CN105182498A - 一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法,所述摆扫型成像光谱仪包括控制器、调焦组件、转镜组件、成像模块及成像镜头；首先转镜组件运行，确定面阵探测器需要的曝光时间，接着调焦组件运行，调焦组件的调焦电机驱动成像镜头反复搜索，直到调焦电机的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点；也可根据需要采用手动调焦结构完成调焦过程；本发明的有效效果为：能够快速准确的确定焦点，使成像镜头处于理想的焦点状态，使成像光谱仪所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率；本发明还能通过手动的方式来自行进行调整，提高了摆扫型成像光谱仪的功能性和实用性，可以根据实际需求，进行多样式的操作选择。

Description

一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法

技术领域

本发明涉及光谱遥感成像技术领域，特别涉及一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法。

背景技术

遥感技术的发展经历了全色（黑白）、彩色摄像，多光谱扫描成像阶段之后，在上世纪80年代初期出现的成像光谱技术，使光学遥感进入了一个崭新的阶段——高光谱遥感阶段。所谓的高光谱遥感指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而组成一条完整而且连续的光谱曲线。成像光谱仪将视场范围内观察的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，而对所记录的数据进行分析处理和研究是多学科所要进行的工作。

高光谱技术是一门新兴的交叉学科，建立在传感器、计算机等技术的基础上，涉及到电磁波理论、光谱学与色度学、物理/几何光学、电子工程、信息学、地理学、农学、大气科学、海洋学等多门学科。电磁波理论则是遥感技术的物理基础，电磁波与地表物质的相互作用机理、电磁波在不同介质中的传输模型和对其进行接收、分析是综合各门学科和技术的核心所在。针对不同地物的不同光谱特征,利用高光谱图像可有效地区分和识别地物,因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中。

光谱成像仪的成像原理是:当被测物体通过镜头后被光谱相机捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平台（或传送带）带动样品连续运行时，则能够得到样品目标物的连续的一维影像以及实时的光谱信息，而在此过程中所有的数据被计算机软件所记录，最终获得一个包含了影像信息和光谱信息的三维数据立方体。

光谱成像仪的扫描方式分为两种，一种是狭缝扫描方式，一种是转镜扫描方式。

推扫型成像光谱仪采用的是狭缝扫描方式，摆扫型成像光谱仪采用的是转镜扫描方式；摆扫型成像光谱仪相比与推扫型成像光谱仪，它的视场大，像元配准好，定标方便，数据稳定性好，光谱波段范围可以做的很宽，摆扫型成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，像元凝视时间不仅受平台运行的速度的影响，还受自身转镜结构的转动速度的影响，导致系统的灵敏度和信噪比较低，影响了系统的空间分辨率和光谱分辨率。

目前摆扫型成像光谱仪的光谱分辨率进一步还受到调焦技术的影响，并不是很理想，要么调焦时间过长，影响了摆扫型成像光谱仪对拍摄对象的准确捕捉，要么成像模块没有处于理想的焦点状态，降低了系统的空间分辨率和光谱分辨率，导致所捕捉的图像表现的不够清晰，图像的细节不够丰富。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种摆扫型光谱成像的调焦方法，避免了调焦时间过长或者调试的焦点不准确而导致捕捉的图像不够准确、清晰的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法，其特征在于:所述摆扫型成像光谱仪包括控制器、调焦组件、转镜组件、成像模块及成像镜头，所述成像模块包括成像光谱仪和探测器，成像光谱仪与探测器相连；所述调焦组件包括手动调焦旋钮和调焦电机；所述转镜组件设置在成像镜头前方,所述转镜组件包括扫描转镜和扫描电机；

首先，控制器控制扫描电机运作，扫描电机驱动扫描转镜旋转，当目标物的信号正好能够被摆扫型光谱仪采集到时，扫描电机停止运作，扫描转镜停止旋转；

其次，进行调焦；

当需要自动调焦时，可按照以下步骤进行调焦：

S1、控制器控制调焦电机运作，调焦电机通过转接件驱动成像镜头从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块移动，以一个较大的步长走遍设计的全程，得到对焦评价函数的最大值及其成像镜头的位置；

