多光谱成像装置及多光谱相机的制作方法

本实用新型涉及多光谱成像技术领域，特别涉及一种多光谱成像装置及多光谱相机。

背景技术：

多光谱技术是由光谱学与图像技术交叉融合形成的技术，既可以利用图像信息进行目标形状大小和分布研究，也可以利用光谱信息进行物质的鉴别分类。这种技术最早被用于遥感领域，后被引入到医药学、农业检测等领域。同样在农产品谷物的分级或者废品回收过程中，利用多光谱技术可以对多种形状复杂的谷物和废品进行自动在线识别，但庞大的谷物和废品数量要求扫描速度足够快，多种类型的谷物和废品种类要求波段可以任意选择，因此迫切需要一种波段任意选择的高速多光谱检测技术。

然而，相关技术中的多光谱相机的核心分光原理包括旋转式滤光器、芯片镀膜、电控可调谐滤光器、棱镜分光等。旋转式滤光器和芯片镀膜都是在探测器前安装或镀上一层固定波段的滤光片，受滤光片材料限制，其波段无法任意分隔；电控可调滤光片利用电压调节滤光片的通过波段，可以实现任意波段通过，但无法实现多个波段同时曝光，光谱扫描速度较低；推扫式光谱技术通常用于超光谱相机，拥有较高的光谱分辨率(1-3nm)，所有波段可以同时曝光和读出，但所有波段光谱读出时间较长，且细分后每个波段的光子数较少，信噪比较差，无法用于高速在线识别。在诸如谷物分级和废品回收等在线检测应用中，要求多光谱技术既要有波段任意选择功能又要有较高的扫描速度，但是相关技术中的多光谱技术或产品不能很好地实现上述要求。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种多光谱成像装置。该多光谱成像装置具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

本实用新型的另一个目的在于提供一种多光谱相机。

为了实现上述目的，本实用新型的第一方面的实施例公开了一种多光谱成像装置，包括：光学镜头，用于收集物料的反射光；入口狭缝，所述入口狭缝位于所述光学镜头的焦点处，以便所述反射光聚焦至所述入口狭缝；分光系统，用于将由所述入口狭缝入射的反射光分为多束单色光；面阵传感器，用于接收所述多束单色光；传感器读出电路，用于控制所述面阵传感器的曝光时间、并通过调节所述面阵传感器的控制时序以实现所述面阵传感器的波段合并以及波段选择。

本实用新型实施例的多光谱成像装置，具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

在一些示例中，所述分光系统为折射棱镜型分光系统或者衍射光栅型分光系统。

在一些示例中，所述折射棱镜型分光系统包括准直透镜、折射棱镜和聚焦透镜。

在一些示例中，所述衍射光栅型分光系统包括准直透镜和衍射光栅，或者，所述衍射光栅型分光系统包括准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。

在一些示例中，所述面阵传感器在接收到所述多束单色光后，所述面阵传感器的横向像素标识空间上不同位置，所述面阵传感器的纵向像素标识光谱上不同波长。

在一些示例中，所述面阵传感器为内部线转移类型面阵传感器，所述内部线转移类型面阵传感器包括了矩阵排布的多个像素和多个横向移位寄存器，所述多个横向移位寄存器横向排列，每个像素包括感光单元和纵向移位寄存器。

在一些示例中，所述控制时序包括第一控制时序和第二控制时序。

在一些示例中，所述传感器读出电路用于通过调节所述面阵传感器的第一控制时序以实现纵向移位寄存器中电荷的纵向移位，并通过调节所述面阵传感器的第二控制时序以实现横向移位寄存器中电荷的横向移位，进而实现所述面阵传感器的波段合并以及波段选择。

本实用新型的第二方面的实施例公开了一种多光谱相机，包括：根据上述第一方面的实施例所述的多光谱成像装置。该多光谱相机具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

本实用新型实施例的多光谱成像装置的控制方法，具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一个实施例的多光谱成像装置的示意图；

图2是本实用新型一个实施例的多光谱成像装置中四种不同形态物质的光谱曲线示意图；以及

图3中，(a)是本实用新型一个实施例的多光谱成像装置中面阵传感器的电荷合并示意图；(b)是本实用新型一个实施例的多光谱成像装置中面阵传感器的控制时序示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

以下结合附图描述根据本实用新型实施例的多光谱相机、多光谱成像装置及控制方法。

图1是根据本实用新型一个实施例的多光谱成像装置的示意图，如图1所示，并结合图3，根据本实用新型一个实施例的多光谱成像装置，包括：光学镜头1、入口狭缝2、分光系统3、面阵传感器4和传感器读出电路(图1中没有示出)。

