本发明涉及光场光谱成像，具体涉及一种基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置及方法。
背景技术：
1、随着光学成像以及计算技术的快速发展，计算光学成像得到广泛且深入的研究。计算光学成像的一项重要目标是同时探测获取输入光波场的七维全光函数，分别是三维空间，二维偏振方向，一维波长和一维时间。计算光学成像区别于传统成像技术，可以结合计算光谱成像和光场成像技术，获取景物目标的更多光学信息，拓展了应用场景。光谱成像能获取目标的几何影像，并感知其光谱特性，将光学成像和光谱测量技术结合起来，得到物体的二维空间信息和一维光谱信息，构成图谱数据立方体，由于不同材料成分的光谱曲线不同，光谱“指纹”可以用于材料成分的检测和识别。它已广泛应用于遥感、生物医学、天文观测和军事侦察等领域。光场成像技术则可以记录入射光波场的不同视场的光线强度和方向，基于数字重对焦等方法，可以恢复重建目标景物的三维空间信息。
2、光场光谱成像方法同时具备了光谱成像与光场成像技术的优势和特点，在记录下目标景物的三维坐标的同时，也记录下了光谱信息，是解析全光函数多维度信息的重要途径。目前多数光场光谱的采集都采用扫描的方式，比如使用安装在龙门架上的光谱仪，通过设置不同视角，分别对光谱维度进行按顺序的扫描；或者使用微透镜阵列，并加入可调解的滤光片进行光谱维扫描；或是利用两台相机分别获取光谱和光场数据，形成双光路系统，但这种双光路设置较容易出现对准误差，影响观测精度。为克服扫描式采集造成的时间分辨率降低和双并行通道出现的误差，提出了将光场成像与光谱成像相结合的快照高光谱光场成像系统。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置及方法。通过对光场分布信息进行分割、编码采样，之后进行光谱色散，面阵探测器获取混叠数据，通过图谱数据重构算法，恢复得到同时包含目标场景三维空间信息和一维光谱信息的四维数据超立方体。在提高时间分辨率的同时降低了观测误差，实现了较为精准的光场光谱图像获取，达到光场光谱图像的实时高精度重构。
2、第一方面，本发明提供一种基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，包括：光场成像结构子系统、快照式光谱成像结构子系统和数据重构子系统；
3、所述光场成像结构子系统，用于获取目标物体的光场分布信息；
4、所述快照式光谱成像结构子系统，用于对所述光场分布信息进行分割与编码，从空间维度上对光场分布进行压缩和稀疏采样，并在光谱维上进行分光色散，得到光场图谱混叠数据；其中，所述光场图谱混叠数据中同时包括目标景物的光场信息和光谱信息；
5、所述数据重构子系统，对所述光场图谱混叠数据进行光场图谱数据恢复重构，得到单谱段光场图像序列。
6、进一步的，其中，所述光场成像结构子系统，包括沿光路依次设置的主物镜和微透镜阵列，景物目标的光波场由所述主物镜进行探测并且在所述微透镜阵列形成目标景物的光场分布信息。
7、进一步的，其中，所述快照式光谱成像结构子系统为基于像面分割编码的快照式光谱成像结构子系统，包括沿光路依次设置的远心物镜、编码微反射镜阵列、准直镜、色散元件、重成像镜阵列和探测器；其中，所述远心物镜用于接收由所述微透镜阵列输出的目标物体的光场分布信息，所述探测器输出光场图谱混叠数据。
8、进一步的，其中，所述微透镜阵列放置在所述主物镜的后焦面上。
9、进一步的，其中，在所述光场成像结构子系统与所述快照式光谱成像结构子系统之间的中间像面s'为所述微透镜阵列的后焦面位置，且该中间像面s'的辐照度分布e(s',t')表示为：
10、
11、式中，d是中间像面s'和主物镜入瞳之间的距离，a是孔径函数，θ是光线(u',v',s',t')和中间像面s'之间的入射角；l(u',v',s',t')是七维全光函数的简化形式，(u',v')代表主物镜所在平面，(s',t')代表微透镜阵列所在平面，l(u',v',s',t')表示这两个面之间的所有光线集合。最终得到该中间像面s'上的辐照度分布为：
12、
13、其中，l为光场，α为主物镜到像面的距离，β为主物镜到微透镜阵列的距离。
14、进一步的，其中，所述编码微反射镜阵列是一种带二值化编码掩模的、由多条长条形反射镜组成的条形反射镜阵列，每个长条形反射镜的反射镜面具有不同的二维倾斜角度。
15、进一步的，其中，所述色散元件为双amici棱镜，其等效理想的色散公式表示为：
16、
17、其中，是棱镜中不同波长的色散系数，ξ'，ξ'm，η'是棱镜坐标，λ为波长；i、k是和所述编码微反射镜阵列(4)有关的常数。
18、进一步的，其中，所述图像重构子系统利用交替方向乘子法(admm)进行光场图谱数据恢复重构，或者利用pnp-dip算法建立自监督式神经网络开展数据重构，最终得到单谱段光场图像序列。
19、第二方面，本发明还提供一种基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像方法，包括：
20、获取目标物体的光场分布信息；
