CN103925999A - 一种图像光谱探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像光谱探测方法及系统，系统包括成像透镜组、DMD数字微镜元件、成像透镜、面阵CCD相机、会聚透镜组、光纤耦合器、光纤、光纤光谱仪和处理器，CCD相机与光纤光谱仪均接处理器，微镜元件中的微镜有开、关状态；入射图像信号透过成像透镜组形成入射光信号，进入微镜元件；微镜元件中的微镜为关状态时，反射光信号通过成像透镜成像到CCD相机表面；当微镜元件中的微镜为开状态时，其光信号反射到会聚透镜组，会聚到光纤耦合器耦合入光纤，传送到光纤光谱仪中进行光谱测量。本发明可配备任意光纤光谱仪，实现宽光谱测量，根据目前商用光纤光谱仪的技术参数，该图像光谱探测系统可将光谱分辨率提高到0.0001数量级。
Description
技术领域
本发明涉及光谱应用、光谱成像技术、显微光谱及图像探测领域，更具体地,涉及一种图像光谱探测方法及系统。
背景技术
光谱探测与分析技术具有无接触、无损伤的优点，能够检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标，是自然科学中一种日趋重要的研究手段。
光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此将两者结合，产生光谱成像学科。光谱成像数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率较高。光谱成像技术可分为三类：多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像技术，它们的光谱分辨率呈指数增长。
早在20世纪60年代，学者就提出了多光谱成像技术，不过该技术只能简单探测可见光和近红外区域几个波段，光谱分辨率只有Δλ/λ=0.1数量级。1983年美国喷气推进实验室研制出第一台高成像光谱仪（AIS-1）, 其光谱分辨率达到Δλ/λ=0.01数量级，之后国内外对高光谱的研究日趋成熟。最杰出的超光谱成像仪首推美国著名的TRW公司研制代号为trwis-3的超光谱成像仪，它的波段范围很宽，从0.4um到2.5um，具有384个连续光谱通道。然而想要实现分辨率高达Δλ/λ=0.001量级的超光谱成像仪还需要研究人员更进一步的努力。
光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析。所以光谱成像技术主要应用于遥感观测领域，如进行地质矿物识别填图研究、植被生态及军事目标识别等。
但是成像光谱需要保存数据十分庞大，而且在很多实际应用中，我们只需要定点测量光谱，并不需要对图像中的每个像素点进行光谱测量，只需要对图像的感兴趣的一个或者几个像素区域进行光谱测量，这主要体现在纳米材料科学、细胞生物学、临床医学、表面发射率等光谱应用领域。
发明内容
为了克服现有光谱成像存在的技术问题，本发明提出了一种图像光谱探测方法，用于对图像中任意一个或几个感兴趣的像素区域进行光谱测量分析探测，采用该测量方法能够弥补传统光谱成像技术对全部像素都需要进行光谱测量，导致需要较大存储空间及大数据处理所带来的不足。
本发明的又一目的是提出一种图像光谱探测系统。
为了解决上述不足，本发明的技术方案为：
一种图像光谱探测方法，实现了图像光谱探测的目的，可将光谱探测与图像探测相融合，包括以下步骤：
S1.在探测初始时刻，设置DMD数字微镜元件中的微镜处于“关”状态；
入射图像信号透过成像透镜组形成入射光信号进入DMD数字微镜元件；其反射光信号通过成像透镜成像到面阵CCD相机表面，形成图像信息并在计算机中显示；
S2.从计算机显示的图像中选择感兴趣的像素点，从而控制DMD数字微镜元件中相应的微镜处于“开”状态，其“开”状态的持续时长为ton；在持续时长ton内，入射到DMD数字微镜元件的光信号反射到会聚透镜，会聚到光纤耦合器，耦合进入光纤，并传送到光纤光谱仪中进行光谱测量；
S3. ton后将切换DMD数字微镜元件中的微镜至“关”状态，“关”状态的持续时长为toff，在持续时长toff内入射光信号反射进入面阵CCD相机，形成图像信号；跳转至步骤S2重复；使之被选中的像素点在光谱测量的时候能同时以图像信息显示；
S4.设置光纤光谱仪的积分时间，完成光谱测量，并同步显示光谱图与图像信号。
本发明提出了图像光谱的概念，即光谱探测与图像探测相融合，能够快速成像，主要是对图像中感兴趣的任意一个或几个像素区域进行光谱测量。与传统光谱成像技术相比，该方法无需光谱维的扫描，只需对特定像素区域的光谱进行探测，不仅提高了单次探测速度，还能将光谱分辨率提高到Δλ/λ=0.0001数量级，且图像光谱技术易于实现。上述DMD数字微镜元件还可采用类似功能的MEMS器件替代。
