CN103091258B - 一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪，所述多光谱成像仪包括滤光片阵列、前置光学系统、液态变焦透镜阵列、探测器和液态变焦透镜控制模块，其中所述滤光片阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；成像目标与所述液态变焦透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：所述前置光学系统的主面与所述探测器通过所述液态变焦透镜阵列满足物像关系：所述液态变焦透镜控制模块用于实现对所述液态变焦透镜阵列中各透镜焦距的数字化编程控制。该多光谱成像仪能够消除基于微透镜阵列的多光谱成像系统中的机械调焦机构，降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性、提高系统的响应速度、提高系统的精度。

Description

一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪。

背景技术

目前，光谱成像技术是将光学成像技术和光谱分析技术相结合而得到的一种成像技术，利用光谱成像技术可以获得目标的二维空间图像和一维光谱曲线。获取的二维空间图像和一维光谱曲线能综合反映出被测物体的几何影像和理化属性，所以利用光谱成像技术可以对目标的特征进行精确感知和识别，该技术在在航空航天遥感、工农业检测、环境监测和资源探测等领域得到了十分广泛的应用。

根据分光原理的不同，可以将成像光谱仪分为色散型光谱仪、干涉型光谱仪和滤光型光谱仪三个种类。目前，常用的色散型成像光谱仪一般利用棱镜或光栅对光线的横向色散作用，将不同波长的光线沿着焦平面中的一个方向进行分离，色散型成像光谱仪具有结构简单、光谱分辨率较高的优点，但是由于系统中存在狭缝，其能量利用率低、仪器灵敏度低；常用的干涉型成像光谱仪是将目标所发出的光线剪切成两束相干的光线，两束相干光经过不同的物理路径并最终干涉成像在探测器上，两束相干光具有一定的光程差，可以形成干涉图，通过对干涉图进行傅里叶变换的方法可以获取目标的光曲线，干涉型成像光谱仪具有高通量的优点，但是光谱曲线复原精度受到诸多因素的制约；滤光型成像光谱仪是通过滤光片系统，在某一时刻或探测器的某一区域获取目标某一种波长的图像，通过更换滤光片或者是对探测器上不同区域图像的重构来获取目标的光谱数据立方体，色散型成像光谱仪具有结构简单的优点，但能量不足往往会限制其应用的范围。

如图1所示为现有基于微透镜阵列的多光谱成像结构示意图，其中前置光学系统的主面、入瞳与滤光片阵列的位置相互重合。参照图1，成像目标经过前置光学系统后成像在微透镜阵列之上，也即成像目标与微透镜阵列通过前置光学系统满足物像关系，其中目标点所在平面为物面，微透镜阵列面为像面；目标所发出的光线经过滤光片阵列之后被分解成多个子孔径，每一个子孔径对应于滤光片阵列的某一波长，子孔径的数目由滤光片阵列的组成单元数目确定。通过滤光片后的光线在微透镜阵列上汇聚到一点，对于单个微透镜来说，滤光片阵列可看成其物面，探测器平面可看滤光片阵列经过微透镜之后成像的像面，滤光片阵列经过一个微透镜之后在探测器的对应区域上得到与滤光片单元数目相同的、相互分离的多谱段图像。为准确的获取目标的光谱信息，前置光学系统、微透镜阵列以及探测器之间必须严格的满足关系式：并保证每一个子孔径通过微透镜成像后与探测器像元存在一一对应关系，如果l或l'与理论值存在百微米量级的偏差Δl，物像关系及与探测器像元一一对应关系将被破坏，必须通过机械的方式来调整微透镜阵列与探测器或前置光学系统与微透镜阵列之间的距离，Δl的调整精度需要达到十微米左右，这给调焦机构带来了很大的技术难度，即使将Δl调整到系统所要求的范围内，多光谱成像仪由于使用环境的震动或热胀冷缩等因素也可能会改变Δl，进而使得目标的图像不清晰、发生光谱混叠，无法复原出多光谱图像。

由上可见，上述多光谱成像技术中要求该光谱成像系统的机械调焦结构中必须包含运动部件，才能将探测器或微透镜阵列沿着光轴移动，这样必然增加了结构的复杂度，且该运动部件的引入降低了系统的稳定性，使得该光谱成像技术难以运用在手持环境和运动平台中；另外，机械调整方式调整时间长，这也使得系统难以满足实时调焦、实时成像的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪，能够消除基于微透镜阵列的多光谱成像系统中的机械调焦机构，降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性、提高系统的响应速度、提高系统的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪，所述多光谱成像仪包括滤光片阵列、前置光学系统、液态变焦透镜阵列、探测器和液态变焦透镜控制模块，其中：

