CN114341603A

CN114341603A - 光学装置和方法

Info

Publication number: CN114341603A
Application number: CN202080062452.6A
Authority: CN
Inventors: 罗宾·王; 彼得·诺里斯
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-04-12
Also published as: US12098954B2; WO2021044170A1; JP2022546720A; EP4025884A1; EP4025884B1; US20220341781A1

Abstract

本发明提供了一种高光谱成像装置(100)，包括用于从场景(106)接收光场的入射件(102)、编码器(108)、至少一个色散元件(110、112)、至少一个阵列检测器(114、116)和处理器(118)。编码器(108)被布置为从入射件(102)接收光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场(120)和第二编码光场(122)。至少一个色散元件(110、112)被布置为分别向第一编码光场(120)和第二编码光场(122)施加光谱剪切，以提供第一剪切光场(124)和第二剪切光场(126)。至少一个阵列检测器(114、116)被布置为检测第一剪切光场(124)和第二剪切光场(126)。处理器(118)被布置为处理至少一个阵列检测器(114、116)的输出信息，以确定与所述场景的高光谱图像相对应的数据立方体(128)。

Description

光学装置和方法

技术领域

本公开涉及一种高光谱成像装置和一种高光谱图像获取方法。

背景技术

高光谱成像涉及获取场景的三维数据立方体，通过一个光谱域和两个空间域收集强度。数据立方体的格式为I(x，y，λ)。数据立方体的每个切片都包括与特定波长的光相对应的xy图像。传统的高光谱成像仪依赖于两种主要的捕获方法：使用扫描2D传感器捕获数据立方体，或者在后处理之后对要检索的光谱信息进行空间多路复用。扫描成像仪在方向上受到限制并且必须扫描(因此得名)，这是一个需要相当长时间并引入运动伪影的过程。多路复用成像仪在很大程度上避免了扫描引入的误差，但是需要大量牺牲空间信息或复杂的传感器来实现高光谱成像。多路复用成像仪的分辨率有限和/或难以制造。

为了实现单次高光谱捕获并避免多路复用光谱仪的分辨率牺牲，已经尝试了算法成像方法。最著名的例子是编码孔径快照光谱成像仪(CASSI)及其变体。CASSI依赖于压缩感知--一种用于重建欠定线性系统的信号处理框架。通过将输入信号处理成可用于压缩感知重建的格式，CASSI可以根据从常规二维检测器的单次曝光获得的信号来重建高光谱数据立方体。然而，虽然CASSI在没有显著牺牲空间分辨率或复杂的多路复用的情况下实现单次成像，但是它只能以有限的分辨率捕获数据立方体，偶尔会出现伪影。

本公开的目的是克服或至少改善与已知的高光谱成像装置和高光谱成像方法相关联的缺点。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种高光谱成像装置，其包括用于从场景接收光场的入射件、编码器、至少一个色散元件、至少一个阵列检测器和处理器。编码器被布置为从入射件接收光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场。至少一个色散元件被布置为分别向第一编码光场和第二编码光场施加第二光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场。至少一个阵列检测器被布置为检测第一剪切光场和第二剪切光场。处理器被布置为处理至少一个阵列检测器的输出信息，以确定与场景的高光谱图像相对应的数据立方体。

成像装置可以被配置为从单个照片(例如，来自第一阵列检测器和第二阵列检测器的一帧数据)获得数据立方体。在一些实施例中，成像装置可以被配置为从多于一个照片(例如，从两个照片、三个照片或更多个照片)获得数据立方体。

在检测到的光场中提供多于一个编码图案使得能够进行原始高光谱数据立方体的断层摄影重建，从而提高了基于单个编码图案捕获数据的方法的保真度。

在一些实施例中，可以提供和检测多于两个编码光场，例如，可以存在四个不同的编码光场(并且每个编码光场可以具有不同的编码)。

在一些实施例中，可以存在单个检测器和可重新配置的编码器装置。在这样的实施例中，第一空间图案和第二空间图案可以在时间上分离，其中编码器在第一剪切光场和第二剪切光场的检测之间被重新配置。在这样的实施例中可以使用单个色散元件(例如，在可重新配置的编码器和单个检测器之间)。

