凝视型多光谱成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种凝视型多光谱成像系统，包括：光学成像系统、色散元件、驱动装置和探测器；所述光学成像系统的光轴分别垂直于所述色散元件的表面以及所述探测器的像元表面；所述色散元件位于所述光学成像系统和所述探测器之间；所述驱动装置驱动所述色散元件沿一个方向移动。通过移动色散元件，可以获得固定视场下的多光谱图像，从而节约了生产成本，降低了结构复杂度。
【专利说明】
凝视型多光谱成像系统
技术领域
[0001]本发明涉及光谱成像领域，具体而言，涉及一种凝视型多光谱成像系统。
【背景技术】
[0002]光谱成像技术具备同时探测光谱和空间信息的能力，被广泛应用于文物鉴定、食品检测、精准农业、资源探测、伪装识别、生物医疗等众多领域。光谱成像主要有推扫型和凝视型两种成像方式。传统采用棱镜、光栅作为分光元件的光谱成像技术即为推扫型，利用狭缝限制视场，经过棱镜、光栅色散，将各个波段的狭缝像一次性投射到探测器焦平面上。推扫型光谱成像需要借助平台或者探测目标的移动得到完整的数据立方。因此，在自身具备推扫运动的卫星、飞机等平台上较多使用。然而，推扫型光谱成像方式在有些场合并不适用，比如手术过程中系统整体扫描对主治医生产生干扰，此时需要采用凝视型多光谱成像系统。
[0003]然而，目前的凝视型多光谱成像系统采用声光可调谐滤光器(Acousto OpticTunable Filter，A0TF)或液晶可调谐滤光器(Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF)等可调谐滤光器件，利用此类方法实施的光谱成像波段范围和波段数有限，分辨率较低，且结构复杂，成本较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的提供一种凝视型多光谱成像系统，能够实现高光谱分辨率以及宽波段范围的光谱成像系统。
[0005]本发明实施例提供一种凝视型多光谱成像系统，包括:光学成像系统、色散元件、驱动装置和探测器;所述光学成像系统的光轴分别垂直于所述色散元件的表面以及所述探测器的像元表面;所述色散元件位于所述光学成像系统和所述探测器之间；所述驱动装置驱动色散元件在所述光学成像系统和所述探测器之间移动。通过移动色散元件，可以获得固定视场下的多光谱图像，从而节约了生产成本，降低了结构复杂度。
【附图说明】
[0006]图1为本发明实施例提供的凝视型多光谱成像系统的结构示意图；
[0007]图2为本发明实施例获得多光谱图像的原理图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
[0009]图1为本发明实施例提供的一种凝视型多光谱成像系统的结构示意图。如图1所示，该多光谱成像系统主要包括:
[0010]光学成像系统4、色散元件2、驱动装置3和探测器I。
[0011 ]需要说明的是，色散元件2和驱动装置3可以称为色散分光单元，色散分光单元可以集成在光学成像系统4中，作为光学成像系统4的一部分;还可以作为单独的部件，与光学成像系统4分开设置。
[0012]所述光学成像系统4包括所有能够实现对观测目标成像的光学系统，例如显微镜、照相机等。
[0013]色散元件2用于实现对目标物体的光谱分割，色散元件2例如可以为波长渐变滤光片、多光谱滤光片等。
[0014]驱动装置3带动色散元件2在平行于探测器I的像元表面的平面上，沿垂直于探测器像元阵列的方向移动。驱动装置带有位置传感器，实时反馈色散元件和探测器表面的相对位置信息。
[0015]进一步的，需要说明的是，色散元件2和探测像面的尺寸不要求一致，色散元件2沿移动方向的长度LI与探测器像元阵列在垂直于像元阵列方向的长度L2可以相等，也可以不等。
[0016]色散元件2的移动方式例如可以为:色散元件2的左边缘从探测器I的像元表面的一端进入，从探测器I的像元表面的另一端移出，即色散元件2的最左端最先进入探测器I的像元阵列区域，在驱动装置3的带动下，以一定速度逐渐进入探测器I的像元阵列区域，色散元件2逐渐与探测器I的像元阵列重合，再继续前进，直至色散元件2的最右端移出探测器的像元阵列区域。
[0017]当然，色散元件还可以采用从上至下的移动方式，只要移动方向垂直于探测器像元行或列向即可。
[0018]其中，光学成像系统4的光轴分别与色散元件2表面、探测器I表面垂直。也可以理解为，色散元件2的表面、探测器I的表面平行于光学成像系统的焦平面。
[0019]探测器I用于通过光电效应获取和记录多光谱图像信息，探测器I例如可以为(XD、CMOS 等。
[0020]所述探测器I的像元阵列接收经过色散元件2的光谱，获得光谱分割后的谱带能量。
[0021]从光学成像系统4出射的光线经过色散元件2成像于探测器I的像元表面，从而探测器I的不同像元阵列获得不同光谱图像信息，当整个色散元件2从探测器I像元表面的一侧进入，另一侧移出时，探测器I就可以获得每个谱带在同一视场下的图像，从而获得了固定视场下的多光谱图像。
[0022]每个谱带在同一视场下的图像可以称为是固定视场的完整的数据立方，此时，不仅有图像的信息，还包括光谱维度上细分，既能获得图像上每一点的光谱数据，又能获得任一谱段的图像信息。
