CN103393404A - 多波长红外偏振光实时影像导引系统 - Google Patents

Abstract

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统，将红外偏振成像技术应用到实时影像导引技术中，通过图像采集、目标图像识别、图像处理后，再将引导标识添加到目标图像处形成引导图像，最后将引导图像投影到待操作物体的表面，本发明适用于对浅表层物体的具体操作进行引导。一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，包括光源模块、光学组件模块、成像模块、嵌入式控制模块、投影模块、电源模块和人机交互界面模块。本发明投影图像通过微投影光机准确地投影到待操作物体的表面，为操作者提供引导信息和方案，方便操作者做进一步的处理。

Description

多波长红外偏振光实时影像导引系统

技术领域

本发明涉及到实时影像导引技术领域，特别涉及到一种多波长红外偏振光实时影像导引系统。 

背景技术

目前国内外实时影像导引技术是采用超声波、X射线等方法对待操作物体进行成像并处理，并在显示器上显示影像，即可为操作者提供目标物体的操作引导。但是这种实时影像导引技术中利用到的X射线及超声波成像技术都存在一定缺陷。如： X射线照射到生物机体时可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。因此X射线成像应用在实时影像技术时会对参与操作的人机体造成损害。而超声波成像时超声波声束所经过路径中不能有空气，因此超声探头必须通过耦合剂与目标固体或液体接触，超声导引无法实现无接触的导引，超声探头会影响操作者的操作视野，也就是说，超声波成像影像导引方法无法做到直视操作。而且，不论超声成像或者X射线成像技术所涉及到的设备体型较大，结构复杂，操作的灵活性会受到一定的限制。 

红外偏振成像是红外探测成像科学中的一个具有极高应用价值领域，它将偏振成像技术引入到红外领域，可以克服红外光强成像时的诸多噪声。由于不同物体或同一物体的不同状态会产生不同的偏振状态，形成不同的偏振光谱。传统红外技术测量的是物体的辐射的强度，而偏振测量的是物体辐射在不同偏振方向上的对比度，因此它能够将辐射强度相同而偏振性不同的物体区别开来。红外偏振成像在医学、工业和军事方面都可以有很广泛的应用，其显著特征是可以帮助区别出待操作物体的表面反射图像和浅表图像。 

现有专利中已经存在利用红外偏振成像将浅表层物体的图像增强并最终投影到物体表面的技术。例如，专利号为201110266943，专利名称为一种表层血管显示方法和仪器的专利，利用红外正交偏振光对人体手背成像，并利用摄像机采集图像后由信号处理单元将图像进行处理，最终由投影仪将处理后的血管图像准确地投影到人体手背表面。该专利利用红外偏正成像的原理，采用两种波长的红外光源以达到动静脉成像的目的，而没有充分将该技术推广到其他类似的浅表物体的显示或检测上；更没涉及到根据具体情况对浅表物体进行操作引导。 

因此，现有技术缺乏一种利用红外偏振成像原理对浅表物体进行成像观测，并根据具体情况进行操作引导的系统。 

发明内容

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统，将红外偏振成像技术应用到实时影像导引技术中，通过图像采集、目标图像识别、图像处理后，再将引导标识添加到目标图像处形成引导图像，最后将引导图像投影到待操作物体的表面，本发明适用于对浅表层物体的具体操作进行引导。 

一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，包括光源模块、光学组件模块、成像模块、嵌入式控制模块、投影模块、电源模块和人机交互界面模块， 

所述光源模块为整个系统提供红外激光的主光源和红外光的辅助光源；

所述成像模块采用图像传感器和成像电路，用于采集待操作物体的图像；

所述光学组件包括投影镜头、成像镜头，特殊镀膜的棱镜或平面镜形成的冷镜、热镜，红外起偏镜和检偏镜，冷镜、热镜用于调整光路传播路径，使采集图像的光路与投射图像的光路保持一致；

