周报：2021-2-15~2021-2-21

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本周工作：

• Ding H , Chen C , Zhao H , et al. Smartphone based multispectral imager and its potential for point-of-care testing[J]. Analyst, 2019, 144.

• Deng C , Hu X , Suo J , et al. Snapshot hyperspectral imaging via spectral basis multiplexing in Fourier domain[J]. Optics Express, 2018, 26(25):32509.

• Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele,等. 3D-printed miniature spectrometer for the visible range with a 100 × 100 μm2 footprint[J]. 2021.

Paper 1

Title

《基于智能手机的多光谱成像仪及其即时检验的潜力》

Smartphone based multispectral imager and its potential for point-of-care testing

Contents

本文提出了一种受昆虫复眼结构启发的能够结合手机相机实现的小型多光谱成像仪，目的是为了能够实现一次曝光时间内获取多光谱图像。

用于实现色散的小薄片本质采用了昆虫复眼结构，即：将若干成像镜片排列在 自制的法布里佩罗标准具（设定的不同谐振腔深度实现滤光片效果）前方，因此可以直接在后方成像，但所成的像在几何上有旋转偏差，因此只需要稍加处理即可完成多光谱图像数据立方体的构建。

为了实现化学和生物医学即时测量，作者定义了一个光学密度optical density (OD)用于量化和可视化，计算公式如下：

$$OD(x,y,\lambda) = \log{\frac{I'(x,y,\lambda)}{I'_0(x,y,\lambda)}}$$

色散装置如下：

整体装置示意图如下，其中，可以看到光源是经过线偏振的一束光，在光源后方放置了一个与光源正交的线偏振片，原因是：测量的物体发出的光在经过内部介质多次散射（基本上多余10次）后，已经处于解偏振状态，因此这些光是能够通过该偏振片的；而那些没有经过介质散射的光仍旧具有原来的偏振状态，因此无法通过该偏振片，传感器就能分辨出来光的强弱，也就能实现即时检测。

此外，手机获取到图像数据后，为了提高计算能力，考虑将数据通过WiFi传输到计算主机中，在主机中完成高速运算后再将数据返回给手机，手机上就能看到重建的图像。

重建的原理如下图（即：先构建几何转换一一对应关系，再实现转换）：

Results

Paper 2

Title

《傅里叶域复用快照高光谱成像》

Deng C , Hu X , Suo J , et al. Snapshot hyperspectral imaging via spectral basis multiplexing in Fourier domain[J]. Optics Express, 2018, 26(25):32509.

Contents

本文提出了一种Fourier-Spectral-Multiplexing (FSM) 技术，通过将入射光进行滤光后经过正弦调制（DMD实现，满足在频域具有最小重叠），将调制后的图像经过求和并傅里叶变换转化到频域，会发现在频域有多个不同位置的亮斑，又因为自然图像傅里叶系数主要集中在中心的低频区域，因此可以只对亮斑的中心小部分低频区域采样即可通过算法重建出较好的高光谱图像。

本问题最终归结为一个压缩感知问题：

$$\min_{\bf {w}}\|{\bf {W}}\|_{\mathcal l_{2,1}} subject\ \ to\ \ {\bf {Y=SX}},\ \ and \ \ {\bf{X=TW}}$$

通过模拟试验出了对频域图案裁剪（欠采样）的最优尺寸：

采用Matlab内基于拉格朗日乘子法的二次规划求解器，来求解约束优化问题，数据集为哥伦比亚大学的CAVE实验室多光谱数据库。

本文另一个重要亮点是采用了广义交替投影法（generalized alternative projection）来为重建图像解混叠：

Experiments

实验部分，滤光作用使用了一个高速同步旋转圆盘(synchronized rotating color wheel, CW)实现，通过最小化两两光谱段响应的最大协方差来确定滤光片的种类和数量，最终定为六个。

灰度正弦调制模板(gray scale sinusoidal pattern module, GSM)采用DMD实现，应用抖动算法(dithering algorithm)实现二进制编码。

Results

Paper 3

Title

《100*100平方微米尺寸3D打印微型可见光波段光谱仪》

Andrea Toulouse, Johannes Drozella, Simon Thiele,等. 3D-printed miniature spectrometer for the visible range with a 100 × 100 μm2 footprint[J]. 2021.

Contents