推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正方法及系统与流程

本发明涉及高光谱成像与显微光学，具体涉及一种推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正方法及系统。

背景技术：

1、推扫式显微高光谱成像技术作为一种将显微光学成像与高光谱分析深度融合的先进探测手段，能够在获取待测样本微观空间形貌的同时，同步收集其极其丰富的连续光谱响应信息。该技术凭借其高空间分辨率与高光谱分辨率的图谱合一优势，在生物医学组织筛查、材料科学组分分析、微纳器件缺陷检测等前沿交叉领域发挥着不可替代的作用。在标准的推扫式工作模式下，高光谱系统的面阵探测器在单次曝光即可记录空间一维与光谱一维的二维图像信息，而另一维度的空间形貌则依托精密位移台的物理扫描步进来获取，由此构建出完整的三维高光谱数据立方体。

2、然而，由于显微高光谱系统内部包含复杂的色散元件与多级光学透镜组，光信号在微观光路中的分光与聚焦传输过程中，不可避免地会受到光学系统固有像差及装配公差的影响，从而在探测器靶面上引入两种典型的几何与光学形态畸变：谱线弯曲畸变（smile畸变）和梯形畸变（keystone畸变）。前者表现为同一波长的谱线在空间维发生非线性弯曲，导致实际响应的中心波长随空间位置产生偏移；后者则表现为同一空间目标的光谱响应在光谱维呈现梯形缩放或拉伸，导致真实的物理空间坐标随波长发生位移。目前，业内针对上述畸变的校正技术多脱胎于宏观遥感领域，通常采用分立校正的解决思路，即先利用单色仪输出特征波长光拟合出谱线弯曲系数，随后再重新搭建测试流程，通过追踪不同波长光斑的位置变化去单独拟合梯形拉伸系数，以此实现对畸变图像的几何重采样与数值补偿。

3、这种传统的分立校正模式在应用于微观显微光路时暴露出了极其明显的精度局限与误差残留缺陷。由于显微系统中高倍率物镜、大数值孔径以及狭缝边缘衍射等因素的综合交织，使得光谱与空间的畸变程度随波长和空间位置呈现出高度复杂的非线性变化特征，传统的独立多项式拟合往往无法真实反映视场边缘区域极端的畸变形态，导致边缘校准残留严重。更为关键的是，在实际的显微光路物理场中，谱线弯曲畸变与梯形畸变并非孤立存在，而是呈现出极强的多维耦合交织关系。现有的分立标校方案人为地将二者的内在物理关联割裂开来，强行进行降维分步校准，这种处理机制不可避免地会导致某单一维度的校正残差直接向另一维度交叉传递与累加扩散。这种底层联合建模逻辑的缺失，使得现有标定系统陷入了单维修复、多维失效的技术困境，无法从源头上消除非线性耦合误差，难以满足高端显微高光谱仪在微观大视场定量化分析场景下的严苛应用需求。因此，迫切需要提出一种新的空谱耦合畸变校正方法以克服上述技术缺陷。

技术实现思路

1、本发明提供了一种推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正方法及系统，以解决现有分立校正技术在应对显微光路复杂非线性效应时，存在的边缘视场畸变校准残留严重、谱线弯曲畸变与梯形畸变因脱节校正导致的误差交叉传递与累加扩散，以及传统多次独立标校流程繁琐且整体效率低下的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正方法，包括：

3、获取推扫式显微高光谱成像仪在不同标称波长和不同空间扫描位置的光斑图像；

4、从各个所述光斑图像中提取单色光斑在光谱维的谱线峰值坐标及在空间维的光斑空间坐标，并将提取的所述谱线峰值坐标和所述光斑空间坐标与对应的所述标称波长和所述空间扫描位置进行关联，构建空谱耦合畸变特征数据集；

5、以所述标称波长和所述空间扫描位置分别作为理想波长坐标和理想空间坐标，构建用于将二者映射至实际畸变偏移量的二维耦合畸变模型，其中，所述实际畸变偏移量包括空间坐标偏移量以及谱线峰值坐标偏移量；