所述嵌入式控制模块包含高性能微处理器和视频图像格式转换芯片，用于系统主控、图像处理、目标图像识别和引导图像的生成；且所述嵌入式控制模块在预先存储目标物体的特征库，将成像模块采集的图像特征与内置特征库进行对比，识别出目标图像，在目标图像处加入引导标识最终形成引导图像；

所述投影模块采用微投影光机，用于将引导图像投射到待操作物体表面；

所述光源模块主光源照射光路上设置有红外起偏镜，成像模块的前方的光路上设置有检偏镜；检偏镜前方光路上设置有45°倾斜的冷镜，成像模块前方的光路上设置有45°倾斜的热镜，且成像模块的镜头与投影模块的镜头平行设置；嵌入式控制模块连接成像模块、投影模块与人机交互界面模块。

进一步的，所述光源模块采用呈阵列分布的红外激光和红外LED灯，且红外LED灯的发射光为波长在700nm~1500nm之间的多种波长组合。 

进一步的，所述引导图像采用绿光作为背景光。 

进一步的，所述成像模块采用单个CCD或CMOS图像传感器。

进一步的，成像模块采用两个图像传感器的组合，包括一个CCD和一个CMOS图像传感器的组合，或采用两个CCD图像传感器的组合，或两个CMOS图像传感器的组合。 

进一步的，在热镜与成像镜头之间的光路上增设分光镜，从而形成两个独立光路分别传入到两个图像传感器中，且检偏镜与红外起偏镜正交设置在其中一个图像传感器接收光路前，而另一个图像传感器接收光路前不设置检偏镜。 

进一步的，所述的两个图像传感器均与嵌入式控制模块连接。 

进一步的，所述成像模块采集图像采集帧率高于10fps、投影模块的投影帧率高于25fps。 

进一步的，所述引导标识为能起到指示作为的各种箭头、指针或者能起包围作用的各种线圈。 

与现有技术相比，本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统的有益技术效果如下： 

1、利用多波长的红外光作为光源，不仅增强了成像的效果，而且不同波长的光源组合可以适用于对不同的待操作物体进行引导；

2、操作过程中成像方法对人体无害，且可以快速有效区分目标物体与背景物体，对目标物体的成像效果好；

3、在采用红外偏振成像技术的同时还采用了光强融合成像技术，使目标图像更加清晰，生成的引导图像更准确；

4、根据具体的情况在待操作物体的目标图像处添加引导标识，为操作者提供引导方案。

附图说明                                                  

附图1为本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统单光路的结构图；

    附图2为本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统双光路的结构图。

下面结合附图和具体实施例对本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统作进一步的说明。 

具体实施方式

图1为本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统单光路的结构图，图2为本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统双光路的结构图。1为光源模块，2 为起偏镜，3为热镜，4为冷镜，5为检偏镜，6为成像模块，7为投影模块，8为嵌入式控制模块，9为分光镜，10为人机交互界面模块，A为待操作物体。 

一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，包括光源模块、光学组件模块、成像模块、嵌入式控制模块、投影模块、电源模块和人机交互界面模块， 

所述光源模块为整个系统提供红外激光的主光源和红外光的辅助光源；

所述成像模块采用图像传感器和成像电路，用于采集待操作物体的图像；

所述光学组件包括投影镜头、成像镜头，特殊镀膜的棱镜或平面镜形成的冷镜、热镜，红外起偏镜和检偏镜，冷镜、热镜用于调整光路传播路径，使采集图像的光路与投射图像的光路保持一致；

所述嵌入式控制模块包含高性能微处理器和视频图像格式转换芯片，用于系统主控、图像处理、目标图像识别和引导图像的生成；且所述嵌入式控制模块在预先存储目标物体的特征库，将成像模块采集的图像特征与内置特征库进行对比，识别出目标图像，在目标图像处加入引导标识最终形成引导图像；

所述投影模块采用微投影光机，用于将引导图像投射到待操作物体表面；

所述光源模块主光源照射光路上设置有红外起偏镜，成像模块的前方的光路上设置有检偏镜；检偏镜前方光路上设置有45°倾斜的冷镜，成像模块前方的光路上设置有45°倾斜的热镜，且成像模块的镜头与投影模块的镜头平行设置；嵌入式控制模块连接成像模块、投影模块与人机交互界面模块。