其中，光学镜头1用于收集物料的反射光。入口狭缝2位于所述光学镜头1的焦点处，以便反射光聚焦至入口狭缝2。分光系统3用于将由入口狭缝2入射的反射光分为多束单色光。面阵传感器4用于接收多束单色光。传感器读出电路用于控制面阵传感器4的曝光时间、并通过调节面阵传感器4的控制时序以实现面阵传感器4的波段合并以及波段选择。

即：多光谱成像装置由光学镜头1、入口狭缝2、分光系统3、面阵传感器4和传感器读出电路构成。最前端的光学镜头1用于收集物料反射光，并聚焦至入口狭缝2处，即光学镜头1成像焦点位于入口狭缝2处。入口狭缝2宽度一般为20～80um，宽度越窄，光谱分辨率越高，入口狭缝2一般和分光系统3设计成一体。

在本实用新型的一个实施例中，分光系统3为折射棱镜型分光系统或者衍射光栅型分光系统。折射棱镜型分光系统包括准直透镜、折射棱镜和聚焦透镜。衍射光栅型分光系统包括准直透镜和衍射光栅，或者，衍射光栅型分光系统包括准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。无论是折射棱镜型分光系统的折射棱镜还是衍射光栅型分光系统的衍射光栅，其用途均是进行分光，因此，如图1所示，无论是折射棱镜型分光系统还是衍射光栅型分光系统，其分光系统包括准直透镜31，分光棱镜32和聚焦透镜33。

具体来说，折射棱镜型一般有透镜棱镜(PG)组合或透镜棱镜透镜(PGP)组合，前端准直透镜31将从入口狭缝2进入的复合光准直为平行光，然后再进入折射棱镜，由折射棱镜(即：分光棱镜32)透射后的复合光分散为按波长顺序排布的多束单色光，单色光再经过聚焦透镜33聚焦至面阵传感器4上。同样衍射光栅型的衍射光栅(即：分光棱镜32)将复合光也按波长顺序反射为多束单色光，聚焦透镜33将单色光聚焦至面阵传感器4上。曲面衍射光栅，本身具有聚焦功能，因此可以取消聚焦透镜33，直接将单色光反射并聚集至面阵传感器4。此时面阵传感器4的横向像素代表空间上不同位置，纵向像素代表光谱上不同波长，即：面阵传感器4在接收到多束单色光后，面阵传感器4的横向像素标识空间上不同位置，面阵传感器4的纵向像素标识光谱上不同波长，这样，面阵传感器4可以同时获得一段空间内物料的所有光谱信息，随着装置或物料的平行移动，本装置就可以在线获得物料的所有光谱信息。最后传感器处理电路控制面阵传感器4的曝光时间、电荷纵向和横向转移、相关双采样(CDS)、模数转换(ADC)、数字处理和传输等。

需要说明的是，传感器处理电路的控制原理和传统的棱镜分光超光谱相机相似。

传统的棱镜分光超光谱相机将物料的所有光谱都进行采样、模数转换、数字传输，光谱分辨率较高约1-3nm，但在谷物分选和废物识别领料，往往很多波段的光谱是没有价值的，有用的波段都具有较宽的光谱范围(50nm以上)，较高的光谱分辨率没有价值；另外由于所有光谱都采样，导致其扫描速度即帧频将会受到很大限制(最快100～500fps)；同时由于帧频快，面阵传感器积分时间短，每个像素的电荷数较少，信噪比较差。

本实用新型的面阵传感器采用内部线转移(interline transfer)类型面阵传感器4(CCD)，内部线转移类型面阵传感器包括了矩阵排布的多个像素和多个横向移位寄存器，多个横向移位寄存器横向排列，每个像素包括感光单元和纵向移位寄存器。具体地说，内部线转移类型的CCD支持全局曝光(global shutter)和纵向合并(vertical binning)。全局曝光控制了传感器曝光时间，且传感器成像不会受物料运动影响。纵向转移过程中将有价值和没有价值的光谱波段进行纵向合并，合并后传感器的横向转移数将大大减少，相应每帧总时间将减少。每帧总时间T_帧和帧频F关系每帧总时间T_帧＝T_曝光+T_列+T_行×N，T_曝光为传感器曝光时间，T_列为整列转移时间，T_行为整行转移时间。所以降低波段数N，将提高帧频F，而内部线转移类型的CCD通过控制时序可以实现任意波段的合并。

