一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，包括高速分光裝置、成像單元、直角反射鏡頭、計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集與處理模塊等；所述高速分光裝置位于成像單元與直角反射鏡頭之間，對(duì)通過(guò)直角反射鏡頭進(jìn)入的光線進(jìn)行處理，獲得相應(yīng)的單色光，并依次聚焦到所述成像單元上，得一系列光譜圖像；所述高速分光裝置和成像單元均通過(guò)信號(hào)采集與處理模塊相連與計(jì)算機(jī)相連。本實(shí)用新型在極大提高光譜通道切換速度，實(shí)現(xiàn)光譜高速掃描的同時(shí)，把整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量擾動(dòng)，抖動(dòng)和功率消耗等降到最低，其可靠性得到顯著提高。且這個(gè)角速度可以任意調(diào)高，使得每一個(gè)濾光片在允許曝光的情況下獲得多個(gè)序列，改善系統(tǒng)同步性并提高圖像信噪比。
【專利說(shuō)明】
一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜成像技術(shù)作為一種面向資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)和偽裝檢查等領(lǐng)域的觀測(cè)新技術(shù)，在世界范圍內(nèi)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家正得到日益廣泛的應(yīng)用。
[0003]光學(xué)成像儀獲得物體的影像信息，光譜儀獲得物質(zhì)的光譜信息，這兩類光學(xué)技術(shù)均已有數(shù)百年的發(fā)展史，但在上世紀(jì)五十年代前，它們基本上是獨(dú)立發(fā)展的。
[0004]高光譜成像技術(shù)結(jié)合了兩個(gè)著名的科學(xué)方法，即光譜和成像。它通過(guò)把色散光學(xué)與普通成像設(shè)備有機(jī)結(jié)合，來(lái)獲取圖像每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息。這種結(jié)合可對(duì)同一目標(biāo)物在不同波段情況下獲得圖像來(lái)創(chuàng)建一個(gè)3維的目標(biāo)物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括2維的圖像信息和一維的光譜信息。因此，高光譜圖像可定義為在不同波長(zhǎng)下所獲得圖像的集合或者每個(gè)像素點(diǎn)所包含不同成像場(chǎng)景光譜值的集合。
[0005]成像光譜技術(shù)以物質(zhì)的分析理論為基礎(chǔ)，涉及光學(xué)設(shè)計(jì)、成像技術(shù)、光電探測(cè)、信號(hào)處理與信息挖掘、光譜信息傳輸?shù)妊芯款I(lǐng)域，成像光譜技術(shù)是指在電磁波波譜的可見(jiàn)光、近紅外和紅外等波段區(qū)域針對(duì)研究對(duì)象獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的二維空間圖像信息及一維光譜信息的光學(xué)遙感技術(shù)，該技術(shù)可通過(guò)記錄觀測(cè)場(chǎng)景中研究對(duì)象光譜特征的完整且連續(xù)的光譜曲線，能夠達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時(shí)地獲取研究對(duì)象的空間影像信息和在探測(cè)器上每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的光譜分布，然后，通過(guò)相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，獲得包含研究對(duì)象的二維空間信息及一維光譜信息的三維圖像數(shù)據(jù)立方體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究對(duì)象的空間、輻射、光譜三種信息的同步獲取。與幾何成像儀相比，由于成像光譜儀在獲得目標(biāo)圖像信息的同時(shí)，還能夠得到空間可分辨單元的光譜特征，因此，成像光譜儀獲得的信息量很大。
[0006]中國(guó)實(shí)用新型專利“一種快速準(zhǔn)連續(xù)多光譜成像系統(tǒng)及其成像方法”(申請(qǐng)?zhí)?201310250192.7 ；公開(kāi)號(hào):CN103344333A)”提出了能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)連續(xù)的多光譜成像系統(tǒng)，其掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)及單片機(jī)控制的霍爾傳感器組成，步進(jìn)電機(jī)控制濾光片輪的旋轉(zhuǎn)及停留時(shí)間，單片機(jī)控制的霍爾傳感器配合步進(jìn)電機(jī)控制濾光片輪的定位和復(fù)位。