在其他实施例中，编码器可以被布置为提供空间上分离的第一编码光场和第二编码光场。

第一光场和第二光场可以包括互补的空间图案(无论第一编码光场和第二编码光场在空间上还是在时间上分离)。互补的空间图案可以是互补的随机或伪随机空间图案。

编码器可以被配置为在不同方向上反射第一编码光场和第二编码光场。

一些实施例可以组合编码光场的空间和时间分离，检测时间上和空间上分离的编码光场(例如，通过提供空间上分离的第一光场和第二光场的可重新配置的编码器，并且利用不同的编码器图案从检测器收集多于一个照片)。

有利地，利用互补的空间图案编码并在检测之前单独剪切的光场的第一和第二副本的生成在数据立方体重建中提供了更高的保真度。这类似于断层摄影，由此第一和第二副本有效地对应于数据立方体沿不同方向的投影，从而提供关于数据立方体的附加信息，而不是仅使用单个剪切和编码的副本。编码和剪切与两个或更多个副本的检测的组合可以被称为压缩断层摄影。

至少一个色散元件可以包括第一色散元件和第二色散元件，第一色散元件被配置为向第一编码光场施加第一光谱剪切，第二色散元件被配置为向第二编码光场施加第二光谱剪切。

至少一个色散元件可以是或包括透射式色散元件。第一色散元件和第二色散元件中的一者或两者可以是透射式色散元件。

第一光谱剪切和第二光谱剪切可以具有不同的大小。

第一光谱剪切和第二光谱剪切可以具有不同的空间方向。

编码器可以包括数字微镜装置、静态掩模、液晶装置(例如，硅基液晶)。

编码器可以是或包括透射式编码器。编码器和至少一个色散元件都可以是透射式的。使用透射式部件可以使高光谱成像装置更易小型化，特别是当执行压缩断层摄影时。

编码器可以包括被配置为提供第一编码光场的第一编码器部分和被配置为提供第二编码光场的第二编码器部分。第一编码器部分和第二编码器部分可以设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上或沿着相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径设置。第一离散成像路径和第二离散成像路径可以彼此平行。离散成像路径可以避免对诸如分束器的反射元件的需求，这可以进一步使高光谱成像装置更易小型化。

第一色散元件及第二色散元件可设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上。

高光谱成像装置还可以包括光谱编码器，该光谱编码器被配置为在至少一个阵列检测器对第一剪切光场和第二剪切光场进行检测之前对第一剪切光场和第二剪切光场进行光谱编码。这使得高光谱成像装置能够在空间域和光谱域两者中进行编码。这在编码中提供了额外的自由度，因此允许数据立方体的采样中具有更高程度的不相干性(随机性)，并且进而可以改善数据立方体的重建。

光谱编码器可以包括被配置为对第一剪切光场进行光谱编码的第一光谱编码器部分，以及被配置为对第二剪切光场进行光谱编码的第二光谱编码器部分。第一光谱编码器部分和第二光谱编码器部分可以设置在相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径上或沿着相应的第一离散成像路径和第二离散成像路径设置。光谱编码器可以是透射式编码器。

至少一个阵列检测器可以包括第一阵列检测器和第二阵列检测器，第一阵列检测器和第二阵列检测器分别被布置为检测第一剪切光场和第二剪切光场。

高光谱成像装置还可以包括分束器和第三阵列检测器，其中分束器布置在入射件和编码器之间，并且被布置为将光场的一部分提供给第三阵列检测器并将光场的剩余部分提供给编码器。