S2、调焦电机通过转接件驱动成像镜头往回运动，回到S1中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机的步长，再由调焦电机通过转接件驱动成像镜头从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝成像模块移动至S1中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像镜头的位置，如此反复搜索，直到调焦电机的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点，完成自动调焦；

当需要手动调焦时，手动驱动手动调焦旋钮，手动调焦旋钮通过转接件驱动成像镜头从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块移动，直至停止在所述对焦评价函数最大值所对应的位置，完成手动调焦。

更进一步的，所述的全行程为1.0cm；完成自动对焦流程所用时间为1~5s。

更进一步的，所述的起始位置设置为调焦镜头与成像模块距离最近时调焦镜头所在的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明能够快速准确的确定焦点，使成像模块处于理想的焦点状态，所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率；同时也避免了调焦时间过长的问题，保证了摆扫式成像光谱仪对拍摄对象捕捉的准确性。

2、本发明调焦机构单独通过一个驱动电机来完成的，而转镜扫描机构又是通过另外一个驱动电机来实现的，这样的话可以根据实际需求，进行多样式的操作选择。

3、本发明不仅设置有自动调焦结构还设置有手动调焦结构，除了能快速的通过软件控制完成自动调焦和自动曝光等功能外，还能通过手动的方式来自行进行调整，提高了摆扫型成像光谱仪的功能性和实用性，可以根据实际需求，进行多样式的操作选择。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明结构示意图；

图中的标号为：1、控制器；2、调焦组件；21、手动调焦旋钮；22、调焦电机；3、转镜组件；31、扫描转镜；32、扫描电机；4、成像模块；41、成像光谱仪；42、探测器；5、成像镜头。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示的一种摆扫型光谱成像仪，它包括控制器1、调焦组件2、转镜组件3、成像模块4及成像镜头5，所述成像模块4包括成像光谱仪41和探测器42，成像光谱仪41与探测器42相连；所述调焦组件2包括手动调焦旋钮21和调焦电机22；所述转镜组件3设置在成像镜头5前方,所述转镜组件3包括扫描转镜31和扫描电机32。

首先，控制器1控制扫描电机32运作，扫描电机32驱动扫描转镜31旋转，当目标物的信号正好能够被摆扫型光谱仪采集到时，扫描电机32停止运作，扫描转镜31停止旋转；

其次，进行调焦；

在调焦的过程中，图像的清晰度的判断是其中的一个重点。在数字图像处理中，信号或图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节的丰度取决于图像的高频成分，这样的话，各种检测图像的边缘信息或者计算图像高频分量的自动对焦方法随之而来。高光谱图像在采集过程中是一帧一帧的去拍摄，那么把对应的一帧图像中的视频信号的高频信号成分称之为对焦评价函数，自动对焦的过程也就是求取对焦评价函数最大值的过程。当图像在其成像系统中的焦点的时候，图像表现的非常清晰，图像的细节丰富。而图像模糊是由于信号中的高频分量有损失，图像在聚焦情况下比其在离焦图像包含更多的信息和细节，从而可依据聚焦评价函数获取的数据来评判焦点与离焦的状态。图像清晰时，自相关函数曲线将变得非常的尖锐，图像过焦点模糊时，自相关函数曲线将变得平坦。

当需要自动调焦时，可按照以下步骤进行调焦：

S1、控制器1控制调焦电机22运作，调焦电机22通过转接件驱动成像镜头5从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块4移动，以一个较大的步长走遍设计的全程，得到对焦评价函数的最大值及其成像镜头5的位置；

S2、调焦电机22通过转接件驱动成像镜头5往回运动，回到S1中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机22的步长，再由调焦电机22通过转接件驱动成像镜头5从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝成像模块4移动至S1中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像镜头5的位置，如此反复搜索，直到调焦电机22的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点，完成自动调焦；

