CN1020957C - 快速面光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

“快速面光谱探测装置”是一种快速测量高分辨光谱图象和识别彩色目标的光学装置。该装置以全新的空间-光谱编码技术为基础，以新型的可调谐的带通滤光器为编码器，用一台计算机控制扫描、面阵探测和处理数据，实现了对光谱与空间信息的同时扫描，快速解码出多光谱图象。与同类设备比，具有瞬时探测面视场，全电控，易便携的优势，是新一代快速获取目标的光谱与空间信息的仪器，它可广泛应用于工业，如印刷的分色、温度场深测、机器入视觉、遥感、生物医学、军事等领域。

Description

本发明属于光谱图象探测及彩色图象识别的光学装置。

光学信息可分为光谱信息和空间信息，前者反映被测目标的物质成份：后者反映目标的形状与结构。若要获取上述两种信息（即光谱图象），对于探测高光谱分辨率的图象的设备，通常必须采用空间扫描与光谱扫描分开进行的办法，而空间扫描一般由一套机械活动部件构成，致使机构复杂，尤为令人困扰的是探测的瞬时视场小，最大为线视场，因而难以监视动态目标。

本发明的任务是提供一种能将空间与光谱扫描合二为一的快速面光谱的探测装置，它具有瞬时探测面视场，高的光谱分辨率、全电控和快速的特点。

本发明的实质在于采用可调谐的带通滤光器作为装置的空间-光谱编码器，通过调谐滤光器，实现对目标的光谱和空间的扫描。为便于理解发有的构成，以下结合附图详细叙述本发明。

图1为发明装置的光学原理;

图2为用声光可调谐滤光器作为空间-光谱编码器的发明装置的一个实例。

图3为用声光可调谐滤光器作为编码器时，编码图的光谱变化规则。

参照图1，目标1置于物镜L₁3的前焦面上，空间任一物点A发出的光束经L₁，转换成一束方向为

的平行光。在L₁、L₂5之间放置一个可调谐带通滤光的空间-光谱编码器4，它对空间任一确定方向的光束对应有唯一的、可调谐的带通滤光函数。

T（

）＝t[λ-λ_C（

，f₁）]

其中，λ_C（

_A，f_t）为带通滤光器的通带中心波长，λ_C随滤光器的自身调谐因子f_t的变化而变化，且与空间方向 有关。 _A方向的光束经过滤光作用后，由L₂聚焦在L₂的后焦面的A′处，A′上的光为准单色光λ_A其光谱带宽由滤光器的极限带宽决定。同理，在B′点上得到的光是准单色光λ_B

λ_A＝λ_C（

_A，f_t）

λ_B＝λ_C（

_B，f_t）

改变滤光器的调谐因子f_t即可同时对A，B点进行光谱扫描，对整个物面来说，就是对每个物点以不同的步调同时进行光谱扫描。可见，这种滤光器确立了目标空间物点和光谱之间-对应的编码关系。用面阵探测器7获取各f_t下的编码图，输入计算机进行编解数据处理，就能合成目标的一系列单色光谱图象。目前，可作为编码器4的光学器件有：

1.声光可调谐滤光器（AOTF）

2.电光可调谐滤光器（EOTF）

3.可调谐F-P干涉滤光器（TFPF）

4.可调谐双折射滤光器（TBF）

图2为用声光可调谐滤光器作为编码器装置的一个实例。

目标1置于物镜3的前焦面上，其上任一物点发出的光束经物镜3转换成同一方向的光束后，入射声光可调谐滤光器（AOTF）4，经AOTF编码后的光由物镜5会聚在面阵探测器7上，经一信号处理电路9，定时器10，快速A/D变换器11，即可得到在某一个声频f的数字化编码图。一对正交偏振片（2，6）是配合AOTF使用的。另一方面，计算机16通过两路D/A变换器15、电流/电压变换器14来控制压控射频电源13的输出信号f，从而调谐AOTF的滤光函数，这样就可得到 在不同的扫频因子f下的一系列编码图，计算机据据AOTF的编码规则，即可能码出目标的多光谱图象。

