一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法与流程

本发明涉及一种显微光谱成像技术领域，尤其涉及一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法。

背景技术：

光学显微镜能够将人眼不能分辨的微小物体放大成像，以提取微细结构信息，被广泛应用于现代生命科学、药物医学、检验鉴定等领域。光谱成像技术将空间维度与光谱维度相结合，可以获得直观、丰富、准确的物质光学特性，已在卫星遥感、物质分类、军事等领域得到了广泛的应用。显微光谱成像技术将显微成像技术与光谱成像技术有机结合在一起，成为一种新型光学成像技术。基于此技术研发的显微光谱成像仪多为推扫型，即利用棱镜分光或线性渐变滤光片阵列获取被拍摄物的光谱信息，成像方式为线推扫，再进行图像拼接；或者扫描型，例如基于轮转滤光片、声光可调谐滤光片或液晶可调谐滤光片进行分光，通过光谱波段时序扫描采集光谱立方体数据。

然而，相关研究和应用主要还是集中在陆地，而对于水下研究及应用相对较少。随着人类对海洋研究的不断深入，人们开始关注海藻、海草床、珊瑚礁等海洋生态中发生的微米级尺度生物活动，以研究其对海洋生态健康状况及长期动态演化过程的影响，例如珊瑚白化、珊瑚虫成长、底质结构等，因此，显微光谱成像技术在水下具有广阔的应用需求。美国专利(专利公开号：us2011/0205536a1)提出了一种可以装载于水下潜器底部，用来观察水中物体的高光谱成像设备，该装置通常用来对水下环境中的水生物种、水下环境等进行成像，但未涉及到微观领域。

技术实现要素：

在水下环境复杂多变、理化生物活动相互耦合、水体对光传输衰减和散射等多重干扰下，如何解决常规显微成像工作距离小、微米级景深等限制，对水下微米级尺度活动进行长期、原位、无干扰的动态观测仍然是存在诸多技术难点，例如精细对焦、反射照明、长工作距离、无侵入性布放。针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置，包括照明模块、成像单元、微控制器、密封舱、微型计算机、电源模块、密封箱体、支架、人机交互模块；其中，所述成像单元对目标物进行微米级显微光谱成像，它包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机、延伸管、液态透镜、成像镜组，所述照明模块照亮目标物；所述照明模块、成像单元、微控制器安装在密封舱内部支架上，所述液态透镜和照明模块均与微控制器相连，由微控制器控制照明模块的开和关；所述微型计算机、电源模块、人机交互模块安装在密封箱体内，电源模块用于给水下显微光谱成像装置提供工作电压；所述快照式光谱相机、微控制器、人机交互模块均与微型计算机相连；所述密封舱和密封箱体安装支架上。

进一步的，所述成像镜组包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜，所述光学变焦镜头或长工作距离物镜的光学放大倍率大于2倍；微控制器通过电压信号控制液态镜头的透镜形状，响应速度为毫秒级，改变成像单元等效焦距，在大于5cm的显微成像工作距离下实现对焦，并具有毫米级可调工作距离范围。

进一步的，所述快照式光谱相机一次成像即可获得全部目标波段的光谱图像，可用于采集画幅式光谱图像或光谱视频。

进一步的，所述照明模块包括环形支架和led组合阵列；所述环形支架与成像镜组同轴；所述led组合阵列包括多个led阵列单元，每个led阵列单元包括各个与感兴趣波段对应的窄光谱led组合；所述led阵列单元均与聚光罩结合，所述led阵列单元按圆周均匀安装在环形支架内；微控制器通过打开或关闭led阵列单元内某一种工作波段的窄光谱led来改变照明光谱。

进一步的，所述密封舱的前端盖设置有光学玻璃窗口，所述成像镜组前端面贴近光学玻璃；所述密封舱的后端盖上安装水密接插件，作为实时连接成像端接口。

进一步的，所述密封箱体侧面安装3个水密接插件，分别作为实时连接操控端接口、外接电源接口、数据输出接口；所述实时连接操控端接口与实时连接成像端接口相连；所述外接电源接口用于提供外接电源给电源模块充电；所述数据输出接口用于微型计算机与外部计算机连接，进行数据输出保存、程序更新修改。

