CN105635533A - 一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，对相同的目标物体进行多次不同曝光时间的成像，获取多张具有不同曝光度的低动态范围的高光谱图像，然后采用多曝光图像融合算法将这些图像合成一幅具有高动态范围的快照式高光谱图像，通过扩展快照式高光谱相机的动态响应范围，更加有效地实现对被测目标不同区域的同时光谱检测。本发明提供的快照式高光谱相机除了具有其本身显著的优势，包括内部元器件固定化，可测量的波长范围包括可见到中远红外波段，具有较快的检测速度和较高的稳定性等，还可以大大提高相机的动态响应范围。此外，该相机减少了其对价格昂贵的专业型探测器的需求，在很大程度上降低了快照式高光谱相机的制造成本。

Description

一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机。

背景技术

动态范围是指某个物理量的最大值与最小值之间的比值：具体的，对于实际场景而言，动态范围是指这一场景中最明亮和最阴暗处的光照辐射度之比。对于显示器而言，动态范围是指屏幕辐射的最大亮度和最小亮度之比。对于相机而言，动态范围是指其色彩刚好饱和的亮度与刚要发生噪声退化的亮度之间的比例。也就是说，在摄影成像领域，动态范围是两个亮度值之间的比值。动态范围越大，所能表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。

相机的动态范围越大，其获得的图像所记录的亮暗细节越丰富，但是由于受到传统CCD、CMOS传感器以及普通显示设备在动态范围上的性能制约，一般相机的动态范围非常有限。而自然界的场景通常具有非常高的动态范围，比如：太阳直射区域到阴影区域的过渡，或者是在一个场景中有光源存在等。这些场景都有着非常丰富的光强信息，动态范围可达100,000:1。因此用一般相机拍摄这些高动态范围的场景所获得的单幅照片往往不能够捕捉到所有亮暗细节信息。近些年研究人员从不同的角度出发，探讨了如何平衡高动态范围的自然场景与低动态范围的相机显示设备之间的矛盾以获取高动态范围图像。目前高动态范围图像的获取技术主要有硬件方式和软件方式两种。硬件方式又大致可分为三种：一种是提高图像传感器本身的动态范围来获取高动态范围图像；一种是使用高位的A/D转换器来将图像传感器所采集到的图像进行转换来获得高动态范围图像；另一种是利用光路扩展技术使得同一场景的光强信息扩展为多路光信号，在光路扩展的过程中可以设置光学衰减器对光强度进行不同程度的衰减，同时设置不同光路中成像器件的曝光参数实现对影像的成像，进而将多个传感器的输出图像进行融合获取高动态范围图像。而软件方式是利用低动态范围数字成像设备对同一场景按照不同的曝光量进行拍摄，将获得的多幅低动态范围图像融合成一幅高动态范围图像。但是，通过硬件方式实现高动态范围成像所需的成本非常高，因此，目前实现高动态范围成像的主流方式是软件方式，即多曝光图像融合算法。

快照式高光谱相机虽然本身具有诸如内部元器件固定化，具有较快的检测速度和较高的稳定性等众多显著优势，但是由于其内部含有CCD或CMOS等有限动态范围的硬件设备，因此在获取目标物体的高光谱图像时会导致目标物体部分亮暗细节丢失，影响快照式高光谱相机的整体性能。

因此，迫切地需要开发一种能够获取高动态范围图像的快照式高光谱相机，以避免由于动态范围的限制而造成目标物体部分亮暗细节的丢失，以达到实时、精准监测的目的。

发明内容

本发明提供了一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，该快照式高光谱相机提高了监测的精度，实现了实时监测，详见下文描述：

一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，包括：高动态范围图像获取模块、快照式高光谱相机模块和高光谱数据分析处理模块，

所述高动态范围图像获取模块用于设定相机的曝光次数n和不同曝光时间t₁、t₂、t₃,……,t_n；所述快照式高光谱相机模块根据不同的曝光时间，得到多张不同曝光度的低动态范围快照式高光谱图像；