所述滤光片阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；

成像目标与所述液态变焦透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：其中，l₁为成像目标与前置光学系统主面之间的距离，l′₁为液态变焦透镜阵列与前置光学系统主面之间的距离，f₁是前置光学系统的焦距；

所述前置光学系统的主面与所述探测器通过所述液态变焦透镜阵列满足物像关系：其中，l₂为前置光学系统主面与液态变焦透镜阵列的距离，l′₂为液态变焦透镜阵列与探测器之间的距离，f₂是液态变焦透镜阵列中单个透镜的焦距；

所述液态变焦透镜控制模块用于实现对所述液态变焦透镜阵列中各透镜焦距的数字化编程控制。

所述滤光片阵列、所述前置光学系统的主面位置以及入瞳位置相互重合。

所述探测器为电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体或胶片。

一种基于液态变焦技术的多光谱成像系统，所述系统包括前置望远镜模块、如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪、多光谱图像处理模块、多光谱图像重构模块，多光谱图像合成模块，其中：

所述前置望远镜模块，用于将无穷远处的目标聚焦在如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪的成像目标面上；

如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪，用于对成像目标进行多光谱成像，并可通过数字编程的方式改变液态变焦透镜的焦距，实现无运动机构变焦，获取所述成像目标的多光谱图像；

所述多光谱图像处理模块，用于判断探测器是否处于液态变焦透镜的像面之上，当需要调焦时，计算出所需调整的量，将所需调整量换算成液态变焦透镜所需的电学信号，并将该电学信号传输给如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪的液态变焦透镜控制模块；

所述多光谱图像重构模块，用于对探测器上所获得的多光谱图像进行重构，获取成像目标单一谱段的二维空间图像；

所述多光谱图像合成模块，用于获取成像目标上某一点的光谱曲线，并对不同谱段的二维图像进行合成，获取成像目标的合成彩色图或全谱段图像。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述多光谱成像仪包括滤光片阵列、前置光学系统、液态变焦透镜阵列、探测器和液态变焦透镜控制模块，其中所述滤光片阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；成像目标与所述液态变焦透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：其中，l₁为成像目标与前置光学系统主面之间的距离，l′₁为液态变焦透镜阵列与前置光学系统主面之间的距离，f₁是前置光学系统的焦距；所述前置光学系统的主面与所述探测器通过所述液态变焦透镜阵列满足物像关系：其中，l₂为前置光学系统主面与液态变焦透镜阵列的距离，l′₂为液态变焦透镜阵列与探测器之间的距离，f₂是液态变焦透镜阵列中单个透镜的焦距；所述液态变焦透镜控制模块用于实现对所述液态变焦透镜阵列中各透镜焦距的数字化编程控制。该多光谱成像仪能够消除基于微透镜阵列的多光谱成像系统中的机械调焦机构，降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性、提高系统的响应速度、提高系统的精度。

附图说明

为了更清楚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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术基于微透镜阵列的多光谱成像结构示意图；

图2为本发明实施例所提供基于液态变焦技术的多光谱成像仪结构示意图；

图3为本发明实施例所述液态光学变焦镜头的结构示意图；

图4为本发明实施例中滤光片阵列的分布方式示意图；

图5为本发明实施例中液态变焦透镜阵列在透镜基底上的分布方式示意图；

图6为本发明实施例所提供的基于液态变焦技术的多光谱成像系统结构示意图；

图7为本发明实施例所述多光谱图像重构过程示意图；

图8为本发明实施例所述多光谱图像合成的实现过程示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明实施例中的基于液态变焦透镜多光谱成像系统，采用液态变焦透镜控制模块对液态变焦透镜焦距的数字化调整来实现，下面结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图2所示为本发明实施例所提供基于液态变焦技术的多光谱成像仪结构示意图，所述多光谱成像仪包括滤光片阵列1、前置光学系统2、液态变焦透镜阵列3、探测器4和液态变焦透镜控制模块5，其中：