該系統(tǒng)在準(zhǔn)連續(xù)多光譜圖像采集時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾光片組旋轉(zhuǎn)，霍爾傳感器配合單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，讓每個(gè)濾光片依次在相機(jī)鏡頭正后方位置做短暫停留，但這種方法導(dǎo)致濾光輪在每次切換濾光器時(shí)都要經(jīng)過(guò)角加速度和角減速度的過(guò)程，這種加速和減速需要相對(duì)比較大且耗能的電機(jī)，而這種電機(jī)往往振動(dòng)會(huì)比較大，會(huì)對(duì)位置的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。也會(huì)使得相機(jī)獲取第一幀到最后一幀圖片的時(shí)間間隔非常大，這種連續(xù)啟停的方式導(dǎo)致系統(tǒng)功耗大，濾色片更換速度慢，不能實(shí)現(xiàn)高速光譜掃描。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]為了克服現(xiàn)有的高光譜成像系統(tǒng)功耗大，濾色片更換速度慢，不能實(shí)現(xiàn)高速光譜掃描的不足，本實(shí)用新型提供一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置。
[0008]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像系統(tǒng)，包括高速分光裝置、成像單元、直角反射鏡頭、計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集與處理模塊、外殼;其中，所述外殼包括底盤、筒壁和上蓋，筒壁固定安裝在底盤上，上蓋放置在筒壁的上部，上蓋上開(kāi)有通孔;所述直角反射鏡頭安裝在上蓋上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤上，成像單元安裝在與底盤固連的支架上;所述成像單元位于直角反射鏡頭的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元與直角反射鏡頭之間；所述高速分光裝置和成像單元均與信號(hào)采集與處理模塊相連，信號(hào)采集與處理模塊和成像單元均與計(jì)算機(jī)相連。
[0009]進(jìn)一步的，所述直角反射鏡頭包括平面反射鏡和透鏡;所述平面反射鏡設(shè)置在透鏡后面;光線穿過(guò)透鏡并通過(guò)平面反射鏡使得光線旋轉(zhuǎn)90度。
[0010]進(jìn)一步的，所述高速分光裝置包括霍爾傳感器、濾光輪和掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);所述濾光輪安裝在掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上;所述成像單元包括濾色片和高速圖像傳感器;所述濾光輪上開(kāi)有若干安裝濾色片的通槽;所述每個(gè)通槽的側(cè)面均安裝有一個(gè)永磁磁鐵，其中起始通槽處另加放一個(gè)永磁磁鐵;所述霍爾傳感器安裝在與底盤固連的支架上;霍爾傳感器和信號(hào)采集與處理模塊相連;所述高速圖像傳感器安裝在與底盤固連的支架上;所述高速圖像傳感器與計(jì)算機(jī)相連。
[0011]進(jìn)一步的，所述掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器、內(nèi)部集成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)；其中，所述轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在外殼的底盤上;所述濾光輪通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)臺(tái)相連;步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)采集與處理模塊相連。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型在極大提高光譜通道切換速度，實(shí)現(xiàn)光譜高速掃描的同時(shí)，把整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量擾動(dòng)，抖動(dòng)和功率消耗等降到最低，其可靠性得到顯著提高。且這個(gè)角速度可以任意調(diào)整，使得每一個(gè)濾光片在允許曝光的情況下獲得多個(gè)序列，改善系統(tǒng)同步性并提高圖像信噪比。
【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0015]圖2是本實(shí)用新型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖3是實(shí)用新型的濾光片輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是實(shí)用新型的成像原理圖；
[0018]圖中，1.霍爾傳感器，2.濾光輪，3.永磁磁鐵，4.聯(lián)軸器，5.直角反射鏡頭，6.平面反射鏡，7.透鏡，8.成像單元，9.濾光片，10.高速圖像傳感器，11.計(jì)算機(jī)，12.集線器，13.信號(hào)采集與處理模塊，14.轉(zhuǎn)臺(tái)，15.濾光輪凹槽，16.底盤，17.支架，18.上蓋。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020]如圖1-4所示，本實(shí)用新型包括高速分光裝置、成像單元8、直角反射鏡頭5、計(jì)算機(jī)