优选的，步骤S2中，在图像中选择感兴趣的像素点的同时确定DMD数字微镜元件中相应的微镜都处于“开”状态，持续时长ton与每帧时间T之比为R，即DMD数字微镜元件中的微镜处于“开”状态的持续时长ton=R×T；DMD数字微镜元件中的微镜处于“关”状态的持续时长toff=(1-R)×T。
另外DMD数字微镜元件一次开关切换的时间小于1ms，一般视频图像帧率大于25帧/秒即可，也就是40ms/帧，那么在一帧时间内，完全可以通过控制DMD某个微镜的“开”、“关”状态时长将该部分的光依次反射进入光纤光谱仪和面阵CCD相机中，实现在探测光谱过程中也能同时观察图像的特点。
优选的，DMD数字微镜元件与面阵CCD相机的像素长宽比必须一致，假设CCD像素总数与DMD的微镜数量比为M:1(M为大于或等于1的整数)，那么一次测量过程则将探测图像中M×M个像素的光谱信息。
优选的，光纤光谱仪的光谱测量范围为200nm-1100nm，光学分辨率为0.3nm，积分时间1ms至大于60s。
一种应用图像光谱探测方法的系统，包括成像透镜组、DMD数字微镜元件、成像透镜、面阵CCD相机、会聚透镜组、光纤耦合器、光纤、光纤光谱仪和处理器，面阵CCD相机与光纤光谱仪分别接处理器；其中DMD数字微镜元件中的微镜都处于“关”状态或都处于“开”状态；
入射图像信号透过成像透镜组形成入射光信号，光信号进入DMD数字微镜元件；在DMD数字微镜元件中的微镜处于“关”状态时，光信号的反射光通过成像透镜成像到面阵CCD相机表面；在DMD数字微镜元件中的微镜处于“开”状态时，入射到DMD数字微镜元件的光信号反射到会聚透镜，会聚到光纤耦合器耦合进入光纤，并传送到光纤光谱仪中进行光谱测量。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明实现了图像光谱测量与分析的目的，可将图像中任意一个或者多个像素点进行光谱测量。同传统光谱成像技术相比，无需对图像所有像素点进行光谱测量和储存，从而提高测量速度，简化系统结构。
本发明可配备任意光纤光谱仪，从而实现宽光谱测量，根据目前商用光纤光谱仪的技术参数，该图像分析系统可将光谱分辨率提高到Δλ/λ=0.0001数量级，与超光谱成像技术相比，至少能提高一个数量级。同时光谱测量范围可选覆盖紫外光、可见光、近红外光、远红外光等波段。该系统无需进行光谱维扫描，因此结构也更加简单，操作更加灵活，成本也将大幅度降低。
附图说明
图1是本发明提供的一种图像光谱分析系统示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明首次提出图像光谱概念，即将光谱探测与图像探测相融合，对图像中感兴趣的任意一个或几个像素区域进行光谱测量。与传统光谱成像相比，无需对图像所有像素点进行光谱测量，从而提高测量速度，系统结构也将更加简单，操作更加灵活，成本也将大幅度降低。填补了该领域的空白。
本发明构建了图像光谱分析系统，利用DMD（或类似功能的MEMS器件）作为中转部件，将入射光分别反射到CCD和光谱仪，实现图像与光谱同时测量的目的，从而完成图像光谱测量。
下面根据图1给出本发明一个较好的实施例，用以说明本发明的系统结构特征，实现光谱测量的方法，而不是用来限定本发明的范围。
如图1所示，本实施例中，系统包括成像透镜组1、DMD数字微镜元件2、成像透镜3、面阵CCD相机4、会聚透镜5、光纤耦合器6、光纤7、光纤光谱仪8、处理器9，其中处理器9直接采用现有的计算机。
本实施例中，面阵CCD相机4分辨率为1024×768，1/2英寸，图像帧率设置为25帧/秒，即每帧时长T=40ms。
本实施例中，DMD数字微镜元件2的微镜阵列为1024×768，微镜单元单元尺寸为10.8um×10.8um，可向两侧产生±12°的偏转微镜。转至+12°时，即为“开”状态，它的反射光能够被光纤光谱仪8所收集；当转至-12°时，即为“关”状态，其反射光将进入面阵CCD相机4。 DMD数字微镜元件2的微镜总数与面阵CCD相机4像素总数之比为1：1，每个微镜对应一个像素，实现对图像中任意一个像素点进行光谱测量的目的。
本实施例中，光纤光谱仪8的光谱测量范围为200nm-1100nm，光学分辨率为0.3nm，积分时间1ms至大于60s。
本实施例中，计算机搭配图像光谱分析软件，软件的基本功能是显示面阵CCD相机4的图像，并且在图像中可以选择一个或者多个像素点，从而控制DMD数字微镜元件2中相对应的反射微镜，将这部分入射光信息反射进入光纤光谱仪8，进行光谱信息测量并且将光谱图在计算机中显示。图像光谱分析软件还具备常规的图像处理功能。
