CN103148936A - 一种基于液晶光阀技术的多光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，所述多光谱成像仪包括液晶光阀阵列、前置光学系统、微透镜阵列、探测器和液晶光阀控制模块，其中所述液晶光阀阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；成像目标与所述微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微透镜阵列满足物象关系：

所述液晶光阀控制模块实现对所述液晶光阀阵列中心波长的编程化控制。该多光谱成像仪采用液晶光阀阵列取代滤光片阵列，对所选择的波长与带宽实现编程化控制，可更好的满足各种应用领域。

Description

一种基于液晶光阀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晶光阀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所示为现有技术中基于微透镜阵列的多光谱成像技术示意图，其中：前置光学系统的主面、入瞳与滤光片阵列放置的位置相互重合。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的滤光片，子孔径的数目由滤光片阵列的组成单元数目确定，各子孔径与探测器上的像元之间存在一一对应的关系。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。在这种结构中，滤光片阵列一旦制成并完成装配，进入光学系统的光的波长就是固定的，而且带宽也不能进行调整，一种仪器一般只能应用于特定的领域。

由上可见，上述现有的多光谱成像技术中滤光片阵列采用镀膜的方法来实现，镀膜后的滤光片阵列其中心波长以及带宽均是固定的，如果要获取其他波段的图像或改变带宽则需要更换滤光片阵列，这不利于需要获取多种谱段信息的应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，采用液晶光阀阵列取代滤光片阵列，对所选择的波长与带宽实现编程化控制，可更好的满足各种应用领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，所述多光谱成像仪包括液晶光阀阵列、前置光学系统、微透镜阵列、探测器和液晶光阀控制模块，其中：

所述液晶光阀阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；

成像目标与所述微透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：

其中，l₁为成像目标与和所述前置光学系统主面之间的距离，l′₁为所述微透镜阵列与所述前置光学系统主面之间的距离，f₁是所述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微透镜阵列满足物象关系：

其中，l₂为所述前置光学系统主面与所述微透镜阵列的距离，l′₂为所述微透镜阵列与所述探测器之间的距离，f₂是所述微透镜阵列单个透镜的焦距；

所述液晶光阀控制模块实现对所述液晶光阀阵列中心波长的编程化控制。

所述液晶光阀阵列、前置光学系统的主面位置以及入瞳位置相互重合。

通过所述液晶光阀阵列将所述成像目标分解为多个波段不同的子孔径。

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。

一种基于液晶光阀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所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪、多光谱图像重构模块以及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所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪的成像目标面上；

如权利要求1所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，用于对目标物体进行成像，并可通过数字编程的方式改液晶光阀阵列的中心波长，实现中心波长的编程化设置，获取目标物体的多种光谱图像；

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液晶光阀阵列、前置光学系统、微透镜阵列、探测器和液晶光阀控制模块，其中所述液晶光阀阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；成像目标与所述微透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：

其中，l₁为成像目标与和所述前置光学系统主面之间的距离，l′₁为所述微透镜阵列与所述前置光学系统主面之间的距离，f₁是所述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微透镜阵列满足物象关系：

其中，l₂为所述前置光学系统主面与所述微透镜阵列的距离，l′₂为所述微透镜阵列与所述探测器之间的距离，f₂是所述微透镜阵列单个透镜的焦距；所述液晶光阀控制模块实现对所述液晶光阀阵列中心波长的编程化控制。该多光谱成像仪采用液晶光阀阵列取代滤光片阵列，对所选择的波长与带宽实现编程化控制，可更好的满足各种应用领域。

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为现有技术中基于微透镜阵列的多光谱成像技术示意图；

图2为本发明实施例中基于液晶光阀技术的多光谱成像仪示意图；

图3为本发明实施例所述单个液晶光阀结构示意图；

图4为本发明实施例基于液晶光阀技术多光谱成像仪的液晶光阀分布示意图；

图5为本发明实施例基于液晶光阀技术多光谱成像仪的微透镜阵列示意图；

图6为本发明实施例所提供的基于液晶光阀技术的多光谱成像系统；

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。

本发明实施例所述的多光谱成像仪通过液晶光阀阵列取代滤光片阵列，并通过数字化编程来控制中心波长来获取多光谱图像，下面将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中基于液晶光阀技术的多光谱成像仪示意图，所述多光谱成像仪包括液晶光阀阵列1、前置光学系统2、微透镜阵列3、探测器4和液晶光阀控制模块5，其中：