所述滤光片阵列1放置在所述前置光学系统2的主面位置上；

成像目标与所述液态变焦透镜阵列3通过所述前置光学系统2满足物像关系：其中，l₁为成像目标与前置光学系统2主面之间的距离，l′₁为液态变焦透镜阵列3与前置光学系统2主面之间的距离，f₁是前置光学系统2的焦距；

所述前置光学系统2的主面与所述探测器4通过所述液态变焦透镜阵列3满足物像关系：其中，l₂为前置光学系统2主面与液态变焦透镜阵列3的距离，l′₂为液态变焦透镜阵列3与探测器4之间的距离，f₂是液态变焦透镜阵列3中单个透镜的焦距；

所述液态变焦透镜控制模块5用于实现对所述液态变焦透镜阵列3中各透镜焦距的数字化编程控制。

另外，在具体实现中，所述滤光片阵列1、前置光学系统2的主面位置以及入瞳位置相互重合。

如图3所示为本发明实施例所述液态光学变焦镜头的结构示意图，液态光学变焦技术是通过液态变焦透镜组中的电极产生电场，通过对电场数字化编程来控制液晶分子的分布，进而形成等同于传统光学系统中的球面、非球面透镜。参照图3：当在电极两端施加一定的电压，液晶分子在电场的作用下其分布将会发生改变，进而形成等效透镜1、2、3，并且通过多组透镜的组合可在一定范围内改变整个液态变焦透镜组的等效焦距以及其主面的位置。相比于传统透镜，液态光学变焦透镜技术较容易实现非球面透镜，可以大大降低成本并提高成像的质量；液态光学变焦技术完全没有运动机构而实现变焦，可以有效的解决仪器的重量、可靠性以及功耗等问题，并使得光学系统的成本得以降低；由于采用数字化的控制，液态变焦镜头比传统变焦镜头具有更快的变焦速度。

如图4为本发明实施例中滤光片阵列的分布方式示意图，图4中：滤光片阵列排列方式为3×3，共9个波长，目标经过滤光片阵列后被分成9个子孔径，每一个子孔径对应于一种波长。实施例中，各单元中心波长分别设计为450nm、480nm、550nm、630nm、685nm、720nm、760nm、810nm、900nm，这些中心波长在目标识别与分类中有一定的应用基础；与之相对应的带宽分别设计为15nm450nm、10nm480nm、10nm550nm、10nm630nm、15nm685nm、20nm720nm、20nm760nm、30nm810nm、30nm900nm，不同带宽的设计依据是不同波长光其辐射水平的差异，为避免不同波长的光学在探测器上的灰度值差异过大，对辐射水平高的波长带宽设计较小，而辐射水平低的波长带宽设计较大。

如图5为本发明实施例中液态变焦透镜阵列在透镜基底上的分布方式示意图，图5中：液态变焦透镜阵列共有M×N个液态变焦透镜，在本实施例中，液态变焦透镜阵列设计为1200×600。

另外，在本实施例中，探测器4可以为电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体或胶片，探测器4的像元数目与液态变焦透镜阵列成倍数关系，在本实施例中设计为1倍关系，即探测器大小为：1200×600。

在具体应用中，如图6所示为本发明实施例所提供的基于液态变焦技术的多光谱成像系统结构示意图，该系统包括：前置望远镜模块601、如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪602、多光谱图像处理模块603、多光谱图像重构模块604，多光谱图像合成模块605，其中：

所述前置望远镜模块601，用于将无穷远处的目标聚焦在如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪602的成像目标面上；其中，较大口径的望远镜具有较强的能量收集能力，提高了系统的灵敏度，还可以实现对无穷远处的目标进行多光谱成像，使得系统更好的满足航空航天等遥感领域的应用。具体实现中，前置望远镜模块601口径设计为300mm，大的口径可以获取更多的能量，一定程度上可以提高多光谱成像仪的灵敏度，相对孔径设计为1:4，较小的相对孔径降低了望远镜系统的设计难度。

如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪602，用于对成像目标进行多光谱成像，并可通过数字编程的方式改变液态变焦透镜的焦距，实现无运动机构变焦，获取所述成像目标的多光谱图像；该基于液态变焦技术的多光谱成像仪602具体参数与上一实施例相同。

所述多光谱图像处理模块603，用于判断探测器是否处于液态变焦透镜的像面之上，当需要调焦时，计算出所需调整的量，将所需调整量换算成液态变焦透镜所需的电学信号，并将该电学信号传输给如权利要求1所述的基于液态变焦技术的多光谱成像仪602的液态变焦透镜控制模块；具体实现中，该多光谱成像仪图像处理模块603可以采用DSP等硬件实时处理来实现，DSP数字图像处理能力强、速度快，可以满足系统的应用需求。