要使计算机能对探测到的系列编码图进行解码，就必须掌握编码器的编码规则，然后建立解码库，解码库的建立可以参照下述方法。

设探测器共有m个探测元，即系统最多能分辨m个象元。与此对应，将被测的目标按一定次序分成m个小区域。为便于处理，排序应按面阵探测的象元输出的先后次序来进行。不妨设目标的光谱由n个波长的单色光构成，这样，用MxN阶矩阵就能表达

元素Pij表示第i个象素的第j个波长的光谱强度，故目标矩阵P_O的第j列就是目标的第j个波长的面光谱图象。

在第f个扫描因子下，编码图用MxN阶矩阵E_f表示，编码器的编码操作用NxM阶矩阵T_f表示，则有：

E_f＝P_o·T_f

即

$e_{\mathrm{i\; j}}=\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{p\; i\; k\; t\; k\; j}$

理想情况下，在某一扫描因子f下，每个象素只有一个波长的光能够通过编码器。对于一定的工作光谱区，在初始和末端扫描处，只有一部分区域的象素上可衍射的光波长落在工作光谱区内，而其它区域的象素的波长不是我们需要的，是多余的。图3为AOTF作为编码器时，有效象区域随声频变化的过程图，（a）为目标。（b）为编码图。

基于上面的考虑，编码操作矩阵T_f不等于零的元素最多应该只有n个。

定义MxN阶矩阵S_f为解码操作矩阵，它满足

S_ij＝t^-1 _ji，当t_ji≠0时

S_ij＝0，当t_ji＝0时

则

$P_O=\underset{\mathrm{f\; =\; 1}}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{E}_f\mathrm{·\; S}{}_f$

即

$P_{\mathrm{i\; j}}=\underset{\mathrm{f\; =\; 1}}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{k\; =\; 1}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{i\; k}}\mathrm{·\; S}{}_{\mathrm{k\; j}}$

q为扫描因子的个数，上式中的一连串累加项，不等于零的情况只有一次。

解码库就是按上述的解码操作矩阵S_f建立的。

发明提供的快速面光谱探测装置的优点：

由于采用了新的空间-光谱编码技术，开发了可调谐的带通滤光器的三维空间应用的功能，从而使空间与光谱扫描两过程合二为一，使瞬时探测视场扩展为二维空间。该装置完全摒弃了活动的机械部件，因而探测速度不存在机械运动的制约。又由于它具有高的光谱分辨率，如果用它来识别彩色图象，更具有识别“同色异谱”目标的能力。该装置可应用于工业，如印刷、印染的分色，温度分布场的探测，机器人视觉，遥感、生物医学、军事以及有关彩色图象探测与识别的领域。

Claims (3)

1、一种快速面光谱探测装置，其特征在于目标(1)上任一物点的光经物镜(3)转换成同一方向的光束入射可调谐带通滤光的空间一光谱编码器(4)。该编码器对空间与光谱信息进行编码操作，物镜(5)将经过处理后的光束会聚到面阵探测器(7)上，探测器输出的模拟编码图象信息经处理后，由快速A/D变换器(11)转化成数字量，经数据通道(12)输入计算机(16)，进行解码处理，得到多光谱图象，另一方面，计算机通过D/A变换器(15)和I/V转换器(14)来控制驱动电源(13)，从而实现编码器的调谐。

2、按权利要求1所述的快速面光谱探测装置，其特征在于所述的编码器（4）为声光可调谐滤光器或电光可调谐滤光器或可调谐F-P干涉滤光器或可调谐双折射滤光器。

3、按权利要求1所述的快速面光谱探测装置，其特征在于用面阵探测器（7）及其驱动电路（8）或摄象机来探测编码器。

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