进一步的，所述人机交互模块包括显示屏和水下按键模块；显示屏和水下按键模块均与微型计算机相连，所述水下按键模块包括自动对焦控制按键、手动对焦控制按键、自动曝光控制按键、手动曝光控制按键、拍照控制按键、录像控制按键、照明模式控制按键。

本发明的另一目的是提供一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像方法，该方法在上述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置中实现，该方法包括以下步骤：

(1)将密封舱和密封箱安装在可调节角度的支架上，成像单元对准目标物，并且密封舱光学玻璃与目标物保持5cm以上的显微成像工作距离；

(2)通过单击自动对焦控制按键，微型计算机通知微控制器通过扫描电压信号驱动液态透镜不断地改变形状，从而改变成像单元的等效焦距，微型计算机实时计算快照式光谱相机采集图像的清晰度，以自动找到最清晰的成像焦点；

(3)通过手动对焦控制按键，可逐步改变微控制器施加在液态镜头上的电压信号，从而手动改变成像单元等效焦距，使焦点位置改变；

(4)通过自动曝光控制按键，微型计算机自动对快照式光谱相机按曝光时间初值采集的图像进行计算，计算适合所有工作波段的曝光时间；

(5)通过手动曝光控制按键，可手动调整当前曝光时间；

(6)通过拍照控制按键，可采集一幅快照式光谱图像，图像既包含空间维度信息，又包含光谱维度，故微型计算机利用数据分析处理算法自动提取重建光谱立方体数据；

(7)通过录像控制按键，采集一段时间内的快照式光谱视频，则视频既包含空间维度信息、光谱维度，又包含时间维度，从而可以观测目标物在时间维度的活动变化，同时也可以利用多帧图像融合算法将视频中连续多帧融合为一帧高动态范围的光谱图像；

(8)通过照明模式控制按键，控制开关不同窄光谱led，可根据实际需求改变照明模块出射的光谱分布；

(9)若目标物三维表面高低变化明显，则由于微米级景深限制，图像上只有焦点位置的部分是清晰的，其余超出景深的部分是模糊的，通过双击自动对焦控制按键，微型计算机控制微控制器以来回扫描切换液态透镜的焦距，从而获得一系列不同焦点位置的图像，通过微型计算机(上的多帧图像融合算法，获得目标物表面不同部位都清晰的图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用快照式光谱相机作为成像部件，可一次成像获得全工作波段数据的光谱图像，避免了机械结构分光限制，无需依靠推扫平台，可实现高动态高速采集光谱视像，适合水下扰动环境；

本发明采用高放大倍率的光学变焦镜头或长工作距离物镜与液态透镜相结合的方式，实现较长工作距离的微米级显微成像，避免常规近距离显微成像方式对自然环境下目标物活动的影响，并且具有毫米级的工作距离可调范围，实现三维目标物不同距离层次的清晰对焦；

本发明采用环形led阵列提供均匀照明，照明光场聚焦在成像区域，并且照明光场的光谱分布可调，满足显微荧光成像等特殊需求，也可避免特定波段光照对敏感目标物的影响；

本发明体积小巧，方便布放，可以在水下原位、长期、无侵入性的采集目标物的显微光谱图像或视频，且具有人机交互接口，可在水下实时查看成像效果，并方便手动进行操作设置，满足多种实际需求。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显然，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他实施例附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明的主要硬件连接框图；