提供给第三阵列检测器的光场的部分可以是未剪切的(或光谱非分散的)。

高光谱成像装置还可以包括位于入射件和编码器之间的聚焦或中继元件。

聚焦元件可以被布置为将场景成像到编码器上。

色散元件中的至少一个可以包括凹面光栅。

至少一个色散元件可以包括聚焦元件(例如折射或反射元件)和平面光栅的组合。平面光栅可以包括透射光栅、双Amici棱镜等。

至少一个色散元件可以被布置为将第一剪切光场和第二剪切光场分别成像到至少一个阵列检测器上。例如，第一色散元件和第二色散元件可以被配置为将第一剪切光场和第二剪切光场分别成像到第一阵列检测器和第二阵列检测器上。

编码器和至少一个色散元件可以集成为单个部件。该单个部件可以被配置为提供被编码和剪切的第一光场和第二光场。这可以进一步使高光谱成像装置更易小型化。

集成的编码器和至少一个色散元件可以包括设置在至少一个色散元件上的编码图案。至少一个色散元件可以是衍射光栅。编码图案可以光刻印刷到至少一个色散元件上。

处理器可以被布置为通过求解最小化问题来确定数据立方体。

最小化问题可以包括促进稀疏性的正则化项。

处理器可以被布置为求解以下形式的最小化问题：

其中，S₁是由第一检测器检测到的信号，S₂是由第二检测器检测到的信号，k₁和k₂是加权因子，o₁和o₂是取决于编码器以及第一色散元件和第二色散元件的测量算子，φ(I)是促进稀疏性的正则化项，α是正则化参数，||.||表示范数l²，I＝I(x，y，λ)是数据立方体。

处理器还可以被布置为将第三检测器的输出信息与第一检测器和第二检测器的输出信息一起处理，以确定数据立方体。在这样的实施例中，处理器可以被布置为求解以下形式的最小化问题：

其中，S₁是由第一检测器检测到的信号，S₂是由第二检测器检测到的信号，S₃是由第三检测器检测到的信号，k₁、k₂和k₃是加权因子，o₁、o₂和o₃是取决于编码器、第一色散元件和第二色散元件以及分束器的测量算子，φ(I)是促进稀疏性的正则化项，α是正则化参数，||.||表示范数l²，I＝I(x，y，λ)是数据立方体。

根据本公开的第二方面，提供了一种高光谱图像获取的方法，包括：

从场景接收光场；

对光场进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场；

分别向第一编码光场和第二编码光场施加光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场；

分别检测第一剪切光场和第二剪切光场以提供检测数据；以及

处理检测数据以确定与场景的高光谱图像相对应的数据立方体。

任何方面的特征(包括可选特征)可以适当地与任何其他方面的特征组合。参考第一方面的成像装置描述的特征可以用在第二方面的方法中(例如，该方法可以从单个照片获得数据立方体等)。

附图说明

将参考附图仅通过示例的方式描述示例实施例，在附图中：

图1是根据本公开的实施例的高光谱成像装置的示意图；以及

图2是根据另一实施例的高光谱成像装置的示意图。

应当注意，附图是示意性的并且不是按比例绘制的。相同的附图标记通常用于指代修改的和不同的实施例中的对应或类似的特征。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的实施例的高光谱成像装置100。高光谱成像装置100能够进行单次高光谱成像。高光谱成像装置100包括用于从场景106接收光场104的入射件102、编码器108、第一色散元件110和第二色散元件112、第一阵列检测器114和第二阵列检测器116以及处理器118。

入射件102可以包括孔径(例如，或狭缝)，并且被配置为将来自场景的光朝向编码器108引导。

编码器108被布置为从入射件接收光场104的至少一部分并对其进行变换以提供空间上分离的第一编码光场120和第二编码光场122，第一编码光场120和第二编码光场122具有互补的二进制空间图案。编码器108可以是二进制编码器，其包括在第一方向120上或在不同于第一方向120的第二方向122上引导光的反射元件(例如反射镜)阵列。例如，编码器108可以由多个第一类型的反射元件和多个第二类型的反射元件组成。可以存在相似(例如相等)数量的第一类型的反射元件和第二类型的反射元件，但这不是必需的。第一类型的元件可以被配置为在第一方向120上反射入射到编码器108上的光。第二类型的元件可以被配置为在第二方向122上反射入射到编码器108上的光。在第一方向120上反射的光包括第一编码光场，在第二方向上反射的光包括第二编码光场。