11、信號(hào)采集與處理模塊13、外殼;其中，所述外殼包括底盤16、筒壁和上蓋18，筒壁固定安裝在底盤16上，上蓋18放置在筒壁的上部，上蓋18上開(kāi)有通孔;所述直角反射鏡頭5安裝在上蓋18上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤16上，成像單元8安裝在與底盤16固連的支架17上;所述成像單元8位于直角反射鏡頭5的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元8與直角反射鏡頭5之間，對(duì)通過(guò)直角反射鏡頭5進(jìn)入的光線進(jìn)行處理，獲得相應(yīng)的單色光，并依次聚焦到所述成像單元8上，得一系列光譜圖像;所述高速分光裝置和成像單元8均與信號(hào)采集與處理模塊13相連，信號(hào)采集與處理模塊13和成像單元8均與計(jì)算機(jī)11相連。實(shí)施過(guò)程中為了方便連接，信號(hào)采集與處理模塊13和成像單元8可通過(guò)集線器12與計(jì)算機(jī)11相連。
[0021]如圖4所示，所述直角反射鏡頭5包括平面反射鏡6和透鏡7;所述平面反射鏡6設(shè)置在透鏡7后面;光線穿過(guò)透鏡7并通過(guò)平面反射鏡6使得光線旋轉(zhuǎn)90度。
[0022]所述高速分光裝置包括霍爾傳感器1、濾光輪2和掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);所述濾光輪2安裝在掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上;濾光輪2水平放置，通過(guò)直角反射鏡頭5改變光路;所述成像單元8包括濾色片9和高速圖像傳感器10;所述濾光輪2上開(kāi)有若干安裝濾色片9的通槽;所述每個(gè)通槽的側(cè)面均安裝有一個(gè)永磁磁鐵3，其中起始通槽處另加放一個(gè)永磁磁鐵3，用于系統(tǒng)復(fù)位;所述霍爾傳感器I安裝在與底盤16固連的支架17上，用于接收永磁磁鐵3的定位信號(hào)；霍爾傳感器I和信號(hào)采集與處理模塊13相連;所述高速圖像傳感器10安裝在與底盤16固連的支架17上;霍爾傳感器I接收到永磁磁鐵3的定位信號(hào)后傳輸給信號(hào)采集與處理模塊13進(jìn)行信號(hào)處理，信號(hào)采集與處理模塊13控制高速圖像傳感器10進(jìn)行曝光及圖像采集，高速圖像傳感器10將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB保存在計(jì)算機(jī)11中；
[0023]所述掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器4、內(nèi)部集成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)14;其中，所述轉(zhuǎn)臺(tái)14安裝在外殼的底盤16上;所述濾光輪2通過(guò)聯(lián)軸器4與轉(zhuǎn)臺(tái)14相連，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾光輪2旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行光譜通道切換;步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)采集與處理模塊13相連。
[0024]掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采用以恒角速度連續(xù)驅(qū)動(dòng)所述帶有濾色片9的濾光輪2旋轉(zhuǎn)的方式工作，使帶有分立式窄帶濾色片9的濾光輪2采用恒定角速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式來(lái)切換濾色片9，系統(tǒng)通過(guò)霍爾傳感器I與永磁磁鐵3控制濾光輪2的復(fù)位，高速圖像傳感器10采用外部觸發(fā)工作方式;外部觸發(fā)由霍爾傳感器1、永磁磁鐵3、信號(hào)采集與處理模塊13完成，在系統(tǒng)接收到由霍爾傳感器I探測(cè)的復(fù)位信號(hào)后，系統(tǒng)開(kāi)始通過(guò)霍爾傳感器I接收永磁磁鐵3的定位信號(hào)，霍爾傳感器I接收到信號(hào)后傳輸給信號(hào)采集與處理模塊13進(jìn)行信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換，控制高速圖像傳感器10進(jìn)行曝光及圖像采集，高速圖像傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB保存在計(jì)算機(jī)中。
[0025]本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下:
[0026]本實(shí)用新型分為單波段圖像采集和連續(xù)多波段光譜圖像采集兩種工作模式。
[0027]單波段圖像采集:預(yù)覽圖像，被測(cè)目標(biāo)置于所述系統(tǒng)直角反射鏡頭5的前方，啟動(dòng)系統(tǒng)復(fù)位，設(shè)置成像光譜波長(zhǎng)，調(diào)節(jié)焦距，設(shè)置高速圖像傳感器10曝光時(shí)間，濾光輪2在轉(zhuǎn)臺(tái)14的驅(qū)動(dòng)下，由霍爾傳感器3、信號(hào)采集與處理模塊13以及PC的配合控制下，將選定的光譜波長(zhǎng)的濾色片9定位到高速圖像傳感器10和直角反射鏡頭5之間，并觸發(fā)高速傳感器10啟動(dòng)曝光，獲取被測(cè)目標(biāo)設(shè)定波段的單光譜圖像，并保存至計(jì)算機(jī)11。
