CN102749139A - 一种多光谱图像捕捉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱图像捕捉系统，包括一多谱成像镜头，所述多谱成像镜头的后方设置有一用于感光成像的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器固定在一光学平台上，所述多谱成像镜头包括多通道滤波片及阵列式微透镜，所述阵列式微透镜的每个透镜单元与多通道滤波片的一个滤波单元对应构成一个光通道。本发明采用集成了多通道滤波片及阵列式微透镜的多谱成像镜头，从而解决了当外界扰动时，因滤波片与透镜相对位置失配引起的成像质量降低的问题；另本发明滤波片采用干涉滤波片的多膜系结构，可实现可见光与近红外波段的多通道集成；进一步，本发明系统引入了微型直线电机，从而实现了系统的自动对焦功能。
Description
技术领域
本发明涉及微型光机电系统，尤其是一种多光谱图像捕捉系统。
背景技术
在普通成像系统中，人们往往采用扩大图像传感器像素规格的方式来提高图像分辨率，获取更多信息。但这种方式在很多应用场合已经显现出瓶颈，某些信息往往不能从简单的灰度数据中提取出来。利用多谱成像技术可获得不同波长下的图像信息，这是普通成像方式无法实现的。因此多谱成像在遥感测量，生物医学成像，目标探测与跟踪等领域具有广泛的应用价值。
目前的多谱成像系统，一种是采用普通单孔径镜头与滤光片轮转机构相结合的方式。这种系统通过机械结构实现不同颜色滤光片的转换，并分别获取相应图像。因此该系统无法实现多光谱图像的同时获取，工作效率较低。中国专利CN102053297A（专利公布号）公布了一种多谱段滤光机构，该机构用于空间光学遥感器，通过一个轮转结构实现不同波段滤光片的转换，从而获取不同波段的图像。这种方式的缺点在于每次只能获取某一波段的图像，但无法同时获取多波段的图像信息，因此工作效率不高。
Shogenji等人(期刊论文，题目:Multispectral imaging using compact compound optics，期刊: Optics Express, 卷vol.12, no.8, 2004)提出了一种基于多通道彩色滤光片和微透镜阵列的多谱成像系统。滤光片的每一个通道对应某一种颜色，并与其后的一个微透镜对准，构成一个光通道。每个光通道的成像结果由同一块图像传感芯片记录，从而实现多光谱图像信息的同时获取。该系统通过机械装置将滤光片，微透镜阵列，图像传感芯片分别固定，并通过调节其相对位置实现校准。该系统的缺点在于滤光片的每个通道和阵列中各透镜之间的校准精度要求较高，当有外界扰动时，微小的位置失配会导致不同颜色的光线入射到同一透镜中，导致针对某一波段图像数据的不准确，影响系统的整体成像性能。此外，该系统仅针对可见光波段工作，无法实现近红外波段图像的获取。同时，该系统还存在各组件分立，集成度不高的缺点，这些都不利于应用领域的拓展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多通道光谱成像的多光谱图像捕捉系统。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种多光谱图像捕捉系统，包括一多谱成像镜头，所述多谱成像镜头的后方设置有一用于感光成像的CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器固定在一光学平台上，所述多谱成像镜头包括多通道滤波片及阵列式微透镜，所述阵列式微透镜的每个透镜单元与多通道滤波片的一个滤波单元对应构成一个光通道。
进一步作为优选的实施方式，所述多通道滤波片为干涉型滤波片，采用高低折射率材料相间的多膜系结构。
进一步作为优选的实施方式，所述多通道滤波片与阵列式微透镜键合连接。
优选地，所述光学平台通过传动机构连接有微型直线电机。
优选地，所述CMOS图像传感器通过USB数据线连接有电脑。
本发明的有益效果是：本发明采用集成了多通道滤波片及阵列式微透镜的多谱成像镜头，从而解决了当外界扰动时，因滤波片与透镜相对位置失配引起的成像质量降低的问题；另本发明滤波片采用干涉滤波片的多膜系结构，可实现可见光与近红外波段的多通道集成；进一步，本发明系统引入了微型直线电机，从而实现了系统的自动对焦功能。
附图说明
图1是本发明多光谱图像捕捉系统的结构示意图；
图2是本发明阵列式透镜的结构示意图；
图3是本发明多通道滤波片的结构示意图；
图4是本发明中多谱成像镜头截面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护范围并不限于此。