在一些实施例中，反射元件可为固定的(例如，编码器108可包括固定镜阵列)。在其他实施例中，第一类型的反射元件和第二类型的反射元件的图案可以是可重新配置的。例如，编码器108可以包括可移动微镜阵列，诸如数字微镜装置(其可在第一角位置和第二角位置之间快速移动)。可重新配置的编码器108可能是有利的，因为可以通过使用不同的编码图案并组合所得数据以便获得高光谱图像立方体(即，使用多于一次拍摄)来获得关于相对缓慢变化的场景的附加信息。

在其他实施例中，编码器108可以不是完全反射的。例如，在一些实施例中，分束器可以用于向第一孔径阵列和与第一阵列互补的第二孔径阵列提供光。这种实施例中的编码器包括第一孔阵列和第二孔阵列。在一些实施例中，可以采用部分反射式编码器，其中入射光的一部分(例如，50％)被编码和透射，并且入射光的另一部分被编码和反射。

返回到图1，第一色散元件110和第二色散元件112被布置为分别向第一编码光场和第二编码光场施加第一光谱剪切和第二光谱剪切，以提供第一剪切光场124和第二剪切光场126。色散元件110、112可以包括反射式色散元件，诸如衍射光栅，但是可以使用任何色散元件(包括透射式色散元件)。第一光谱剪切和第二光谱剪切不同(例如，正和负)可能是有利的，但这不是必需的。

第一色散元件110和第二色散元件112可以是弯曲的衍射光栅，其被配置为将第一剪切光场和第二剪切光场成像到相应的检测器上。在其他实施例中，第一色散元件110和第二色散元件112可以各自包括平坦衍射光栅和聚焦元件(例如透镜或反射镜)，其中聚焦元件被配置为将剪切光场成像到检测器上。

第一阵列检测器114和第二阵列检测器116被布置为分别检测第一剪切光场和第二剪切光场。处理器118被布置为处理第一检测器114和第二检测器116的输出信息，以确定与场景的高光谱图像相对应的数据立方体128。

两个剪切光场124、126可以表示为：

其中下标1和2分别表示第一剪切光场和第二剪切光场，并且系数a表示系统像差和滤波，并且系数c表示来自相应色散元件的色散。注意，系数c₁和c₂不需要具有相反的符号。I表示输入的数据立方体I(x，y，λ)。

高光谱数据立方体128的重建可以由处理器118执行。数据采集过程可以表示为：

[S₁，S₂]^T＝[k₁o₁，k₂o₂]^TI(x，y，λ) (3)

其中S是在相应检测器处检测到的信号，系数k是用于平衡信号之间的强度差的缩放因子，“o”表示信号的测量算子。可以通过求解最小化问题来进行压缩感知框架内的图像重建：

其中，φ(I)是促进稀疏性的正则化项，α是正则化参数，||.||表示范数l²，I＝I(x，y，λ)是数据立方体。(4)中提出的最小化问题可以使用现有方法(例如，TwIST、LASSO、小波去卷积等)来求解。

使用具有两个检测器的互补编码方案使得能够获得单次拍摄的高光谱图像，其中没有浪费入射光，并且这使得能够实现高光谱数据立方体的有效断层摄影重建，因为在第一检测器和第二检测器处检测到的光的编码是互补的。

图2示出了另一实施例200，其中还提供了分束器130。此外，包括透镜134、136(并非所有透镜都被标记)。图1中具有相同附图标记的元件的描述同样适用于图2。

分束器130将光场104分成第一部分104a和第二部分104b。第二部分104b指向编码器108，而第一部分104a指向第三阵列检测器132。第三阵列检测器132可以被配置为拍摄直接图像(即，来自每个x，y像素位置处的全光谱范围内的未剪切图像的强度之和)。由第三检测器检测到的信号可以表示为：

利用额外的第三检测器的数据采集过程可以表示为：

[S₁，S₂，，S₃]^T＝[k₁o₁，k₂o₂，o₃]^TI(x，y，λ) (6)