整个系统的工作流程是：
入射图像信号进入成像透镜组1入射光信号，进入DMD数字微镜元件2。初始时刻DMD数字微镜元件2所以微镜都处于“关”状态，其反射光通过成像透镜3成像到面阵CCD相机4表面，从而将入射图像信号传递至计算机4在图像光谱分析软件中显示完整的图像信息。
然后在图像光谱分析软件中选择感兴趣的像素点，并且输入“开”状态与每帧时间之比R，本实施例中使R=0.5，确定之后计算机4发送控制信号至DMD数字微镜元件2，将所选择的像素点与DMD数字微镜元件2中所对应的微镜切换至“开”状态，持续时长ton=R×T=0.5×40=20ms，此时该部分入射光信号反射到会聚透镜5，会聚到光纤耦合器6耦合进入光纤7，并传送到光纤光谱仪8中进行光谱测量。接着微镜切换至“关”状态，持续时长toff=(1-R)×T=(1-0.5)×40=20ms，此时该部分入射光信号反射进入面阵CCD相机4，形成图像信号。接着微镜又切换至“开”状态持续20ms……，如此“开”、“关”状态重复交替使之被选中的像素点在光谱测量的时候也能同时以图像信息显示。
最后设置光纤光谱仪8的积分时间，完成光谱测量，光谱图也将在计算机中与图像信号同步显示。
本发明的图像光谱无需进行光谱维的扫描，使得它比成像光谱探测速度更快，数据量小，光谱分辨率更高，若搭配高分辨率的光谱仪，那么其光谱分辨率可达到Δλ/λ=0.0001数量级。而且与模式识别、图像处理等技术手段相结合，可以自动识别需要测量光谱的位置，实现自动化的测量，为在线监测提供有力的技术支持。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种图像光谱探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在探测初始时刻，设置DMD数字微镜元件中的微镜都处于“关”状态；入射图像信号透过成像透镜组形成入射光信号进入DMD数字微镜元件；其反射光信号通过成像透镜成像到面阵CCD相机表面，形成图像信息并在计算机中显示；
S2. 从计算机显示的图像中选择感兴趣的像素点，从而控制DMD数字微镜元件中相应的微镜处于“开”状态，其“开”状态的持续时长为ton；在持续时长ton内，入射到DMD数字微镜元件的光信号反射到会聚透镜，会聚到光纤耦合器，耦合进入光纤，并传送到光纤光谱仪中进行光谱测量；
S3. ton后将切换DMD数字微镜元件中的微镜至“关”状态，“关”状态的持续时长为toff，在持续时长toff内入射光信号反射进入面阵CCD相机，形成图像信号；跳转至步骤S2重复；使之被选中的像素点在光谱测量的同时实现图像信息显示；
S4.设置光纤光谱仪的积分时间，完成光谱测量，并同步显示光谱图与图像信号。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，在图像中选择感兴趣像素点的同时确定DMD数字微镜元件中相应的微镜处于“开”状态，“开”状态持续时长ton与每帧时间T之比为R，即DMD数字微镜元件中的微镜处于“开”状态的持续时长ton=R×T；DMD数字微镜元件中的微镜处于“关”状态的持续时长toff=(1-R)×T。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，DMD数字微镜元件与面阵CCD相机的像素长宽比必须一致。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，光纤光谱仪的光谱测量范围为200nm-1100nm，光学分辨率为0.3nm，积分时间1ms至大于60s。
5.一种应用权利要求1至4任一项所述的图像光谱探测方法的系统，其特征在于，包括成像透镜组（1）、DMD数字微镜元件（2）、成像透镜（3）、面阵CCD相机（4）、会聚透镜组（5）、光纤耦合器（6）、光纤（7）、光纤光谱仪（8）和处理器（9），面阵CCD相机（4）与光纤光谱仪（8）分别接处理器（9）；其中DMD数字微镜元件（2）中的微镜有“开”、“关”两种状态；
入射图像信号透过成像透镜组（1）形成入射光信号，光信号进入DMD数字微镜元件（2）；在DMD数字微镜元件（2）中的微镜处于“关”状态时，光信号的反射光通过成像透镜（3）成像到面阵CCD相机（4）表面；在DMD数字微镜元件（2）中的微镜处于“开”状态时，入射到DMD数字微镜元件（2）的光信号反射到会聚透镜（5），会聚到光纤耦合器（6）耦合进入光纤（7），并传送到光纤光谱仪（8）中进行光谱测量。
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