21、对所述光场分布信息进行分割与编码，从空间维度上对光场分布进行压缩和稀疏采样，并在光谱维上进行分光色散，得到光场图谱混叠数据；其中，所述光场图谱混叠数据中同时包括目标景物的光场信息和光谱信息；
22、对所述光场图谱混叠数据进行光场图谱数据恢复重构，得到单谱段光场图像序列。
23、进一步的，其中，所述对所述光场图谱混叠数据进行光场图谱数据恢复重构，得到单谱段光场图像序列g(x,y,z,k)，
24、
25、其中，f(x,y,z,λ)为待重构的四维光谱光场数据，1≤x≤w，1≤y≤h，1≤z≤s，1≤λ≤ω，k＝1,2...,n分别对应了光场分布的n个光谱通道；w、h、s、ω为常数，w、h、s代表数据的大小，ω代表光谱通道数，；wk(λ)是光场成像子系统中每个光谱通道的信息；
26、将光谱坐标划分为450-530nm、540-600nm和610-690nm三个区间，这三个区间分别对应光场分布的蓝色、绿色和红色通道，用于合成彩色图像展示；
27、令f(x,y,z,λ)＝f，四维光谱光场数据的格式用如下公式来表示：
28、
29、其中，d是光谱光场系统中输出的数据，由组成，α是d的稀疏向量，由组成，恢复f的方式为：
30、
31、其中，τ是正则化参数，g是光场光谱系统输出的测量值，φ是光场光谱系统的稀疏矩阵。
32、与现有技术相比，本发明一种基于光场图像分割与编码的快照式光谱立体成像方法及装置具有以下增益效果：
33、1.与其他光谱立体成像方法和装置相比，本发明在从原理上基于压缩感知理论，利用目标景物光波场信息的稀疏性，可以对三维空间与一维光谱信息进行编码压缩采样，能够有效避免多维信息量的增加对各维度数据分辨率的影响，从光学结构机理上，保证了重建数据的质量；同时，采用对光场分布信息进行像面分割、编码的方式，有效增加了一次像面进行光波场调制设计的自由度，并降低混叠，增加了有效信息，从原理上能够进一步提升重构算法的精度和性能；本发明依据压缩重建与光场三维重建方法开发了数据重构算法，能够有效恢复目标景物的光谱立体数据。
34、2.本发明克服了传统光场光谱成像系统分辨率较低或者较易出现对准误差的问题，设计了将光场相机和基于像面分割编码的快照式光谱成像系统结合起来的光场光谱系统，能够保证较高空间光谱分辨率，实现了较为精准的光场光谱图像获取。
35、3.本发明专利具有光谱信息和光场信息同时获取的多模态成像优势。
36、4.本发明通过将传统算法和基于深度学习的算法进行重构，可以达到光场光谱图像的实时高精度重构，重构的图像和原图像结构相似度高。
1.基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，包括：光场成像结构子系统(10)、快照式光谱成像结构子系统(20)和数据重构子系统(30)；
2.如权利要求1所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述光场成像结构子系统(10)，包括沿光路依次设置的主物镜(1)和微透镜阵列(2)，景物目标的光波场由所述主物镜(1)进行探测并且在所述微透镜阵列(2)后形成目标物体的光场分布信息。
3.如权利要求1或2所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述快照式光谱成像结构子系统(20)为基于像面分割编码的快照式光谱成像结构子系统，包括沿光路依次设置的远心物镜(3)、编码微反射镜阵列(4)、准直镜(5)、色散元件(6)、重成像镜阵列(7)和探测器(8)；其中，所述远心物镜(3)用于接收由所述微透镜阵列(2)输出的目标景物的光场分布信息，所述探测器(8)输出光场图谱混叠数据。
4.如权利要求3所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述微透镜阵列(2)放置在所述主物镜(1)的后焦面上。
5.如权利要求4所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，
6.如权利要求1所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述编码微反射镜阵列是一种带二值化编码掩模的、由多条长条形反射镜组成的条形反射镜阵列，每个长条形反射镜的反射镜面具有不同的二维倾斜角度。
7.如权利要求1所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述色散元件(6)为双amici棱镜，其等效理想的色散公式表示为：
8.如权利要求1所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像装置，其中，所述图像重构子系统(30)利用交替方向乘子法(admm)进行光场图谱数据恢复重构，或者利用pnp-dip算法建立自监督式神经网络开展数据重构，最终得到单谱段光场图像序列。
9.基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像方法，其特征在于，包括：
10.如权利要求9所述的基于光场分割与编码的快照式光谱立体成像方法，其中，所述对所述光场图谱混叠数据进行光场图谱数据恢复重构，得到单谱段光场图像序列g(x,y,z,k)，