[0023]需要说明的是，色散元件反向移动即可获取下一时间的光谱图像信息。因此，通过色散元件一维往复移动，获取不同时间下的光谱数据立方。
[0024]下面对本发明实施例提供的多光谱成像系统的工作方式进行详细介绍:
[0025]步骤I，固定光学成像系统和探测器的相对位置，使得经过光学成像系统的光线汇聚于探测器的焦平面处，以在探测器表面获得清晰的目标物体图像；
[0026]步骤2，确定色散元件表面不同位置处的光谱(A1)，该步骤可通过标定测试实现，具体的标定方法可以为:
[0027]分光光度计发出单色光，垂直入射到色散元件表面，测量光斑照射位置的光谱曲线，用千分尺标定中心波长(M)对应的光斑照射点在色散元件上的位置。
[0028]如图2所示，在色散元件表面的不同位置处具有不同的光谱即波长划分，例如λ0-λη，每个光谱在色散元件表面所占据的宽度例如为0.05mm。
[0029]步骤3，将色散元件置于平行探测器像元表面的一个平面上，该平面位于所述光学成像系统的像面上、或临近位置、或紧贴探测器的表面。
[0030]步骤4，驱动装置驱动色散元件到初始位置，其中，初始位置为探测器像面表面的边缘，若色散元件从多光谱成像系统的右侧进入，则初始位置为探测器像面表面的右边缘；
[0031]步骤5，计算色散元件所需的移动速度:
[0032]色散元件的移动速度可以根据步骤2的标定结果和探测器的采集帧频设置。
[0033]探测器的采集帧频为N，每段光谱在色散元件占据的几何宽度为a(mm)，则色散元件的移动速度为a/(l/N)=a*N(单位:mm/s)。
[0034]例如，探测器的采集帧频为60(帧/s)，每段光谱在色散元件占据的几何位置为
0.0 5mm时，色散元件的移动速度为3mm/s。
[0035]步骤6，驱动装置根据步骤5中计算的色散分光元件的移动速度，驱动色散元件在光学成像系统和探测器之间的平面上移动。
[0036]例如图2所示，色散元件的右端从探测器的像元表面的最左端开始进入，直至色散元件的左端移出探测器像元表面的最右端。
[0037]步骤7，探测器采集不同时刻的目标物体的光谱数据。
[0038]如图2所示，HUKm1……1^为探测器的像元阵列中的像元位置，λ。……λη为色散元件上不同位置对应的不同光谱。
[0039]在色散元件移动过程中，不同时刻探测器采集到的单光谱图像不同。
[0040]在to时刻，探测器像元阵列mo位置处的条带0(0为条带序号，如下提到类似)采集对应于λο的光谱，探测器除mo之外的位置采集的是全光谱图像；
[0041]在^时刻，提取λο对应探测器的mi位置处的条带O和提取A1对应探测器的mQ位置处的条带I;
[0042]依次类推，在t2n—!时刻，提取λη—!对应探测器的mn位置处的条带η-1和提取λη对应探测器的位置处的条带η;
[0043]在t2n时刻，提取λη对应探测器的mn位置处的条带η;
[0044]这样，当色散元件移出探测器的像元表面时，将探测器不同条带所接收的同一光谱\的图像进行拼接，即可获取固定视场下的不同光谱图像。
[0045]色散元件反向移动即可获取下一时间的光谱图像信息。因此，通过色散元件一维往复移动，获取不同时间下的光谱数据立方。
[0046]本发明实施例通过将色散元件置于光学成像系统和探测器之间，通过移动色散元件能够获取固定视场下的多光谱图像。同常规凝视型光谱成像方式相比，结构简单、成本下降。
【主权项】
1.一种凝视型多光谱成像系统，其特征在于，包括:光学成像系统4、色散元件2、驱动装置3和探测器I; 所述光学成像系统4的光轴分别垂直于所述色散元件2的表面以及所述探测器I的像元表面;所述色散元件2位于所述光学成像系统4和所述探测器I之间； 所述驱动装置2驱动色散元件2在所述光学成像系统4和所述探测器I之间移动。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于:所述光学成像系统4、所述色散元件2、所述驱动装置3集成在一起;或所述色散元件2和所述驱动装置3作为色散分光单元，与所述光学成像系统4分别设置。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述色散元件2的移动方向与所述探测器I的行或列向垂直。4.如权利要求3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述色散元件2从所述探测器I的像元表面的一端进入，从所述探测器I的像元表面的另一端移出。5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述色散元件2位于所述光学成像系统的像面上、或临近位置、或紧贴探测器的表面。6.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述光学成像系统为照相机或显微镜。
【文档编号】G01J3/28GK106017675SQ201610322158
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】高劲松, 王笑夷, 杨飞, 张建
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所