所述多光谱图像重构模块604，用于对探测器上所获得的多光谱图像进行重构，获取成像目标单一谱段的二维空间图像；

具体实现中，该多光谱图像重构模块604可以采用软件后处理的方法来实现，具体实现过程如图7所示：首先通过基于液态变焦透镜多光谱成像仪602获取大小为1200×600的图像，然后将1200×600大小的图像分解成400×200个子图像，每个子图像大小为3×3，每个像素对应于一种波长，从每一个子图像像素中提取单谱段信息进行组合，可得单一谱段的图像，最终可从探测器图中得到9幅400×200的单一谱段图像。

所述多光谱图像合成模块605，用于获取成像目标上某一点的光谱曲线，并对不同谱段的二维图像进行合成，获取成像目标的合成彩色图或全谱段图像。

具体实现中，多光谱图像合成模块605可以采用软件后处理的方法来实现，具体实现过程如图8所示：针对每一谱段的400×200的子图像，提取同一坐标点(x,y)的强度值I₁(x,y),I₂(x,y)......I₉(x,y)，画出横坐标为波长、纵坐标为I₁(x,y),I₂(x,y)......I₉(x,y)所对应的曲线，即为目标点(x,y)的多光谱曲线。通过选取某几个波段的子图像进行如下运算：I(x,y)＝aI₁(x,y)+bI₃(x,y)+cI₇(x,y)，可生成新的图像I(x,y)，a,b,c为图像合成参数。

综上所述，本发明实施例提供的多光谱成像仪及系统，无需包括运动部件完成调焦，消除光谱的物理混叠，减少了系统的复杂度，增加了系统的稳定性，易于实现轻量小型化，可安装在运动平台或手机、相机等手持设备中。此外，系统可完成调焦量的实时运算，可通过软硬件结合的方法完成多光谱图像的重构与合成，可用于多种需实时分析多光谱数据的场合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于液态变焦技术的多光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括前置望远镜模块、基于液态变焦技术的多光谱成像仪、多光谱图像处理模块、多光谱图像重构模块，多光谱图像合成模块，其中：

所述前置望远镜模块，用于将无穷远处的目标聚焦在所述基于液态变焦技术的多光谱成像仪的成像目标面上；

所述基于液态变焦技术的多光谱成像仪，用于对成像目标进行多光谱成像，并可通过数字编程的方式改变液态变焦透镜的焦距，实现无运动机构变焦，获取所述成像目标的多光谱图像；

所述多光谱图像处理模块，用于判断探测器是否处于液态变焦透镜的像面之上，当需要调焦时，计算出所需调整的量，将所需调整量换算成液态变焦透镜所需的电学信号，并将该电学信号传输给所述基于液态变焦技术的多光谱成像仪的液态变焦透镜控制模块；

所述多光谱图像重构模块，用于对探测器上所获得的多光谱图像进行重构，获取成像目标单一谱段的二维空间图像；

所述多光谱图像合成模块，用于获取成像目标上某一点的光谱曲线，并对不同谱段的二维图像进行合成，获取成像目标的合成彩色图或全谱段图像；

其中，所述基于液态变焦技术的多光谱成像仪包括滤光片阵列、前置光学系统、液态变焦透镜阵列、探测器和液态变焦透镜控制模块，其中：

所述滤光片阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；

成像目标与所述液态变焦透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：其中，l₁为成像目标与前置光学系统主面之间的距离，l′₁为液态变焦透镜阵列与前置光学系统主面之间的距离，f₁是前置光学系统的焦距；

所述前置光学系统的主面与所述探测器通过所述液态变焦透镜阵列满足物像关系：其中，l₂为前置光学系统主面与液态变焦透镜阵列的距离，l′₂为液态变焦透镜阵列与探测器之间的距离，f₂是液态变焦透镜阵列中单个透镜的焦距；

所述液态变焦透镜控制模块用于实现对所述液态变焦透镜阵列中各透镜焦距的数字化编程控制；

其中，所述滤光片阵列、所述前置光学系统的主面位置以及入瞳位置相互重合。

2.如权利要求1所述基于液态变焦技术的多光谱成像系统，其特征在于，

所述探测器为电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体或胶片。