图中，1.自动对焦控制按键，2.手动对焦控制按键，3.自动曝光控制按键，4.手动曝光控制按键，5.拍照控制按键，6.录像控制按键，7.照明模式控制按键，8.密封箱体，9.电源模块，10.显示屏，11.微型计算机，12.实时连接操控端接口，13.外接电源接口，14.数据输出接口，15.实时连接成像端接口，16.密封舱后端盖，17.密封舱圆筒，18.密封舱前端盖，19.微控制器，20.快照式光谱相机，21.延伸管，22.液态透镜，23.螺纹转接环，24.成像镜组，25.照明模块，26.第一支撑板，27.第二支撑板，28.第三支撑板，29.第四支撑板，30.第五支撑板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1-3所示，本发明提供一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置，包括照明模块25、成像单元、微控制器19、圆筒形密封舱、微型计算机11、水下按键模块、显示屏10、电源模块9、密封箱体8、支架等；其中，所述成像单元包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机20、延伸管21、液态透镜22、成像镜组24，通过螺纹转接环23统一不同尺寸的连接接口，所述成像单元在较长的工作距离下对目标物进行显微光谱成像；所述照明模块25均匀照亮目标物；所述照明模块25、成像单元、微控制器19安装在圆筒形密封舱内部支架上；所述微型计算机11、显示屏10、电源模块9安装在密封箱体8内部，所述显示屏10、水下按键模块与微型计算机11连接；所述圆筒形密封舱和密封箱体可安装在三脚架上或安装在针对特定水下环境设计的支架上。

所述成像镜组24包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜，最前端可附加增距镜，在工作距离大于5cm的前提下下实现目标物第一次成像放大；所述光学变焦镜头或长工作距离成像物镜的光学放大倍率大于2倍，光学变焦镜头具有多档可调的光学放大倍率，长工作距离成像物镜则需要通过更换不同型号来改变光学放大倍率；所述液态镜头22与微控制器19相连，微控制器19通过电压信号控制透镜形状，与成像镜组24结合，在一定范围内任意改变成像单元等效焦距，响应速度为毫秒级，在大于5cm的显微成像工作距离下实现对焦，并具有毫米级可调工作距离范围；所述延伸管21用于保证焦点落在成像平面，同时具有一定的光学放大倍率；所述快照式光谱相机20是在图像传感器加工过程中直接将感兴趣波段的窄带滤光片集成到像素单元表面，滤光片按马赛克式阵列分布，一次成像即可获得全部目标波段的光谱图像；所述快照式光谱相机20与微型计算机11相连，由微型计算机11控制快照式光谱相机20进行数据采集、数据传输，微型计算机11可运行数据分析处理算法将快照式光谱图像数据的空间维度与光谱维度分离，重建光谱立方体数据。

所述照明模块25包括环形支架和led组合阵列；所述环形支架可通过至少3枚径向螺丝与成像镜组24外表面接触连接，并实现同轴；所述led组合阵列包括多个led阵列单元，每个led阵列单元都是由各个与感兴趣波段对应的窄光谱led组合而成；所述led阵列单元均与聚光罩结合，使得光束角收缩，出射光能量聚集；所述led阵列单元按圆周均匀安装在环形支架内，并向成像镜组24中心轴倾斜，led照明光场聚焦在成像区域内；所述照明模块25与微控制器19相连，微控制器19可统一控制打开或关闭led阵列单元内某一种工作波长的窄光谱led。

所述圆筒形密封舱由金属圆筒17、前端盖18、后端盖16、内部支架等组成，通过多道轴向和径向o形圈实现静密封；所述内部支架包括第一支撑板26、第二支撑板27、第三支撑板28、第四支撑板29、第五支撑板30；所述第一支撑板26与后端盖16通过螺丝固接；所述第二支撑板27与第一支撑板26通过铜柱或螺柱固接，所述第二支撑板27上有多个孔用于布线；所述第三支撑板28与第二支撑板27通过铜柱或螺柱固接，所述第三支撑板28同时与照明模块25的环形支架固接；所述第四支撑板29安装于第二支撑板27与第一支撑板26之间，用于安装固定快照式光谱相机20、延伸管21；所述第五支撑板30安装于第二支撑板27与第一支撑板26之间，用于安装固定微控制器19；所述前端盖18设置有光学玻璃窗口，使外部光线可以进入成像单元，所述成像镜组24前端面贴近光学玻璃；所述后端盖16上安装水密接插件作为实时连接成像端接口15；所述密封箱体8由金属腔体、玻璃窗口、上端盖等组成，通过密封垫圈实现静密封，金属腔体侧面安装3个水密接插件，分别作为实时连接操控端接口12、外接电源接口13、数据输出接口14；所述外接电源接口13用于外接电源给电源模块9充电，所述电源模块9用于水下工作过程中为微型计算机11、微控制器19、照明模块25等供电；所述数据输出接口14用于微型计算机11与外部计算机连接，进行数据输出保存、程序更新修改；所述实时连接操控端接口12与实时连接成像端接口15相连，用于满足快照式光谱相机20、微控制器19与微型计算机11相连以及供电传输等多种需求。