所述高动态范围图像获取模块利用多曝光图像融合算法将不同曝光时间下采集到的低动态范围快照式高光谱图像进行融合，从而获得具有高动态范围的快照式高光谱图像；

所述高光谱数据分析处理模块通过数据反转算法将获得的具有高动态范围的快照式高光谱图像重建成所需要的包括目标物体的二维空间信息、光谱信息的三维数据立方体，并在此基础上分析目标物体的成分及含量。

其中，所述快照式高光谱相机模块包括：被测目标、会聚透镜、光阑、准直透镜、分光元件、再成像透镜和探测器，

所述被测目标通过所述会聚透镜成像在所述光阑处；通过所述光阑的光束经由所述准直透镜准直；

所述分光元件对经过所述准直透镜后的光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上；

不同方向上的具有不同波长的光束通过所述再成像透镜会聚到所述探测器上；所述探测器将光信号转换成电信号，记录光束强度信息。

其中，所述探测器具体为：互补金属氧化物半导体探测器、电荷耦合元件探测器、制冷型和非制冷型红外焦平面探测器。

所述被测目标通过所述会聚透镜与所述光阑成物像共轭关系；

所述探测器通过所述准直透镜、所述再成像透镜与所述光阑成物像共轭关系。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提供的快照式高光谱相机除了具有其本身显著的优势，包括内部元器件固定化，可测量的波长范围包括可见到中远红外波段，具有较快的检测速度和较高的稳定性等，还可以大大提高相机的动态响应范围，以获得具有高动态范围的快照式高光谱图像。此外，该相机动态范围的提高采用软件方式，减少了其对价格昂贵的专业型探测器的需求，在很大程度上降低了快照式高光谱相机的制造成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机的结构示意图。

图中，a是高动态范围图像获取模块；b是快照式高光谱相机模块，c是高光谱数据分析处理模块。其中：1是被测目标，2是会聚透镜，3是光阑，4是准直透镜，5是分光元件，6是再成像透镜，7是探测器，*表示物像共轭关系。

图2是本发明提供的具有高动态范围的快照式高光谱目标图像。

本发明仅以三次曝光为例。(1)是过度曝光情况下获取的快照式高光谱图像，(2)是正常曝光情况下获取的快照式高光谱图像，(3)是欠曝光情况下获取的快照式高光谱图像，(4)是利用多曝光图像融合算法合成的具有高动态范围的快照式高光谱图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，参见图1，包括：高动态范围图像获取模块a、快照式高光谱相机模块b和高光谱数据分析处理模块c。其中，快照式高光谱相机模块b包括：被测目标1、会聚透镜2、光阑3、准直透镜4、分光元件5、再成像透镜6和探测器7。

高动态范围图像获取模块a用于设定相机的曝光次数n和不同曝光时间t₁、t₂、t₃,……,t_n。

被测目标1通过快照式高光谱相机模块b中的会聚透镜2成像在光阑3处。通过光阑3的光束经由准直透镜4准直。分光元件5对经过准直透镜4后的光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上。不同方向上的具有不同波长的光束通过再成像透镜6会聚到探测器7上。探测器7将光信号转换成电信号，记录光束强度信息。

根据不同的曝光时间，可以得到多张不同曝光度的低动态范围快照式高光谱图像。高动态范围图像获取模块a利用多曝光图像融合算法将不同曝光时间下采集到的低动态范围快照式高光谱图像进行融合，从而获得具有高动态范围的快照式高光谱图像。高光谱数据分析处理模块c通过数据反转算法将获得的具有高动态范围的快照式高光谱图像重建成所需要的包括目标物体的二维空间信息和光谱信息的三维数据立方体，并在此基础上分析目标物体的成分及含量。

