凝視型多光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)，包括：光學(xué)成像系統(tǒng)、色散元件、驅(qū)動(dòng)裝置和探測(cè)器；所述光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸分別垂直于所述色散元件的表面以及所述探測(cè)器的像元表面；所述色散元件位于所述光學(xué)成像系統(tǒng)和所述探測(cè)器之間；所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述色散元件沿一個(gè)方向移動(dòng)。通過移動(dòng)色散元件，可以獲得固定視場(chǎng)下的多光譜圖像，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。
【專利說明】
凝視型多光譜成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光譜成像領(lǐng)域，具體而言，涉及一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜成像技術(shù)具備同時(shí)探測(cè)光譜和空間信息的能力，被廣泛應(yīng)用于文物鑒定、食品檢測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、資源探測(cè)、偽裝識(shí)別、生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。光譜成像主要有推掃型和凝視型兩種成像方式。傳統(tǒng)采用棱鏡、光柵作為分光元件的光譜成像技術(shù)即為推掃型，利用狹縫限制視場(chǎng)，經(jīng)過棱鏡、光柵色散，將各個(gè)波段的狹縫像一次性投射到探測(cè)器焦平面上。推掃型光譜成像需要借助平臺(tái)或者探測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)得到完整的數(shù)據(jù)立方。因此，在自身具備推掃運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星、飛機(jī)等平臺(tái)上較多使用。然而，推掃型光譜成像方式在有些場(chǎng)合并不適用，比如手術(shù)過程中系統(tǒng)整體掃描對(duì)主治醫(yī)生產(chǎn)生干擾，此時(shí)需要采用凝視型多光譜成像系統(tǒng)。
[0003]然而，目前的凝視型多光譜成像系統(tǒng)采用聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto OpticTunable Filter，A0TF)或液晶可調(diào)諧濾光器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)等可調(diào)諧濾光器件，利用此類方法實(shí)施的光譜成像波段范圍和波段數(shù)有限，分辨率較低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的提供一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高光譜分辨率以及寬波段范圍的光譜成像系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明實(shí)施例提供一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)，包括:光學(xué)成像系統(tǒng)、色散元件、驅(qū)動(dòng)裝置和探測(cè)器;所述光學(xué)成像系統(tǒng)的光軸分別垂直于所述色散元件的表面以及所述探測(cè)器的像元表面;所述色散元件位于所述光學(xué)成像系統(tǒng)和所述探測(cè)器之間；所述驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)色散元件在所述光學(xué)成像系統(tǒng)和所述探測(cè)器之間移動(dòng)。通過移動(dòng)色散元件，可以獲得固定視場(chǎng)下的多光譜圖像，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的凝視型多光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0007]圖2為本發(fā)明實(shí)施例獲得多光譜圖像的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0009]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該多光譜成像系統(tǒng)主要包括:
[0010]光學(xué)成像系統(tǒng)4、色散元件2、驅(qū)動(dòng)裝置3和探測(cè)器I。
[0011 ]需要說明的是，色散元件2和驅(qū)動(dòng)裝置3可以稱為色散分光單元，色散分光單元可以集成在光學(xué)成像系統(tǒng)4中，作為光學(xué)成像系統(tǒng)4的一部分;還可以作為單獨(dú)的部件，與光學(xué)成像系統(tǒng)4分開設(shè)置。