所述微型计算机11用于装置操控、数据传输、处理、分析与存储；所述快照式光谱相机20、微控制器19、显示屏10、水下按键模块与微型计算机11相连；所述液态透镜22和照明模块25与微控制器19相连；所述显示屏10和水下按键模块组成人机交互模块；所述显示屏10用于显微光谱成像实时显示与按键操控响应交互；所述水下按键模块包括自动对焦控制按键1、手动对焦控制按键2、自动曝光控制按键3、手动曝光控制按键4、拍照控制按键5、录像控制按键6、照明模式控制按键7，按键对单次按键操作、快速双击按键操作有不同的响应以实现不同的操控需求。

本实施例中快照式光谱相机可以采用ximea公司xispec-kit-sm4x4-vis型号的产品，但不限于从；光学变焦镜头可以采用thorlabs公司的mvl6x12z型号的产品，但不限于从；液态透镜可以采用optotune公司el-16-40-tc-vis型号的产品，但不限于从；微型计算机可以采用commell公司lp-175型号的产品，但不限于从。

如图3所示，基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像方法，包括以下步骤：

(1)将水下显微光谱成像装置安装在可调节角度的支架上，成像单元对准目标物，并且圆筒形密封舱光学玻璃与目标物保持5cm以上的显微成像工作距离；

(2)通过单击自动对焦控制按键1，微型计算机11通知微控制器19通过扫描电压信号驱动液态透镜22不断地快速改变形状，从而改变成像单元的等效焦距，微型计算机11实时计算快照式光谱相机20采集图像的清晰度，以自动找到最清晰的成像焦点；

(3)通过手动对焦控制按键2，可逐步改变微控制器19施加在液态镜头22上的电信号，从而手动改变成像单元等效焦距，使焦点位置改变；

(4)通过自动曝光控制按键3，微型计算机11自动对快照式光谱相机20按曝光时间初值采集的图像进行计算，计算出适合所有工作波段的曝光时间；

(5)通过手动曝光控制按键4，可手动调整当前曝光时间；

(6)通过拍照控制按键5，可采集一幅快照式光谱图像，图像既包含空间维度信息，又包含光谱维度，故微型计算机11可以利用数据分析处理算法自动提取重建光谱立方体数据；

(7)通过录像控制按键6，可采集一段时间内的快照式光谱视频，则视频既包含空间维度信息、光谱维度，又包含时间维度，从而可以观测目标物在时间维度的活动变化，同时也可以利用多帧图像融合算法将视频中连续多帧融合为一帧高动态范围的光谱图像；

(8)通过照明模式控制按键7，可控制开关不同窄光谱led，可根据实际需求改变照明模块25出射的光谱分布；

(9)若目标物三维表面高低变化明显，则由于景深限制，图像上只有焦点位置的部分是清晰的，其余超出景深的部分是模糊的，因此通过双击自动对焦控制按键1，微型计算机11控制微控制器以一定的频率来回快速切换液态透镜22的焦距，从而获得一系列不同焦点位置的图像，通过微型计算机11上的多帧图像融合算法，获得目标物表面不同部位都清晰的图像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施举例，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本技术领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。