液晶光阀阵列1放置在光学系统2的主面位置上；

成像目标与微透镜阵列3通过前置光学系统2满足物像关系：

其中，l₁为成像目标与和前置光学系统2主面之间的距离，l′₁为微透镜阵列3与前置光学系统2主面之间的距离，f₁是前置光学系统的焦距；

前置光学系统2的主面与探测器4通过微透镜阵列3满足物象关系：

其中，l₂为前置光学系统2主面与微镜阵列3的距离，l′₂为微透镜阵列3与探测器4之间的距离，f₂是微透镜阵列单个透镜的焦距；

液晶光阀控制模块5实现对液晶光阀中心波长的编程化控制。

另外，在具体实现中，所述液晶光阀阵列1、前置光学系统2的主面位置以及入瞳位置相互重合。

通过所述液晶光阀阵列1将所述成像目标分解为多个波段不同的子孔径；且每一个液晶光阀单元中心波长不同，可在探测器4上获取多光谱图像。

如图3所示为本发明实施例所述单个液晶光阀的结构示意图，图3中液晶光阀由多个单元组成，具体包括：偏光板、玻璃基底、彩色板、透明电极、液晶、信号电压、扫描电极、TFT等部分。液晶光阀是一种典型的空间光调制器件，可以对一幅图像的强度、波长及相干性进行调制和转换，它具有快速的开关、低的功耗、高的分辨率和较低的成本等特点。在工作时，在液晶光阀的透明电极两端加上电压，利用向列型液晶的扭曲旋光效应和电控双折射效应，可对光线强度进行调制，当采用多组液晶光阀共同对光线进行调制，可起到窄带滤光片的作用，且可以通过编程来控制窄带滤光片的中心波长。

如图4所示为本发明实施例基于液晶光阀技术多光谱成像仪的液晶光阀分布示意图，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。本实施例中，采用软件直接设置九种波长的中心波长和带宽的方法来实现波长的改变，并且波长的调整精度达到1nm，可以满足大多数多光谱成像的应用需求。

如图5所示为本发明实施例基于液晶光阀技术多光谱成像仪的微透镜阵列示意图，图5中：微透镜阵列共有M×N个液态变焦透镜，在本实施例中，微透镜阵列设计为1200×600。

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的像元数目与微透镜阵列成倍数关系，在本实施例中设计为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晶光阀技术的多光谱成像系统，该系统包括：前置望远镜模块601、基于液晶光阀技术的多光谱成像仪602、多光谱图像重构模块603以及多光谱图像合成模块604，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权利要求1所述的基于液晶光阀多光谱成像仪的成像目标面上，较大口径的望远镜具有较强的能量收集能量，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。

所述基于液晶光阀阵列的多光谱成像仪602，用于对成像目标进行成像，并可通过数字编程的方式改液晶光阀阵列的中心波长，实现中心波长的编程化设置，获取成像目标的多种光谱图像；该基于液晶光阀技术的多光谱成像仪602具体参数与上一实施例相同。

多光谱图像重构模块603，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，多光谱图像重构模块603采用软件后处理的方法来实现，具体实现过程如图7所示：首先通过基于液晶光阀技术的多光谱成像仪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，每一个子图像包含一个目标点的9谱段信息，所示过程从每一个子模块中提取单一谱段的信息，最终可以得到9幅400×200大小的单一谱段图像。

多光谱图像合成模块604，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604的具体实现过程如图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)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。

由以上可知，本发明实施例提供的多光谱成像仪及系统，无需更换滤光片即可获取多种波长、带宽可调的多光谱图像，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。此外，多光谱成像系统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 (5)

1.一种基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，其特征在于，所述多光谱成像仪包括液晶光阀阵列、前置光学系统、微透镜阵列、探测器和液晶光阀控制模块，其中：

所述液晶光阀阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；

成像目标与所述微透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：

其中，l₁为成像目标与和所述前置光学系统主面之间的距离，l′₁为所述微透镜阵列与所述前置光学系统主面之间的距离，f₁是所述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微透镜阵列满足物象关系：

其中，l₂为所述前置光学系统主面与所述微透镜阵列的距离，l′₂为所述微透镜阵列与所述探测器之间的距离，f₂是所述微透镜阵列单个透镜的焦距；

所述液晶光阀控制模块实现对所述液晶光阀阵列中心波长的编程化控制。

2.根据权利要求1所述的基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，其特征在于，所述液晶光阀阵列、前置光学系统的主面位置以及入瞳位置相互重合。

3.根据权利要求1所述的基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，其特征在于，通过所述液晶光阀阵列将所述成像目标分解为多个波段不同的子孔径。

4.根据权利要求1所述的基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，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。

5.一种基于液晶光阀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、如权利要求1所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪、多光谱图像重构模块以及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所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪的成像目标面上；

如权利要求1所述基于液晶光阀技术的多光谱成像仪，用于对成像目标进行成像，并可通过数字编程的方式改液晶光阀阵列的中心波长，实现中心波长的编程化设置，获取所述成像目标的多种光谱图像；

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。

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