光谱图像是三维(3D)数据结构，由在不同波长下测量的同一场景的多个二维(2D)图像组成。光谱图像在医学成像、遥感、国防和监控以及食品质量评估等领域都有应用。跨多个波长的空间信息量是传统扫描采集成像系统的主要挑战之一，为了获得多个高清图像，这些系统需要较长的曝光时间，因此限制了它们在实时应用中的使用.
博览:2021 Optica平移变化彩色编码的衍射光谱成像系统
技术背景：
光谱图像是三维(3D)数据结构，由在不同波长下测量的同一场景的多个二维(2D)图像组成。光谱图像在医学成像、遥感、国防和监控以及食品质量评估等领域都有应用。跨多个波长的空间信息量是传统扫描采集成像系统的主要挑战之一，为了获得多个高清图像，这些系统需要较长的曝光时间，因此限制了它们在实时应用中的使用.
目前，基于压缩感知(CS)的快照光谱成像(spectral imaging,SI )技术通过感知(sensing)编码投影获取的光谱信息，然后计算复原光谱图像，可以大幅降低所需要采集的光谱信息量。在这种情况下，可以从线性系统准确估计光谱图像，其感知矩阵表示随机测量采集。目前已经有数种基于折射的快照SI仪器，如编码孔径快照光谱成像仪(CASSI )、双编码高光谱成像仪(DCSI )、空间光谱编码压缩高光谱成像系统(SSCSI )、快照彩色压缩光谱成像仪(SCCSI )、棱镜掩模视频成像光谱仪(PMVIS)和单像素相机光谱仪(SPCS)。
基于折射光学的仪器的有多种编码策略。最通用的方法是采用具有不透明或透明特征的黑白编码孔径，阻挡或让光通过每个特定的空间点。因为相同的模式对所有光谱带进行编码，所以这种策略被称为空间编码，通常使用DMD(digital micromirror device)来实现它。另一种方法采用称为彩色编码孔径(CCA)的滤光器阵列实现空间和光谱编码，这需要更强大的调制，从而提高从不适定问题中复原光谱图像的概率。
当前不足：
当前最先进的编码光谱成像系统需要昂贵和大型的光学元件。最近提出了使用衍射光学元件(DOE )替代单个光学透镜来极大减小系统体积的技术，其将光谱图像的形成看作是未知场景与每个光谱波长处的点扩散函数的空间平移不变卷积的光谱积分，这种卷积成像模型具有计算复杂度低的优点。然而，空间光谱调制受到DOE高度图(height map)的限制(即只有高度图是唯一可变的自由参数)，导致重建过程的不适定性显著增加。
文章创新点：
基于此，哥伦比亚桑坦德工业大学的Henry Arguello(一作兼通讯)和美国斯坦福大学的Gordon Wetzstein等人利用DOE的紧凑性CCA丰富的光谱编码优势，提出了一种由DOE和CCA组成的平移变化彩色编码衍射(Sccd)光谱成像系统，并使用端到端方法联合设计具有可微分成像模型的DOE和CCA参数，以最大限度地减少大量图像上真实图像和重建图像之间的偏差。
仿真表明，与当前最先进的系统相比，所提出的系统将频谱重建质量提高了4dB。最后，在室内和室外场景中原型系统的实验结果验证了所提出的系统，它可以在420-660nm范围内恢复多达49个高保真光谱带。
原理解析：
(1)系统硬件组成。如图１，衍射光学元件(DOE)、周期性彩色编码孔径(CCA)加上裸图像传感器组成光谱成像系统。DOE替代透镜对入射光场进行相位调制，CCA对入射光场进行空间和光谱编码。
(2)端到端联合优化设计。在仿真设计时，首先考虑成像到光谱图像复原的前向步骤，DOE、CCA与图像传感器组成PSF平移变化的系统，入射到图像传感器上的光强可以看作为入射光场与系统PSF的卷积。图像传感器感知的光强加上其自身的读取噪声，作为图像复原网络(采用UNet架构)的输入。在每一次前向传递过程中，模拟当前光学元件的PSF，并定义一个损失函数(需要Ground Truth图像)。随后，在反向传播过程中，误差被反向传播到DOE和CCA本身，从而实现光学元件本身参数和图像复原网络参数的优化更新。
DOI：https://doi.org/10.1364/OPTICA.439142
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