6、利用所述空谱耦合畸变特征数据集对所述二维耦合畸变模型进行联合拟合求解，确定模型参数，基于确定模型参数后的所述二维耦合畸变模型生成空谱耦合校正矩阵；

7、基于所述空谱耦合校正矩阵对待校正光谱图像进行畸变校正处理，得到校正后的光谱图像。

8、有益效果：本方法通过在同一次采集流程中获取同时携带标称波长与空间扫描位置信息的光斑图像，同步提取谱线峰值坐标与光斑空间坐标，构建空谱耦合畸变特征数据集，使谱线弯曲信息与位置偏移信息不再分开记录、分开采集；进而以标称波长和空间扫描位置分别作为理想波长坐标和理想空间坐标，构建统一的二维耦合畸变模型，将理想波长坐标与理想空间坐标共同作为模型输入，对空间坐标偏移量与谱线峰值坐标偏移量进行联合拟合求解，生成空谱耦合校正矩阵，并据此对待校正光谱图像中各像元的空间坐标与光谱坐标同步进行重映射校正，得到校正后的光谱图像。由于该二维耦合畸变模型能够更真实地拟合畸变随波长和空间位置呈现的非线性变化规律，相较于现有技术中难以适配显微光路复杂非线性效应的分立校正方案，本方法更适配显微光路场景，能够有效降低视场边缘区域的校正残留误差；同时，由于空间坐标偏移量与谱线峰值坐标偏移量始终通过同一模型、依据同一组模型参数联合求解得到，两者之间保持内在的对应关系，校正处理时也能够对像元的空间坐标与光谱坐标同步进行调整，从根本上避免了现有技术中因谱线弯曲畸变与梯形畸变分立校正、导致一个维度的校正残差向另一维度交叉传递累积的问题；此外，由于波长维与空间维的特征数据是在同一次采集流程中同步获取的，校正矩阵也是在统一的建模求解流程中一并生成的，无需像现有技术那样针对不同维度分别搭建标定流程、独立采集数据，本方法进一步简化了标定操作环节，提升了整体标校效率。

9、在一种可选的实施方式中，所述获取推扫式显微高光谱成像仪在不同标称波长和不同空间扫描位置的光斑图像，包括：

10、按照预设的波长扫描范围和波长步进间隔，控制单色仪依次输出对应所述标称波长的单色光斑；

11、针对任一所述标称波长，控制对应的所述单色光斑按照预设的空间扫描步长，沿狭缝方向进行空间位置的逐点步进移动；

12、获取每一个步进移动位置推扫式显微高光谱成像仪的所述光斑图像，得到不同标称波长和不同空间扫描位置的所述光斑图像。

13、在一种可选的实施方式中，所述控制所述单色光斑按照预设的空间扫描步长沿狭缝方向进行空间位置的逐点步进移动的过程中，采用行扫描模式或列扫描模式进行：

14、所述行扫描模式包括以下步骤：

15、输出第一个所述标称波长的单色光斑；

16、控制所述单色光斑沿狭缝方向步进至第一个所述空间扫描位置，触发所述推扫式显微高光谱成像仪进行单帧曝光，采集当前位置的所述光斑图像；

17、控制所述单色光斑依次步进至下一个所述空间扫描位置并重复触发采集，直至完成当前所述标称波长下所有所述空间扫描位置的图像采集；

18、切换输出下一个所述标称波长的单色光斑，重复上述空间位置逐点步进与图像采集操作，直至完成所有所述标称波长的扫描；

19、所述列扫描模式包括以下步骤：

20、控制所述单色光斑移动至第一个所述空间扫描位置；

21、输出第一个所述标称波长的单色光斑，触发所述推扫式显微高光谱成像仪进行单帧曝光，采集当前波长的所述光斑图像；

22、依次切换输出下一个所述标称波长的单色光斑并重复触发采集，直至完成当前所述空间扫描位置下所有所述标称波长的图像采集；

23、控制所述单色光斑步进移动至下一个所述空间扫描位置，重复上述波长逐点切换与图像采集操作，直至完成所有所述空间扫描位置的扫描。

24、在一种可选的实施方式中，所述从各个所述光斑图像中提取单色光斑在光谱维的谱线峰值坐标及在空间维的光斑空间坐标，并将提取的所述谱线峰值坐标和所述光斑空间坐标与对应的所述标称波长和所述空间扫描位置进行关联，构建空谱耦合畸变特征数据集，包括：

25、针对每一帧所述光斑图像，提取当前标称波长和当前空间扫描位置下的所述单色光斑在光谱维的谱线峰值坐标以及在空间维的光斑空间坐标；

26、将提取的所述谱线峰值坐标和所述光斑空间坐标，与对应的所述标称波长以及当前的所述空间扫描位置进行关联；

27、汇集所有关联后的数据，构建包含所述标称波长、所述空间扫描位置与所述谱线峰值坐标及所述光斑空间坐标之间映射关系的空谱耦合畸变特征数据集。

28、在一种可选的实施方式中，所述二维耦合畸变模型基于二元映射关系函数构建，所述二元映射关系函数表示为：

29、

30、式中，为将理想空间坐标和理想波长坐标映射为实际畸变偏移量的二元映射关系函数，为所述理想空间坐标，为所述理想波长坐标，为所述空间坐标偏移量；为所述谱线峰值坐标偏移量。

31、在一种可选的实施方式中，所述二元映射关系函数的获取步骤包括：

32、获取所述推扫式显微高光谱成像仪当前成像光路中配置的物镜倍率参数，并将所述物镜倍率参数与预设倍率阈值进行比对；

33、若所述物镜倍率参数小于或等于所述预设倍率阈值，则采用二维多项式拟合模型作为所述二元映射关系函数；

34、若所述物镜倍率参数大于所述预设倍率阈值，则采用径向基函数神经网络模型作为所述二元映射关系函数。

35、在一种可选的实施方式中，所述利用所述空谱耦合畸变特征数据集对所述二维耦合畸变模型进行联合拟合求解，确定模型参数，基于确定模型参数后的所述二维耦合畸变模型生成空谱耦合校正矩阵，包括：