如图2所示为四种不同形态物质的光谱，其中，物质a为正常苹果表面，物质b是真菌感染的苹果表面，物质c为擦伤、瘀伤的苹果表面，物质d为黑色斑点的苹果表面，计算四种不同形态物质在波段II和波段III的信号面积，只有物质a在波段III的面积是小于波段II的面积，根据这点可以将物质a和其他三种物质区分开，同时波段I和波段VI的光谱信息是没有价值的。分光系统产生的多束单色光照射至面阵传感器后，按波段I、II、III、IV将面阵传感器内部信号进行合并，N减少为4。例如采用640(H)*480(V)的面阵传感器(KAI0340)，T_曝光为1us，T_列为246us，T_行为9us；所有光谱即640*480个像素都采样转换，帧的时间T_帧＝T_曝光+T_列+T_行×480＝4567us，即帧频F为210fps；合并为4个波段后即640*4个像素采样转换，帧的时间T_帧＝T_曝光+T_列+T_行×4＝283us，其帧频F为3533fps，且合并后4个波段的电荷数也是原来的几十倍，信噪比得到提高。

作为一个具体的示例，面阵传感器为内部线转移类型面阵传感器，内部线转移类型面阵传感器包括了矩阵排布的多个像素和多个横向移位寄存器，多个横向移位寄存器横向排列，每个像素包括感光单元和纵向移位寄存器。控制时序包括第一控制时序和第二控制时序。传感器读出电路用于通过调节所述面阵传感器的第一控制时序以实现纵向移位寄存器中电荷的纵向移位，并通过调节所述面阵传感器的第二控制时序以实现横向移位寄存器中电荷的横向移位，进而实现所述面阵传感器的波段合并以及波段选择。

具体来说，如图1和图3所示，光学镜头1用于接收物料反射光，并聚焦至入口狭缝2处，即镜头成像焦点位于入口狭缝2处。入口狭缝2宽度一般为20～80um，宽度越窄，光谱分辨率越高。分光系统3为透镜棱镜透镜(PGP)组合，前端准直透镜31将从入口狭缝2进入的复合光准直为平行光，然后再进入折射棱镜32，由折射棱镜32透射后的复合光分散为按波长顺序排布的多束单色光6，单色光6再经过聚焦透镜33聚焦至面阵传感器4(如内部线转移类型的CCD)上。内部线转移类型的CCD包含了矩阵排布的多个像素8和多个横向移位寄存器11，多个横向移位寄存器11呈横向排列，即一排横向移位寄存器11，每个像素8内部包括了感光单元和纵向移位寄存器，感光单元将接受到的光子转换为电荷，电荷存储在纵向移位寄存器中。通过改变面阵传感器4的控制时序V1、V2(即：第一控制时序)，可以实现纵向移位寄存器中电荷9从上向下转移；通过改变面阵传感器4的控制时序H1、H2(即：第二控制时序)，可以实现横向移位寄存器中电荷10从右向左转移。横向移位寄存器末端是实现电荷转电压功能的放大器12，电荷10数量越多，得到电压值越大且信噪比越高。内部线转移类型的CCD中的横向像素代表空间上不同位置，纵向像素代表光谱上不同波长，要实现光谱上波段合并，就是控制传感器时序V1、V2、H1、H2实现像素内电荷进行纵向合并。例如在图3中，为了将传感器第n行至n+4行合并，控制时序V1、V2输出5个的相反脉冲，将第n行至n+4行的像素电荷累计至对应的横向移位寄存器；紧接着控制时序H1、H2再输出传感器横向像素总数(例如KAI0340为640个)的相反脉冲，将横向移位寄存器中电荷逐一转换为电压信号。纵向转移过程中将有价值和没有价值的任意光谱波段进行纵向合并，合并后N变为N-5，相应每帧总时间T_帧也就减少，帧频F得到提高；同时合并后横向移位寄存器中电荷10相对像素8中电荷9数量增加了5倍，传感器输出电压和信噪比得到提高；波段选择取决于传感器时序V1、V2和H1、H2，控制时序可以通过人工任意设置，这样，就实现了任意波段选择的高速多光谱成像装置。

根据本实用新型实施例的多光谱成像装置，具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

进一步地，本实用新型的实施例公开了一种多光谱相机，包括：根据上述任意一个实施例所述的多光谱成像装置。该多光谱相机具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

另外，根据本实用新型实施例的多光谱相机的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述。

本实用新型的实施例公开了一种多光谱成像装置的控制方法，其中，多光谱成像装置为根据上述任意一个实施例所述的多光谱成像装置。控制方法包括：调节所述多光谱成像装置中面阵传感器的控制时序以实现所述多光谱成像装置中面阵传感器的波段合并以及波段选择。

本实用新型实施例的多光谱成像装置的控制方法，具有波段任意分隔，多波段同时曝光，且扫描速度快的优点，尤其适合用于在线物质的分类。

需要说明的是，本实用新型实施例的多光谱成像装置的控制方法的具体实现方式与本实用新型实施例的多光谱成像装置的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。

需要说明的是，本实用新型实施例的基于面阵结构光系统的三维重建系统的具体实现方式与本实用新型实施例的基于面阵结构光系统的三维重建方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。