基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像

孙景浩; 杨照华; 吴云; 吴令安; 余远金

doi:10.37188/OPE.20233116.2333

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像

现代应用光学 | 更新时间：2023-08-25

- 基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像
- A single-pixel and computational ghost spectral imaging system based on achromatic lens
- 光学精密工程 2023年31卷第16期页码：2333-2342
- 作者机构：
  
  1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050
  2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
  3.北京控制工程研究所，北京 100190
  4.中国科学院物理研究所，北京 100190
  5.北京理工大学自动化学院，北京 100081
- 作者简介：
  
  [ "孙景浩（1997-），男，甘肃白银人，硕士研究生，2023年于兰州理工大学获得硕士学位，主要从事鬼成像的研究。E-mail：920464069@qq.com" ]
  [ "杨照华（1975-），女，研究员，博士生导师，1998年、2004年于哈尔滨工业大学分别获得学士、博士学位，主要从事光学成像探测及应用的研究。E-mail： yangzh@buaa.edu.cn" ]
  [ "余远金（1985-），男，教授，博士生导师，2015年于北京航空航天大学获得博士学位，主要从事关联成像探测及应用，导航、制导与控制研究。E-mail： yuanjin.yu@bit.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(61973018;62173039;61975229);民用航天技术预先研究项目(D040301);北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室开放基金资助(LabSOMP-2022-04)
- DOI：10.37188/OPE.20233116.2333
  中图分类号：
- 收稿日期：2023-03-08，
  
  修回日期：2023-04-04，
  
  纸质出版日期：2023-08-25
- 稿件说明：
移动端阅览
孙景浩,杨照华,吴云等.基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像[J].光学精密工程,2023,31(16):2333-2342.

SUN Jinghao,YANG Zhaohua,WU Yun,et al.A single-pixel and computational ghost spectral imaging system based on achromatic lens[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(16):2333-2342.
孙景浩,杨照华,吴云等.基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像[J].光学精密工程,2023,31(16):2333-2342. DOI： 10.37188/OPE.20233116.2333.

SUN Jinghao,YANG Zhaohua,WU Yun,et al.A single-pixel and computational ghost spectral imaging system based on achromatic lens[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(16):2333-2342. DOI： 10.37188/OPE.20233116.2333.

摘要

光谱成像系统受色差影响会导致图谱混叠，本文将单像素成像以及计算关联成像分别与光谱成像系统相结合，并在系统中引入900~1 700 nm适用的消色差透镜来校正色差。首先计算出不同胶合消色差透镜的色差大小并以此选取透镜，所选消色差透镜相较其它透镜对色差校正可以提高一个量级。其次分析了色差对光谱成像系统的影响以及单像素成像和计算关联成像的差异。最后仿真和试验分析单像素光谱成像和计算关联光谱成像特点。试验结果表明对于900~1 700 nm的近红外光谱成像，基于消色差透镜的单像素光谱成像系统取得了更好的图像重构结果，其峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）提高了3.93 dB，结构相似度（Structural Similarity

SSIM）提高了0.96%。消色差透镜的单像素光谱成像系统在近红外光谱成像中重构图像效果优于无消色差透镜的计算关联光谱成像。

Abstract

The influence of chromatic aberration in a spectral imaging system leads to spectral overlap of an image. This study combines single-pixel imaging and computational ghost imaging in a spectral imaging system， with an achromatic lens of 900-1 700 nm focal length to correct for chromatic aberration. First， the chromatic aberration of achromatic lenses made of different materials was calculated， and a suitable lens was selected accordingly； its aberration-correction was improved by an order of magnitude compared with other lenses. Second， the effects of chromatic aberration on spectral imaging systems and the differences between single-pixel imaging and computational ghost imaging were analyzed. Finally， two spectral imaging systems were compared through simulation and experimental analysis. The experimental results indicate that in the 900-1 700 nm wavelength range， the single-pixel spectral imaging system based on an achromatic lens achieves better image reconstruction results， with peak signal-to-noise ratio （PSNR）］and structural similarity （SSIM） improvements of 3.93 dB and 0.96%， respectively. Simulations and experiments verify that the near-infrared single-pixel spectral imaging system based on an achromatic lens performs better than computational ghost spectral imaging.

关键词

Keywords

references

KANNO H ， MIKAMI H ， GODA K . High-speed single-pixel imaging by frequency-time-division multiplexing ［J］. Optics Letters ， 2020 ， 45 （ 8 ）： 2339 - 2342 . doi: 10.1364/ol.390345 http://dx.doi.org/10.1364/ol.390345

QIU Z ， ZHANG Z ， ZHONG J . Comprehensive comparison of single-pixel imaging methods ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2020 ， 134 ： 106301 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2020.106301 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106301

YANG W ， YIN K ， SHI D ， et al . Single pixel imaging via sparse projection angle sampling ［J］. Optics Communications ， 2021 ， 499 ： 127284 . doi: 10.1016/j.optcom.2021.127284 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2021.127284

YANG X ， JIANG P ， JIANG M ， et al . High imaging quality of Fourier single pixel imaging based on generative adversarial networks at low sampling rate ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2021 ， 140 ： 106533 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2021.106533 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2021.106533

CANDÈS E ， ROMBERG J . Sparsity and incoherence in compressive sampling ［J］. Inverse Problems ， 2007 ， 23 （ 3 ）： 969 - 985 . doi: 10.1088/0266-5611/23/3/008 http://dx.doi.org/10.1088/0266-5611/23/3/008