36、根据预设的分区规则，将成像视场沿狭缝方向划分为中心区域、近边缘区域和远边缘区域；

37、针对所述中心区域、所述近边缘区域和所述远边缘区域，分别配置对应的拟合多项式阶数和权重分配参数；

38、根据各个区域对应的所述拟合多项式阶数和所述权重分配参数，利用所述空谱耦合畸变特征数据集对所述二维耦合畸变模型进行分区域联合拟合求解，确定各区域对应的模型参数；

39、获取所述成像视场内各个像元对应的所述理想空间坐标和所述理想波长坐标，并将其分别代入确定模型参数后的所述二维耦合畸变模型中，计算出各个像元对应的所述实际畸变偏移量，以生成所述空谱耦合校正矩阵。

40、在一种可选的实施方式中，所述基于所述空谱耦合校正矩阵对待校正光谱图像进行畸变校正处理，得到校正后的光谱图像，包括：

41、获取所述推扫式显微高光谱成像仪推扫采集的包含空间维和光谱维的每一帧原始图像，将所述原始图像作为所述待校正光谱图像；

42、针对所述待校正光谱图像中的每一个目标像元，根据该像元的坐标位置，从所述空谱耦合校正矩阵中读取其对应的所述空间坐标偏移量和所述谱线峰值坐标偏移量；

43、根据读取的所述空间坐标偏移量和所述谱线峰值坐标偏移量，对所述待校正光谱图像中各个像元的空间坐标与光谱坐标进行同步位置重映射，得到所述校正后的光谱图像。

44、在一种可选的实施方式中，在得到校正后的光谱图像之后，还包括：

45、控制标准谱线光源输出包含已知特征波长的标准谱线光束，并将所述标准谱线光束导入所述推扫式显微高光谱成像仪的成像光路中；

46、由所述推扫式显微高光谱成像仪沿狭缝方向推扫采集所述标准谱线光束的全视场原始图像，并对所述全视场原始图像调用所述空谱耦合校正矩阵进行畸变校正处理，得到全视场验证图像；

47、从所述全视场验证图像中提取同一已知特征波长对应谱线在狭缝方向各空间位置处的光谱维坐标偏差值，以及同一空间特征在不同波长下的空间坐标一致性偏差值；

48、判断所述光谱维坐标偏差值和所述空间坐标一致性偏差值是否超出预设的误差阈值，若其中任一偏差值超出误差阈值，则重新优化所述二维耦合畸变模型参数或补充采集所述空谱耦合畸变特征数据集。

49、第二方面，本发明提供了一种推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正系统，包括：

50、光源模块，用于提供特征波长已知的标准线光谱或连续宽谱输出；

51、单色仪，其输入端与所述光源模块的输出端光路耦合，用于接收所述光源模块输出的光，并按照预设的波长扫描范围和波长步进间隔，依次输出对应标称波长的单色光；

52、光纤耦合模块，其输入端与所述单色仪的输出端光路耦合，用于接收并传输所述单色仪输出的单色光；

53、显微光路模块，其输入端与所述光纤耦合模块的输出端光路耦合，用于接收并聚焦所述光纤耦合模块传输的单色光，形成单色光斑；

54、推扫式高光谱成像仪，设置于所述显微光路模块的输出光路上，用于对所述单色光斑进行单帧曝光，采集所述单色光斑在空间维和光谱维的光斑图像；

55、电控位移模块，与所述光纤耦合模块的输出端机械耦合，用于按照预设的空间扫描步长，驱动所述光纤耦合模块的输出端沿狭缝方向进行一维逐点步进移动，以带动所述单色光斑在所述推扫式高光谱成像仪的成像视场内逐点改变空间位置，配合所述推扫式高光谱成像仪的单帧曝光，获取不同标称波长和不同空间扫描位置下的所述光斑图像；

56、数据处理模块，分别与所述单色仪、所述电控位移模块、所述推扫式高光谱成像仪连接，用于执行上述所述的推扫式显微高光谱成像仪的空谱耦合畸变校正方法。

57、有益效果：本技术提供的这套系统，通过光源模块、单色仪、光纤耦合模块、显微光路模块、推扫式高光谱成像仪之间依次首尾对接的连接方式，形成了一条完整、连贯的光路传输链路，使标定用的单色光斑能够被稳定地传输并聚焦至成像视场内，为后续标定数据的采集提供了可靠的硬件基础；同时，电控位移模块仅需驱动光纤耦合模块的输出端沿狭缝方向进行一维步进移动，即可配合推扫式高光谱成像仪的单帧曝光，完成不同标称波长和不同空间扫描位置组合下光斑图像的采集，相较于在成像视场内进行二维网格式扫描的方式，扫描路径更为简单、标定效率更高；此外，数据处理模块直接接收推扫式高光谱成像仪采集的光斑图像并执行空谱耦合畸变校正方法，使系统能够在同一套硬件架构内，一体化完成从数据采集到生成同时包含空间坐标偏移量与谱线峰值坐标偏移量的空谱耦合校正矩阵、再到图像校正处理的全部流程，无需针对空间维和光谱维分别搭建标定流程、独立采集数据，提升了整套系统的标定效率和使用便捷性。