在具体操作中，本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统引导图像采用绿光作为背景光，更加有利于区分目标图像和背景图像。 

成像模块采用单个CCD或CMOS图像传感器，从而形成单光路采集并处理图像的系统。 

成像模块采用两个图像传感器的组合，包括一个CCD和一个CMOS图像传感器的组合，或采用两个CCD图像传感器的组合，或两个CMOS图像传感器的组合。 

在热镜与成像镜头之间的光路上增设分光镜，从而形成两个独立光路分别传入到两个图像传感器中，且检偏镜与红外起偏镜正交设置在其中一个图像传感器接收光路前，而另一个图像传感器接收光路前不设置检偏镜。 

，一步的所述的两个图像传感器均与嵌入式控制模块连接。 

利用两个图像传感器的组合可以形成双光路采集图像的系统。由于设置了分光镜，因此形成的两条光路相互独立。分别对两条独立光路采集的图像进行处理后在嵌入式控制模块处进行图像融合，如此可以进一步增强图像的对比度，使目标图像与背景图像更加容易分辨。 

通过所述嵌入式控制模块对成像模块采集的图像进行分析后，能自适应调节成像模块的曝光时间。自适应技术调节成像模块的曝光时间是为了保证整个操作过程的实时性。且所述成像模块采集图像采集帧率高于10fps、投影模块的投影帧率高于25fps。 

所述引导标识为能起到指示作为的各种箭头、指针或者能起包围作用的各种线圈。。 

具体实施例1 

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统用于引导医护人员对人体手背的动脉、静脉血管进行穿刺。由于人体的动脉血液、静脉血液和肌肉组织对不同波长的红外光的吸收程度不同，即所谓的光谱吸收不同，以此作为区分目标图像和背景图像，并识别目标图像中的具体成分的特征。

所述的光源模块所提供红外激光的波长为808nm, 红外光的波长为730nm、770nm、808nm、850nm、940nm、1060nm和1300nm的组合。待操作物体为人体手背，目标物体为动、静脉血管。将人体手背放置于光源模块下方，红外激光经由红外起偏镜后照射在人体手背上，多波长组合的红外光同时也照射到人体手背上。部分的红外光和红外激光被吸收，另一部分则被反射。反射的光源经由45°倾斜的热镜作用后传输到红外检偏镜处，并由图像传感器进行图像采集。采集后的图像在嵌入式控制模块处进一步进行图像增强处理，并将采集图像的特征与嵌入式控制模块内置的特征库进行对比，识别出目标图像的具体成分，即动脉血管和静脉血管。然后在动脉血管和静脉血管图像上添加引导标识。动脉血管的引导标识可以为箭头，静脉血管的引导标识可以为指针。箭头和指针均垂直指向动脉血管和静脉血管图像的最粗处，如此便形成引导图像。将引导图像通过投影模块中的微投影光机投射出来，在经由45°倾斜的冷镜后垂直的将引导图像投射到人体手背表面。医务人员进行穿刺时，可以轻易识别出动、静脉且可以根据箭头和指针的指向处进行引导穿刺。 

具体实施例2 

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统用于诊断集成电路板的故障。常见的电路板故障一般为短路、断路或者接触不良。短路时电路板电流较正常情况下大，因此对应元件有温升；断路或者接触不良时，通过元件的电流值几乎为零，此时，对应元件的温度较正常工作时低。因此，故障点的温度值就成为了判断电路板短路、短路或者接触不良的特征。

光源模块所提供红外激光的波长为780 nm，红外光的波长为730nm、770nm、808nm、850nm、940nm、1060nm和1300nm的组合。将集成电路板放置于光源模块下方，经由图像采集后，将采集图像的特征与嵌入式控制模块内置的特征库进行对比，识别出目标图像，即短路、断路或接触不良的故障点。然后在该故障点加入引导标识，对于短路的故障点引导标识可以为箭头，对于断路或接触不良故障点的引导标识可以为圆圈。通过观察投射下来的引导图像判断集成电路板是否有短路、断路或接触不良的情况，以及短路、断路或接触不良的故障点的位置。 