[0012]所述光學(xué)成像系統(tǒng)4包括所有能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)成像的光學(xué)系統(tǒng)，例如顯微鏡、照相機(jī)等。
[0013]色散元件2用于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的光譜分割，色散元件2例如可以為波長(zhǎng)漸變?yōu)V光片、多光譜濾光片等。
[0014]驅(qū)動(dòng)裝置3帶動(dòng)色散元件2在平行于探測(cè)器I的像元表面的平面上，沿垂直于探測(cè)器像元陣列的方向移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置帶有位置傳感器，實(shí)時(shí)反饋色散元件和探測(cè)器表面的相對(duì)位置信息。
[0015]進(jìn)一步的，需要說明的是，色散元件2和探測(cè)像面的尺寸不要求一致，色散元件2沿移動(dòng)方向的長(zhǎng)度LI與探測(cè)器像元陣列在垂直于像元陣列方向的長(zhǎng)度L2可以相等，也可以不等。
[0016]色散元件2的移動(dòng)方式例如可以為:色散元件2的左邊緣從探測(cè)器I的像元表面的一端進(jìn)入，從探測(cè)器I的像元表面的另一端移出，即色散元件2的最左端最先進(jìn)入探測(cè)器I的像元陣列區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)裝置3的帶動(dòng)下，以一定速度逐漸進(jìn)入探測(cè)器I的像元陣列區(qū)域，色散元件2逐漸與探測(cè)器I的像元陣列重合，再繼續(xù)前進(jìn)，直至色散元件2的最右端移出探測(cè)器的像元陣列區(qū)域。
[0017]當(dāng)然，色散元件還可以采用從上至下的移動(dòng)方式，只要移動(dòng)方向垂直于探測(cè)器像元行或列向即可。
[0018]其中，光學(xué)成像系統(tǒng)4的光軸分別與色散元件2表面、探測(cè)器I表面垂直。也可以理解為，色散元件2的表面、探測(cè)器I的表面平行于光學(xué)成像系統(tǒng)的焦平面。
[0019]探測(cè)器I用于通過光電效應(yīng)獲取和記錄多光譜圖像信息，探測(cè)器I例如可以為(XD、CMOS 等。
[0020]所述探測(cè)器I的像元陣列接收經(jīng)過色散元件2的光譜，獲得光譜分割后的譜帶能量。
[0021]從光學(xué)成像系統(tǒng)4出射的光線經(jīng)過色散元件2成像于探測(cè)器I的像元表面，從而探測(cè)器I的不同像元陣列獲得不同光譜圖像信息，當(dāng)整個(gè)色散元件2從探測(cè)器I像元表面的一側(cè)進(jìn)入，另一側(cè)移出時(shí)，探測(cè)器I就可以獲得每個(gè)譜帶在同一視場(chǎng)下的圖像，從而獲得了固定視場(chǎng)下的多光譜圖像。
[0022]每個(gè)譜帶在同一視場(chǎng)下的圖像可以稱為是固定視場(chǎng)的完整的數(shù)據(jù)立方，此時(shí)，不僅有圖像的信息，還包括光譜維度上細(xì)分，既能獲得圖像上每一點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，又能獲得任一譜段的圖像信息。
[0023]需要說明的是，色散元件反向移動(dòng)即可獲取下一時(shí)間的光譜圖像信息。因此，通過色散元件一維往復(fù)移動(dòng)，獲取不同時(shí)間下的光譜數(shù)據(jù)立方。
[0024]下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的多光譜成像系統(tǒng)的工作方式進(jìn)行詳細(xì)介紹:
[0025]步驟I，固定光學(xué)成像系統(tǒng)和探測(cè)器的相對(duì)位置，使得經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)的光線匯聚于探測(cè)器的焦平面處，以在探測(cè)器表面獲得清晰的目標(biāo)物體圖像；
[0026]步驟2，確定色散元件表面不同位置處的光譜(A1)，該步驟可通過標(biāo)定測(cè)試實(shí)現(xiàn)，具體的標(biāo)定方法可以為:
[0027]分光光度計(jì)發(fā)出單色光，垂直入射到色散元件表面，測(cè)量光斑照射位置的光譜曲線，用千分尺標(biāo)定中心波長(zhǎng)(M)對(duì)應(yīng)的光斑照射點(diǎn)在色散元件上的位置。
[0028]如圖2所示，在色散元件表面的不同位置處具有不同的光譜即波長(zhǎng)劃分，例如λ0-λη，每個(gè)光譜在色散元件表面所占據(jù)的寬度例如為0.05mm。
[0029]步驟3，將色散元件置于平行探測(cè)器像元表面的一個(gè)平面上，該平面位于所述光學(xué)成像系統(tǒng)的像面上、或臨近位置、或緊貼探測(cè)器的表面。
[0030]步驟4，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)色散元件到初始位置，其中，初始位置為探測(cè)器像面表面的邊緣，若色散元件從多光譜成像系統(tǒng)的右側(cè)進(jìn)入，則初始位置為探測(cè)器像面表面的右邊緣；
[0031]步驟5，計(jì)算色散元件所需的移動(dòng)速度:
[0032]色散元件的移動(dòng)速度可以根據(jù)步驟2的標(biāo)定結(jié)果和探測(cè)器的采集幀頻設(shè)置。