可以通过求解最小化问题(其使用与(4)类似的符号)来进行图像数据立方体的重建：

在图2的实施例中，示出了聚焦透镜134，其将来自入射件102的光聚焦在编码器108和第三检测器132处。这种聚焦透镜也可以用在图1的实施例中，以将光聚焦在编码器108处。尽管示出了折射透镜，但是可以替代地使用包括反射器的聚焦元件。

添加获得直接图像的第三检测器为高光谱数据立方体的重建提供了更多信息。该直接图像也可以直接在视觉上与输出的数据立方体进行比较，以确保这是正确的。

图2中还示出了用于从编码器108到第一阵列检测器114和第二阵列检测器116的每个光路的两个聚焦透镜136。在图1的实施例中也可以使用类似的透镜布置。编码器108与第一色散元件110之间的透镜在第一色散元件110处准直来自编码器108的光。第一色散元件110和第一阵列检测器114之间的另一透镜136将来自第一衍射元件110的光聚焦在第一阵列检测器114处。类似的布置用于另一个检测路径(通向第二阵列检测器116)。

优选地，透镜与焦距f2匹配，使得从色散元件110、112到编码器108和阵列检测器114、116的距离相同(透镜放置在编码器和色散元件之间的中间，以及色散元件和第一阵列检测器之间的中间)。

尽管在图2的示例实施例中描绘了折射透镜(其可以是容易获得的、紧凑的和低成本的)，但是可以替代地使用反射元件，这可能是有利的，因为它们将倾向于不引入任何不想要的色散。

图3示出了高光谱成像装置300的另一实施例。图1和图2中具有相同或相似附图标记的元件的描述同样适用于图3。高光谱成像装置300包括用于从场景106接收光场104的入射件102、编码器308、第一色散元件310和第二色散元件312、第一阵列检测器114、第二阵列检测器116和第三阵列检测器132以及处理器118。高光谱成像装置300使用与上述高光谱成像装置100、200相同的原理工作，但是利用透射部件而不是反射部件。通过避免使用反射部件(诸如数字微镜装置、分束器和反射衍射光栅)，特别是当执行压缩断层摄影时，使用透射部件可以使高光谱成像装置300更易小型化(并潜在地降低成本)。

在所示的实施例中，高光谱成像装置300包括从场景106到相应的阵列检测器114、116、132的单独的第一离散成像路径301a、单独的第二离散成像路径301b和单独的第三离散成像路径301c。在所示的实施例中，离散成像路径301a、301b、301c彼此平行以避免对分束器的需要，这可以进一步使高光谱成像装置300更易小型化。从入射件102沿着每个成像路径301a、301b和301c的箭头方向本质上是示意性的，并且不一定示出光通过高光谱成像装置300的物理路径。

编码器308包括第一编码器部分308a和第二编码器部分308b。第一编码器部分308a与第一色散元件310和第一阵列检测器314一起作为第一离散成像路径301a的一部分操作。在所示的实施例中，成像透镜340a位于入射件102和第一编码器部分308a之间，并且中继透镜342a位于第一编码器部分308a和第一色散元件310之间。在其他实施例中，可以省略成像透镜340a和中继透镜342a。类似地，第二编码器部分308b与第二色散元件312和第二阵列检测器116一起作为第二离散成像路径301b的一部分操作。在所示的实施例中，成像透镜340b位于入射件102和第二编码器部分308b之间，并且中继透镜342b位于第二编码器部分308b和第二色散元件312之间。在其他实施例中，可以省略成像透镜340b和中继透镜342b。

第一编码器部分108a和第二编码器部分108b各自被布置为从入射件102接收光场104的至少一部分并对其进行变换以提供相应的第一编码光场120和第二编码光场122。第一编码光场120和第二编码光场122具有不同的空间图案。在所示的实施例中，第一编码器部分308a和第二编码器部分308b是透射式编码器，例如第一阵列的孔或掩模和第二阵列的孔或掩模。在一些实施例中，第一编码器部分308a和第二编码器部分108b彼此互补以产生包括互补空间图案的第一编码光场120和第二编码光场122，但这不是必需的。