具体实施例3 

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统用于检测太阳能电池内部破损情况。太阳能电池的原理通常为高纯度硅，在出现破损的地方对红外光的吸收程度与完整的地方相比会有所不同。所述的破损包括了裂缝或裂洞。     

光源模块所提供红外激光的波长为900 nm，红外光的波长为730nm、770nm、808nm、850nm、940nm、1060nm和1300nm的组合。将太阳能电池板放置在光源模块下方，经图像采集、处理后将电池板内部的图像投影到电池板表面。若电池板内部有裂缝或裂洞，则电池板表面会出现相应地图像，并且在裂缝或裂洞的地方添加了引导标识。裂缝的引导标志可以为箭头，裂洞的引导标志可以为线圈。

本发明多波长红外偏振光实时影像导引系统采集物体浅表下层的组织和结构的图像，并通过红外偏振成像和光强融合成像处理后，将背景图像和目标图像有效地区分开。而且处理后的图像可以与内置特征库对比，识别出目标图像，并在目标图像上灵活地添加引导标识后形成投影图像。投影图像通过微投影光机准确地投影到待操作物体的表面，为操作者提供引导信息和方案，方便操作者做进一步的处理。 

Claims (9)

1.一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，包括光源模块、光学组件模块、成像模块、嵌入式控制模块、投影模块、电源模块和人机交互界面模块，其特征在于：

所述光源模块为整个系统提供红外激光的主光源和红外光的辅助光源；

所述成像模块采用图像传感器和成像电路，用于采集待操作物体的图像；

所述光学组件包括投影镜头、成像镜头，特殊镀膜的棱镜或平面镜形成的冷镜、热镜，红外起偏镜和检偏镜，冷镜、热镜用于调整光路传播路径，使采集图像的光路与投射图像的光路保持一致；

所述嵌入式控制模块包含高性能微处理器和视频图像格式转换芯片，用于系统主控、图像处理、目标图像识别和引导图像的生成；且所述嵌入式控制模块在预先存储目标物体的特征库，将成像模块采集的图像特征与内置特征库进行对比，识别出目标图像，在目标图像处加入引导标识最终形成引导图像；

所述投影模块采用微投影光机，用于将引导图像投射到待操作物体表面；

所述光源模块主光源照射光路上设置有红外起偏镜，成像模块的前方的光路上设置有检偏镜；检偏镜前方光路上设置有45°倾斜的冷镜，成像模块前方的光路上设置有45°倾斜的热镜，且成像模块的镜头与投影模块的镜头平行设置；嵌入式控制模块连接成像模块、投影模块与人机交互界面模块。

2.根据权利要求1所述的多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述光源模块采用呈阵列分布的红外激光和红外LED灯，且红外LED灯的发射光为波长在700nm~1500nm之间的多种波长组合。

3.根据权利要求1所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述引导图像采用绿光作为背景光。

4.根据权利要求1所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述成像模块采用单个CCD或CMOS图像传感器。

5.根据权利要求1或4所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：成像模块采用两个图像传感器的组合，包括一个CCD和一个CMOS图像传感器的组合，或采用两个CCD图像传感器的组合，或两个CMOS图像传感器的组合。

6.根据权利要求1所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：在热镜与成像镜头之间的光路上增设分光镜，从而形成两个独立光路分别传入到两个图像传感器中，且检偏镜与红外起偏镜正交设置在其中一个图像传感器接收光路前，而另一个图像传感器接收光路前不设置检偏镜。

7.根据权利要求6所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述的两个图像传感器均与嵌入式控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述成像模块采集图像采集帧率高于10fps、投影模块的投影帧率高于25fps。

9.根据权利要求1所述的一种多波长红外偏振光实时影像导引系统，其特征在于：所述引导标识为能起到指示作为的各种箭头、指针或者能起包围作用的各种线圈。 

Images