射极限和通光能力明显改善、光谱质量大幅提高,可满足小型化需求.该研究为新型快照式光谱成像技术的理论研究和图像复分光谱成像仪的光学系统设计提供了依据. 展开更多

关键词 多光谱成像 图像复分光谱成像仪 光学设计 WOLLASTON棱镜 快照式

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