DUARTE M F ， DAVENPORT M A ， TAKHAR D ， et al . Single-pixel imaging via compressive sampling ［J］. IEEE Signal Processing Magazine ， 2008 ， 25 （ 2 ）： 83 - 91 . doi: 10.1109/msp.2007.914730 http://dx.doi.org/10.1109/msp.2007.914730

PITTMAN T B ， SHIH Y H ， STREKALOV D V ， et al . Optical imaging by means of two-photon quantum entanglement ［J］. Physical Review A， Atomic， Molecular， and Optical Physics ， 1995 ， 52 （ 5 ）： R3429 - R3432 . doi: 10.1103/physreva.52.r3429 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.52.r3429

BENNINK R S ， BENTLEY S J ， BOYD R W . “Two-photon” coincidence imaging with a classical source ［J］. Physical Review Letters ， 2002 ， 89 （ 11 ）： 113601 . doi: 10.1103/physrevlett.89.113601 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.89.113601

SHAPIRO J H . Computational ghost imaging ［J］. Physical Review A ， 2008 ， 78 （ 6 ）： 061802 . doi: 10.1103/physreva.78.061802 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.78.061802

QI Y ， LI L ， ZHOU G ， et al . A single-pixel hyperspectral imager using two-stage Hadamard encoding ［J］. Optics Communications ， 2020 ， 470 ： 125813 . doi: 10.1016/j.optcom.2020.125813 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125813

WANG Y W ， SUO J L ， FAN J T ， et al . Hyperspectral computational ghost imaging via temporal multiplexing ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2016 ， 28 （ 3 ）： 288 - 291 . doi: 10.1109/lpt.2015.2494878 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2015.2494878

WU J R ， LI E R ， SHEN X ， et al . Experimental results of the balloon-borne spectral camera based on ghost imaging via sparsity constraints ［J］. IEEE Access ， 2018 ， 6 ： 68740 - 68748 . doi: 10.1109/access.2018.2879849 http://dx.doi.org/10.1109/access.2018.2879849

ZHANG H ， MA X ， ARCE G R . Compressive spectral imaging approach using adaptive coded apertures ［J］. Applied Optics ， 2020 ， 59 （ 7 ）： 1924 - 1938 . doi: 10.1364/ao.382854 http://dx.doi.org/10.1364/ao.382854

高泽东，高洪兴，朱院院，等 . 快照式光谱成像技术综述［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1323 - 1343 . doi: 10.3788/ope.20202806.1323 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1323

GAO Z D ， GAO H X ， ZHU Y Y ， et al . Review of snapshot spectral imaging technologies ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1323 - 1343 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202806.1323 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1323

JIN S L ， HUI W W ， WANG Y L ， et al . Hyperspectral imaging using the single-pixel Fourier transform technique ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 ： 45209 . doi: 10.1038/srep45209 http://dx.doi.org/10.1038/srep45209

LI Z W ， SUO J L ， HU X M ， et al . Efficient single-pixel multispectral imaging via non-mechanical spatio-spectral modulation ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 ： 41435 . doi: 10.1038/srep41435 http://dx.doi.org/10.1038/srep41435

MONAKHOVA K ， YANNY K ， AGGARWAL N ， et al . Spectral DiffuserCam： lensless snapshot hyperspectral imaging with a spectral filter array ［J］. Optica ， 2020 ， 7 （ 10 ）： 1298 . doi: 10.1364/optica.397214 http://dx.doi.org/10.1364/optica.397214

ZHANG Z B ， LIU S J ， PENG J Z ， et al . Simultaneous spatial， spectral， and 3D compressive imaging via efficient Fourier single-pixel measurements ［J］. Optica ， 2018 ， 5 （ 3 ）： 315 . doi: 10.1364/optica.5.000315 http://dx.doi.org/10.1364/optica.5.000315

赵梓栋，杨照华，李高亮 . 基于测量基优化的低采样率单像素成像［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 5 ）： 1008 - 1013 . doi: 10.37188/OPE.20212905.1008 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.1008

ZHAO Z D ， YANG Z H ， LI G L . Sub-Nyquist single-pixel imaging by optimizing sampling basis ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 5 ）： 1008 - 1013 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212905.1008 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212905.1008

王美钦，王忠厚，白加光 . 宽谱段光学系统消二级光谱的设计［J］. 应用光学， 2010 ， 31 （ 3 ）： 360 - 364 . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.004

WANG M Q ， WANG ZH H ， BAI J G . Removing secondary spectrum in wide spectrum optical system ［J］. Journal of Applied Optics ， 2010 ， 31 （ 3 ）： 360 - 364 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.004

王之江 . 光学设计理论基础［M］. 北京：科学出版社， 1965 .

WANG ZH J . Theoretical Basis of Optical Design ［M］. Beijing ： Science Press ， 1965 . （in Chinese）．

孙宇哲 . 基于DMD调制的高信噪比计算关联成像方法研究及应用［D］. 北京：北京航空航天大学， 2019 .

FERRI F ， MAGATTI D ， LUGIATO L A ， et al . Differential Ghost Imaging ［J］. Physical Review Letters ， 2010 ， 104 （ 25 ）： 253603 . doi: 10.1103/physrevlett.104.253603 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.104.253603

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

数字微镜器件光谱成像技术进展

高温构件傅里叶单像素成像系统设计

自适应Radon单像素成像

快照式光谱成像技术综述

像素级光学滤波—探测集成器件的研究进展