参照图1,一种多光谱图像捕捉系统，包括一多谱成像镜头10，所述多谱成像镜头10的后方设置有一用于感光成像的CMOS图像传感器20，所述CMOS图像传感器20固定在一光学平台30上，所述多谱成像镜头10包括多通道滤波片12及阵列式微透镜14，所述阵列式微透镜14的每个透镜单元与多通道滤波片12的一个滤波单元对应构成一个光通道，该系统还包括外壳70，CMOS图像传感器20经USB数据线连接有电脑60。
优选地，所述多通道滤波片12为干涉型滤波片，采用高低折射率材料相间的多膜系结构，可集成可见光及近红外（波长范围在400nm-1000nm）波段的多个光通道，呈马赛克状。阵列式微透镜14采用光刻胶热熔及反应离子蚀刻技术制成，每个透镜单元与滤光片的一个单元构成一个光通道，实现某一单色光的成像。目标物体发出的光线经多通道滤波片12过滤后实现光谱分离，之后被各通道独立成像，同时被CMOS图像传感器20接收并通过USB数据线50传送到外置的电脑60上，从而实现多光谱图像的同时捕捉。在实际镜头的设计上，为保证各波长图像的分辨率，每种波长对应多个光通道，其目标图像由这些通道获取的多幅图像重建获得。
参照图4,多通道滤波片12与阵列式微透镜14通过键合技术实现集成，构成多谱成像镜头，实际应用中可以采用粘结键合或者热压键合的方式。CMOS图像传感器20通过支架固定在光学平台30上，通过光学平台30可实现横向移动，从而使CMOS图像传感器20的感光区域与固定在外壳70上的多谱成像镜头10对准。优选地，光学平台30通过传动机构连接有微型直线电机40，在微型直线电机40的驱动下，光学平台30可做纵向移动（即图1所示的Z方向），从而调节CMOS图像传感器20与多谱成像镜头10间的距离，同时配合像质评价算法软件可实现系统自动对焦。此外，还将通过微动螺钉实现光学平台30在x方向的移动和y方向的移动，用以将CMOS图像传感器20的感光区域与多谱成像镜头10对准。某一波长对应多个光通道，这些通道通过微透镜独立成像，依据这些图像的灰度数据进行重建，即可获得该波长下的图像信息。不同波长的图像在CMOS图像传感器20上被同时记录，因此系统可同时实现多波长图像信息的捕捉。
本发明涉及的多谱成像镜头10由一个多通道滤波片12和一个阵列式微透镜14集成而成。多通道滤波片12的滤波片的滤光区域采用高低折射率材料相间的多膜系结构，通过化学汽相沉积或磁控溅射的方式实现，同时配合组合反应离子蚀刻技术实现不同波段的多通道集成。滤光区域的通道数目可按照系统实际要求选择，工作波段可覆盖整个可见光区域及一部分近红外区域（400nm-1000nm）。在制作时为了方面后续的集成工艺，在基片上通过光刻技术制作十字记号（其俯视示意图如图3所示），多通道滤波片12的各个滤波单元可分别对应不同波长的光线。此外，在滤波片的背面，与滤光区域相应的位置采用湿法刻蚀技术刻出一个20um深的矩形凹槽，用以在和阵列式微透镜14集成时容纳透镜。阵列式微透镜14采用光刻胶热熔及反应离子刻蚀技术制作，阵列规格可依据滤波片的通道数目确定。每一个微透镜的孔径约为800um，高度约10um，焦距约为6mm。在制作时也要在基片的同一位置留下十字记号（其俯视示意图如图2所示）。二者的集成采用粘着键合技术实现，通过两个基片上同一位置的十字标记进行对准，最终制成本发明系统所述的多谱成像镜头10，其截面示意图如图4所示。这样，本发明多谱成像镜头从根本上解决了当存在外界扰动时，因二者相对位置失配引起的系统成像质量降低的问题。此外，在制作滤波片时，由于采用了干涉滤光片的多膜系结构，可通过对制作工艺参数的适当选择实现可见光和近红外波段的多通道集成，从而使系统实现可见光和近红外图像的同时获取。此外，在结构设计中引入了微型直线电机从而实现了系统的自动对焦功能。因此，本发明明显提高了系统的集成度和实用性，拓展了其应用范围。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种多光谱图像捕捉系统，包括一多谱成像镜头（10），所述多谱成像镜头（10）的后方设置有一用于感光成像的CMOS图像传感器（20），所述CMOS图像传感器（20）固定在一光学平台（30）上，其特征在于：所述多谱成像镜头（10）包括多通道滤波片（12）及阵列式微透镜（14），所述阵列式微透镜（14）的每个透镜单元与多通道滤波片（12）的一个滤波单元对应构成一个光通道。
2.根据权利要求1所述的一种多光谱图像捕捉系统，其特征在于：所述多通道滤波片（12）为干涉型滤波片，采用高低折射率材料相间的多膜系结构。
3.根据权利要求1所述的一种多光谱图像捕捉系统，其特征在于：所述多通道滤波片（12）与阵列式微透镜（14）键合连接。
4.根据权利要求1所述的一种多光谱图像捕捉系统，其特征在于：所述光学平台（30）通过传动机构连接有微型直线电机（40）。
5.根据权利要求1所述的一种多光谱图像捕捉系统，其特征在于：所述CMOS图像传感器（20）通过USB数据线（50）连接有电脑（60）。
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