第一色散元件110和第二色散元件112被布置为将第一光谱剪切和第二光谱剪切分别施加于第一编码光场120和第二编码光场122，以提供第一剪切光场124和第二剪切光场126。在所示的实施例中，第一色散元件110和第二色散元件112各自是透射式色散元件，诸如透射式衍射光栅。第一光谱剪切和第二光谱剪切不同(例如，正和负)可能是有利的，但这不是必需的。

第一阵列检测器114和第二阵列检测器116被布置为分别检测第一剪切光场124和第二剪切光场126。处理器118被布置为处理第一检测器114和第二检测器116的输出信息，以确定与场景的高光谱图像相对应的数据立方体128。处理器118可以根据上面讨论的等式(1)至(7)重建高光谱数据立方体128。

第三离散成像路径301c从入射件延伸到第三阵列检测器132，第三阵列检测器132提供场景106的直接图像，这为高光谱数据立方体128的重建提供更多信息。直接图像直接与输出的数据立方体128进行视觉比较，以确保数据立方体128是正确的。在所示的实施例中，成像透镜340c位于入射件102和第三阵列检测器132之间。在一些实施例中，可以省略成像透镜340c。在一些实施例中，第三成像路径301C可以不存在，或者可以不被利用。

图4示出了高光谱成像装置400的另一实施例。高光谱成像装置400基本上类似于上述高光谱成像装置300，尽管未示出成像透镜和中继透镜。

高光谱成像装置400还包括光谱编码器440。光谱编码器440被配置为在第一阵列检测器114和第二阵列检测器116分别对第一剪切光场124和第二剪切光场126进行检测之前对第一剪切光场124和第二剪切光场126进行光谱编码。在所示的实施例中，光谱编码器440在第一成像路径301a和第二成像路径301b中布置在相应的色散元件310、312之后。在所示的实施例中，类似于编码器308，光谱编码器440包括被配置为对第一剪切光场124进行光谱编码的第一光谱编码器部分440a，以及被配置为对第二剪切光场126进行光谱编码的第二光谱编码器部分440b。第一光谱编码器部分440a作为第一成像路径301a的一部分工作，而第二光谱编码器部分440b作为第二成像路径301b的一部分工作。在一些实施例中，第一光谱编码器部分440a和第二光谱编码器部分440b彼此互补，但这不是必需的。

在所示的实施例中，光谱编码器440是透射式编码器，例如一个或多个孔径阵列。如上所述，透射部件的使用可以使高光谱成像装置400更易小型化。在其他实施例中，光谱编码器可以是反射式编码器，例如数字微镜装置。

上述高光谱成像装置300仅使用编码器308在空间域中进行编码。光谱编码器440结合编码器308使得高光谱成像装置400能够在空间域和光谱域两者中进行编码。编码中的附加自由度可以允许数据立方体128的采样中的更高程度的不相干性(随机性/正交性)，这可以改善重建。

替代地，光谱编码器440可以独立于编码器308(其可以从高光谱成像装置400中省略)使用，以便仅提供光谱编码。还应当理解，光谱编码器(诸如光谱编码器440)可以在上述高光谱成像装置100、200中实现。光谱编码器可以被实现为单个光谱编码器，或者被实现为多个光谱编码器部分。例如，如果第一编码光场120和第二编码光场122(并且因此第一剪切光场124和第二剪切光场126)在时间上分离，则可以采用单个光谱编码器440来对第一剪切光场124和第二剪切光场126进行光谱编码。

在上述实施例中，编码和色散由两个分立的、单独的部件(即编码器108、308和至少一个色散元件110、112、310、312)执行。图5示出了高光谱成像装置500的实施例。高光谱成像装置500类似于图3和图4中所示的实施例。