[0028]連續(xù)多波段光譜圖像采集:
[0029]接通電源，打開(kāi)計(jì)算機(jī)11，使被測(cè)目標(biāo)置于所述系統(tǒng)直角反射鏡頭5的前方，預(yù)覽圖像，設(shè)置高速圖像傳感器10曝光時(shí)間并調(diào)節(jié)直角反射鏡頭5的焦距，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾光輪2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過(guò)霍爾傳感器2與復(fù)位永磁磁鐵觸發(fā)霍爾傳感器I接受永磁磁鐵3的信號(hào)，控制高速圖像傳感器10曝光并采集圖像數(shù)據(jù)。在霍爾傳感器2探測(cè)到復(fù)位永磁磁鐵后，霍爾傳感器I在每次探測(cè)到永磁磁鐵3信號(hào)后都會(huì)通過(guò)信號(hào)采集與處理模塊13觸發(fā)高速圖像傳感器10曝光并采集圖像數(shù)據(jù)，快速獲取被測(cè)目標(biāo)在準(zhǔn)連續(xù)波長(zhǎng)下的多光譜圖像并保存至計(jì)算機(jī)U。在霍爾傳感器2再次探測(cè)到復(fù)位永磁磁鐵信號(hào)后，系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)停止，圖像采集完畢。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于:包括高速分光裝置、成像單元(8)、直角反射鏡頭(5)、計(jì)算機(jī)(11)、信號(hào)采集與處理模塊(13)、外殼;其中，所述外殼包括底盤(16)、筒壁和上蓋(18)，筒壁固定安裝在底盤(16)上，上蓋(18)放置在筒壁的上部，上蓋(18)上開(kāi)有通孔;所述直角反射鏡頭(5)安裝在上蓋(18)上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤(16)上，成像單元(8)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;所述成像單元(8)位于直角反射鏡頭(5)的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元(8)與直角反射鏡頭(5)之間；所述高速分光裝置和成像單元(8)均與信號(hào)采集與處理模塊(13)相連，信號(hào)采集與處理模塊(13)和成像單元(8)均與計(jì)算機(jī)(11)相連。2.如權(quán)利要求1所述的基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述直角反射鏡頭(5)包括平面反射鏡(6)和透鏡(7);所述平面反射鏡(6)設(shè)置在透鏡(7)后面。3.如權(quán)利要求1所述的基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述高速分光裝置包括霍爾傳感器(I)、濾光輪(2)和掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);所述濾光輪(2)安裝在掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上;所述成像單元(8)包括濾色片(9)和高速圖像傳感器(10);所述濾光輪(2)上開(kāi)有若干安裝濾色片(9)的通槽;所述每個(gè)通槽的側(cè)面均安裝有一個(gè)永磁磁鐵(3)，其中起始通槽處另加放一個(gè)永磁磁鐵(3);所述霍爾傳感器(I)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;霍爾傳感器(I)和信號(hào)采集與處理模塊(13)相連;所述高速圖像傳感器(10)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;所述高速圖像傳感器(10)與計(jì)算機(jī)(11)相連。4.如權(quán)利要求3所述的基于輪轉(zhuǎn)式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括:驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器(4)、內(nèi)部集成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)(14);其中，所述轉(zhuǎn)臺(tái)(14)安裝在外殼的底盤(16)上;所述濾光輪(2)通過(guò)聯(lián)軸器(4)與轉(zhuǎn)臺(tái)(14)相連;步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)采集與處理模塊(13)相連。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK205580598SQ201620240641
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】宋宏, 魏賀, 方美芬, 楊萍, 曹權(quán)
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué), 杭州藍(lán)科光電科技有限公司, 杭州電子科技大學(xué), 銘典時(shí)代（北京）科技有限公司