[0033]探測(cè)器的采集幀頻為N，每段光譜在色散元件占據(jù)的幾何寬度為a(mm)，則色散元件的移動(dòng)速度為a/(l/N)=a*N(單位:mm/s)。
[0034]例如，探測(cè)器的采集幀頻為60(幀/s)，每段光譜在色散元件占據(jù)的幾何位置為
0.0 5mm時(shí)，色散元件的移動(dòng)速度為3mm/s。
[0035]步驟6，驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)步驟5中計(jì)算的色散分光元件的移動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)色散元件在光學(xué)成像系統(tǒng)和探測(cè)器之間的平面上移動(dòng)。
[0036]例如圖2所示，色散元件的右端從探測(cè)器的像元表面的最左端開始進(jìn)入，直至色散元件的左端移出探測(cè)器像元表面的最右端。
[0037]步驟7，探測(cè)器采集不同時(shí)刻的目標(biāo)物體的光譜數(shù)據(jù)。
[0038]如圖2所示，HUKm1……1^為探測(cè)器的像元陣列中的像元位置，λ?！甩菫樯⒃喜煌恢脤?duì)應(yīng)的不同光譜。
[0039]在色散元件移動(dòng)過程中，不同時(shí)刻探測(cè)器采集到的單光譜圖像不同。
[0040]在to時(shí)刻，探測(cè)器像元陣列mo位置處的條帶0(0為條帶序號(hào)，如下提到類似)采集對(duì)應(yīng)于λο的光譜，探測(cè)器除mo之外的位置采集的是全光譜圖像；
[0041]在^時(shí)刻，提取λο對(duì)應(yīng)探測(cè)器的mi位置處的條帶O和提取A1對(duì)應(yīng)探測(cè)器的mQ位置處的條帶I;
[0042]依次類推，在t2n—!時(shí)刻，提取λη—!對(duì)應(yīng)探測(cè)器的mn位置處的條帶η-1和提取λη對(duì)應(yīng)探測(cè)器的位置處的條帶η;
[0043]在t2n時(shí)刻，提取λη對(duì)應(yīng)探測(cè)器的mn位置處的條帶η;
[0044]這樣，當(dāng)色散元件移出探測(cè)器的像元表面時(shí)，將探測(cè)器不同條帶所接收的同一光譜\的圖像進(jìn)行拼接，即可獲取固定視場(chǎng)下的不同光譜圖像。
[0045]色散元件反向移動(dòng)即可獲取下一時(shí)間的光譜圖像信息。因此，通過色散元件一維往復(fù)移動(dòng)，獲取不同時(shí)間下的光譜數(shù)據(jù)立方。
[0046]本發(fā)明實(shí)施例通過將色散元件置于光學(xué)成像系統(tǒng)和探測(cè)器之間，通過移動(dòng)色散元件能夠獲取固定視場(chǎng)下的多光譜圖像。同常規(guī)凝視型光譜成像方式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本下降。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種凝視型多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，包括:光學(xué)成像系統(tǒng)4、色散元件2、驅(qū)動(dòng)裝置3和探測(cè)器I; 所述光學(xué)成像系統(tǒng)4的光軸分別垂直于所述色散元件2的表面以及所述探測(cè)器I的像元表面;所述色散元件2位于所述光學(xué)成像系統(tǒng)4和所述探測(cè)器I之間； 所述驅(qū)動(dòng)裝置2驅(qū)動(dòng)色散元件2在所述光學(xué)成像系統(tǒng)4和所述探測(cè)器I之間移動(dòng)。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)成像系統(tǒng)4、所述色散元件2、所述驅(qū)動(dòng)裝置3集成在一起;或所述色散元件2和所述驅(qū)動(dòng)裝置3作為色散分光單元，與所述光學(xué)成像系統(tǒng)4分別設(shè)置。3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散元件2的移動(dòng)方向與所述探測(cè)器I的行或列向垂直。4.如權(quán)利要求3中任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散元件2從所述探測(cè)器I的像元表面的一端進(jìn)入，從所述探測(cè)器I的像元表面的另一端移出。5.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述色散元件2位于所述光學(xué)成像系統(tǒng)的像面上、或臨近位置、或緊貼探測(cè)器的表面。6.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)成像系統(tǒng)為照相機(jī)或顯微鏡。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK106017675SQ201610322158
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】高勁松, 王笑夷, 楊飛, 張建
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所