当需要手动调焦时，手动驱动手动调焦旋钮21，手动调焦旋钮21通过转接件驱动成像镜头5从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块4移动，直至停止在所述对焦评价函数最大值所对应的位置，完成手动调焦

本实施例能够快速准确的确定焦点，使摆扫型成像光谱仪处于理想的焦点状态，所捕捉的图像表现清晰，图像的细节丰富，提高了系统的空间分辨率和光谱分辨率，同时也避免了调焦时间过长，影响了摆扫型成像光谱仪对拍摄对象的准确捕捉；本实施例调焦机构单独通过一个驱动电机来完成的，而转镜扫描机构又是通过另外一个驱动电机来实现的，这样的话可以根据实际需求，进行多样式的操作选择；本实施例还设置有手动调焦结构，除了能快速的通过软件控制完成自动调焦和自动曝光等功能外，还能通过手动的方式来自行进行调整，提高了摆扫型成像光谱仪的功能性和实用性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，如图1所示的一种摆扫型成像光谱仪，调焦电机22通过转接件驱动成像镜头5从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块4移动，以一个较大的步长走遍设计的全行程，该设计的全行程为1.0cm；完成自动对焦流程所用时间为1~5s。避免了全行程过长，而导致调焦时间的增加，同时也避免了全行程过短，而导致理想焦点不在行程范围内的问题。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上做了进一步的改进，如图1所示的一种摆扫型成像光谱仪，S1中所述的起始位置设置为成像镜头5与转镜组件3的反射镜距离最近时成像镜头5所在的位置，确保了理想焦点在所述最大行程范围内，保证了摆扫型光谱仪的空间分辨率和光谱分辨率。

Claims (3)

1.一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法，其特征在于:所述摆扫型成像光谱仪包括控制器（1）、调焦组件（2）、转镜组件（3）、成像模块（4）及成像镜头（5），所述成像模块（4）包括成像光谱仪（41）和探测器（42），成像光谱仪（41）与探测器（42）相连；所述调焦组件(2)包括手动调焦旋钮（21）和调焦电机（22）；所述转镜组件(3)设置在成像镜头（5）前方,所述转镜组件（3）包括扫描转镜（31）和扫描电机（32）；

首先，控制器（1）控制扫描电机（32）运作，扫描电机（32）驱动扫描转镜（31）旋转，当目标物的信号正好能够被摆扫型光谱仪采集到时，扫描电机（32）停止运作，扫描转镜（31）停止旋转；

其次，进行调焦；

当需要自动调焦时，可按照以下步骤进行调焦：

S1、控制器（1）控制调焦电机（22）运作，调焦电机（22）通过转接件驱动成像镜头（5）从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块(4)移动，以一个较大的步长走遍设计的全程，得到对焦评价函数的最大值及其成像镜头（5）的位置；

S2、调焦电机（22）通过转接件驱动成像镜头（5）往回运动，回到S1中对焦评价函数最大位置的前一站，以此作为新的出发点，减少调焦电机（22）的步长，再由调焦电机（22）通过转接件驱动成像镜头（5）从新的出发点出发，沿着光轴的方向朝成像模块(4)移动至S1中对焦评价函数最大值位置的下一站，得到新的对焦评价函数的最大值和其成像镜头（5）的位置，如此反复搜索，直到调焦电机（22）的步长减小到设定数值，完成搜索，确定焦点，完成自动调焦；

当需要手动调焦时，手动驱动手动调焦旋钮（21），手动调焦旋钮（21）通过转接件驱动成像镜头（5）从起始位置出发，沿着光轴的方向朝成像模块（4）移动，直至停止在所述对焦评价函数最大值所对应的位置，完成手动调焦。

2.根据权利要求1所述的一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法，其特征在于：所述的全行程为1.0cm；完成自动对焦流程所用时间为1~5s。

3.根据权利要求1所述的一种摆扫型光谱成像仪的调焦方法，其特征在于：所述的起始位置设置为成像镜头（5）与成像模块（4）距离最近时成像镜头（5）所在的位置。