然而，在图5所示的实施例中，编码器308和至少一个色散元件310、312被集成为单个部件。该单个部件是集成式编码和色散元件550。集成式编码和色散元件550提供编码和剪切的第一光场552和第二光场554。有效地，集成式编码和分散元件550提供第一编码光场120和第一剪切光场124两者作为单个的第一编码和剪切光场552(并且相应地提供第二编码光场122和第二剪切光场126两者作为单个的第二编码和剪切光场554)。

在所示出的实施例中，第一成像路径301a上的第一编码器部分308a及第一色散元件310已由第一集成式编码和色散元件550a替换(且对应地，第二成像路径301b上的第二编码器部分308b及第二色散元件312已由集成式编码和色散元件550b替换)。

在所示的实施例中，集成式编码器和色散元件550是透射部件。在一些实施例中，集成式编码和色散元件550可以包括其上设置有编码图案(例如，使用光刻工艺)的色散元件(例如，衍射光栅，诸如透射式衍射光栅)。

集成式编码和色散元件550缩短了高光谱成像装置500的离散成像路径301a、301b中的光束路径，这可以进一步使得高光谱成像装置500更易小型化。

可选地，诸如上述光谱编码器440的光谱编码器可以与集成式编码和色散元件550结合使用，以便在空间域和光谱域两者中进行编码。

尽管所附权利要求涉及特征的特定组合，但是应当理解，本发明的公开内容的范围还包括本文明确地或隐含地公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合或其任何概括，无论其是否涉及与任何权利要求中当前要求保护的相同的发明，以及无论其是否减轻了与本发明相同的任何或所有相同的技术问题。

在单独实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。申请人在此通知，在本申请或由此导出的任何其他申请的审查期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合制定新的权利要求。

为了完整起见，还陈述了术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”或“一个”不排除多个，并且权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种高光谱成像装置，包括用于从场景接收光场的入射件、编码器、至少一个色散元件、至少一个阵列检测器和处理器，其中：

所述编码器被布置为从所述入射件接收所述光场的至少一部分并对其进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场；

至少一个色散元件被布置为分别向所述第一编码光场和第二编码光场施加光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场；

至少一个阵列检测器被布置为检测所述第一剪切光场和第二剪切光场；以及

所述处理器被布置为处理所述至少一个阵列检测器的输出信息，以确定对应于所述场景的高光谱图像的数据立方体。

2.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器被布置为提供空间上分离的第一编码光场和第二编码光场，所述第一编码光场和第二编码光场具有互补的空间图案。

3.根据权利要求2所述的高光谱成像装置，其中，所述互补的空间图案是互补的随机或伪随机空间图案，和/或其中，所述空间图案是二进制的。

4.根据权利要求2或3所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个色散元件包括第一色散元件和第二色散元件，所述第一色散元件被配置为向所述第一编码光场施加第一光谱剪切，所述第二色散元件被配置为向所述第二编码光场施加第二光谱剪切。

5.根据权利要求4所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个阵列检测器包括第一阵列检测器和第二阵列检测器，所述第一阵列检测器和所述第二阵列检测器分别被布置为检测所述第一剪切光场和所述第二剪切光场。

6.根据权利要求5所述的高光谱成像装置，还包括分束器和第三阵列检测器，其中，所述分束器布置在所述入射件和所述编码器之间，并且被布置为将所述光场的一部分提供给所述第三阵列检测器，并将所述光场的剩余部分提供给所述编码器。

7.根据权利要求5所述的高光谱成像装置，其中，提供给所述第三阵列检测器的光场的所述部分是未剪切的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，施加到所述第一和第二编码光场的所述光谱剪切具有不同的大小和/或不同的空间方向。

9.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器包括数字微镜装置。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器和所述至少一个色散元件中的一者或两者是透射性的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器包括被配置为提供所述第一编码光场的第一编码器部分和被配置为提供所述第二编码光场的第二编码器部分。

12.根据权利要求11所述的高光谱成像装置，其中，所述第一编码器部分设置在第一离散成像路径上，并且所述第二编码器部分设置在第二离散成像路径上。

13.根据间接地从属于权利要求4的权利要求12所述的高光谱成像装置，其中，所述第一色散元件设置在所述第一离散成像路径上，并且所述第二色散元件设置在所述第二离散成像路径上。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的高光谱成像装置，其中，所述第一离散成像路径和所述第二离散成像路径彼此平行。

15.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，还包括光谱编码器，所述光谱编码器被布置为在所述至少一个阵列检测器对所述第一剪切光场和第二剪切光场进行检测之前对所述第一剪切光场和第二剪切光场进行光谱编码。

16.根据权利要求15所述的高光谱成像装置，其中，所述光谱编码器包括第一光谱编码器部分和第二光谱编码器部分，所述第一光谱编码器部分被配置为对所述第一剪切光场进行光谱编码，所述第二光谱编码器部分被配置为对所述第二剪切光场进行光谱编码。

17.根据间接地从属于权利要求12的权利要求16所述的高光谱成像装置，其中，所述第一光谱编码器部分设置在所述第一离散成像路径上，并且所述第二光谱编码器部分设置在所述第二离散成像路径上。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述光谱编码器是透射式编码器。

19.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，还包括位于所述入射件和所述编码器之间的聚焦元件。

20.根据权利要求19所述的高光谱成像装置，其中，所述聚焦元件被布置为将所述场景成像到所述编码器上。

21.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个色散元件包括至少一个凹面光栅。

22.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述色散元件中的至少一个由聚焦元件和平面光栅组合形成。

23.根据权利要求21或22所述的高光谱成像装置，其中，所述至少一个色散元件被布置为将所述剪切光场分别成像到所述至少一个检测器上。

24.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述编码器和所述至少一个色散元件集成为单个部件。

25.根据权利要求24所述的高光谱成像装置，其中，所述集成的编码器和至少一个色散元件包括设置在衍射光栅上的编码图案。

26.根据前述权利要求中任一项所述的高光谱成像装置，其中，所述处理器被布置为通过求解最小化问题来确定所述数据立方体。

27.根据权利要求26所述的高光谱成像装置，其中，所述最小化问题包括促进稀疏性的正则化项。

28.根据权利要求26或27所述的高光谱成像装置，其中，所述处理器被布置为求解以下形式的最小化问题：

其中，S₁是由所述第一检测器检测到的信号，S₂是由所述第二检测器检测到的信号，k₁和k₂是加权因子，o₁和o₂是取决于所述编码器以及第一色散元件和第二色散元件的测量算子，φ(I)是促进稀疏性的正则化项，α是正则化参数，||.||表示范数l²，I＝I(x，y，λ)是所述数据立方体。

29.根据权利要求6或7所述的高光谱成像装置，其中，所述处理器还被布置为将所述第三检测器的输出信息与所述第一检测器和所述第二检测器的输出信息一起处理，以确定所述数据立方体。

30.根据权利要求29所述的高光谱成像装置，其中，所述处理器被布置为求解以下形式的最小化问题：

其中，S₁是由所述第一检测器检测到的信号，S₂是由所述第二检测器检测到的信号，S₃是由所述第三检测器检测到的信号，k₁、k₂和k₃是加权因子，o₁、o₂和o₃是取决于所述编码器、所述第一色散元件和第二色散元件以及所述分束器的测量算子，φ(I)是促进稀疏性的正则化项，α是正则化参数，||.||表示范数l²，I＝I(x，y，λ)是所述数据立方体。

31.一种高光谱图像获取方法，包括：

从场景接收光场；

对所述光场进行变换以提供具有不同空间图案的第一编码光场和第二编码光场；

分别向所述第一编码光场和所述第二编码光场施加光谱剪切，以提供第一剪切光场和第二剪切光场；

分别检测所述第一剪切光场和所述第二剪切光场以提供检测数据；以及

处理所述检测数据以确定与所述场景的高光谱图像相对应的数据立方体。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第一光谱剪切和所述第二光谱剪切具有不同的大小和/或不同的空间方向。

33.根据权利要求31或31所述的方法，还包括通过求解最小化问题来确定所述数据立方体。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述最小化问题包括促进稀疏性的正则化项。