下面结合图1、图2详细的描述该快照式高光谱相机的工作原理，详见下文描述：

参见图2，本发明实施例仅以三次曝光为例来进行说明。参见图1，高动态范围图像获取模块a设定了多曝光的次数n和曝光时间t₁、t₂、t₃,……,t_n。被测目标1通常是位于较远距离处、覆盖较大范围的气体物质。被测目标1通过会聚透镜2在光阑3处成缩小的像，为了对较大范围的目标物体进行高光谱成像，通常情况下，选择焦距较小的会聚透镜2，以使得被测目标1成较小的像。被测目标1通过会聚透镜2与光阑3成物像共轭关系。

光阑3限制进入后续光路的光束范围，控制可以成像的被测目标1的范围。光阑3放在准直透镜4的焦点处。准直透镜4对经过光阑3的光束进行准直，入射到分光元件5处。准直透镜4与分光元件5(如光栅)的距离应尽量靠近，为了后续光路能够高效地收集到经过分光元件5后分散的光束。分光元件5(如光栅)对经过准直透镜4后的光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上。再成像透镜6将通过分光元件5后按一定规律分散到不同方向上的不同波长的光束会聚到探测器7上。

探测器7可以使用互补金属氧化物半导体探测器CMOS、电荷耦合元件探测器CCD、制冷型和非制冷型红外焦平面探测器FPA，将光信号转换成电信号，记录光束强度信息。探测器7通过准直透镜4、再成像透镜6与光阑3成物像共轭关系。

高光谱数据分析处理模块c通过数据反转算法，将动态范围图像获取模块a获得的具有高动态范围的快照式高光谱图像重建成所需要的包括目标物体的二维空间信息和光谱信息的三维数据立方体，并在此基础上分析获得目标物体的成分及含量信息。

综上所述，本发明实施例提供了一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，该相机首次利用高动态范围图像获取技术，对相同的目标物体进行多次不同曝光时间的成像，获取多张具有不同曝光度的低动态范围的高光谱图像，然后采用多曝光图像融合算法将这些图像合成为一幅具有高动态范围的快照式高光谱图像，通过扩展快照式高光谱相机的动态响应范围，更加有效地实现对被测目标不同区域的同时光谱检测。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，包括：高动态范围图像获取模块、快照式高光谱相机模块和高光谱数据分析处理模块，其特征在于，

所述高动态范围图像获取模块用于设定相机的曝光次数n和不同曝光时间t₁、t₂、t₃,……,t_n；所述快照式高光谱相机模块根据不同的曝光时间，得到多张不同曝光度的低动态范围快照式高光谱图像；

所述高动态范围图像获取模块利用多曝光图像融合算法将不同曝光时间下采集到的低动态范围快照式高光谱图像进行融合，从而获得具有高动态范围的快照式高光谱图像；

所述高光谱数据分析处理模块通过数据反转算法将获得的具有高动态范围的快照式高光谱图像重建成所需要的包括目标物体的二维空间信息、光谱信息的三维数据立方体，并在此基础上分析目标物体的成分及含量。

2.根据权利要求1所述的一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，其特征在于，所述快照式高光谱相机模块包括：被测目标、会聚透镜、光阑、准直透镜、分光元件、再成像透镜和探测器，

所述被测目标通过所述会聚透镜成像在所述光阑处；通过所述光阑的光束经由所述准直透镜准直；

所述分光元件对经过所述准直透镜后的光束进行分光，使得不同波长的光束按一定的规律分散到不同的方向上；

不同方向上的具有不同波长的光束通过所述再成像透镜会聚到所述探测器上；所述探测器将光信号转换成电信号，记录光束强度信息。

3.根据权利要求2所述的一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，其特征在于，所述探测器具体为：互补金属氧化物半导体探测器、电荷耦合元件探测器、制冷型和非制冷型红外焦平面探测器。

4.根据权利要求2或3所述的一种具有高动态响应范围的快照式高光谱相机，其特征在于，所述被测目标通过所述会聚透镜与所述光阑成物像共轭关系；所述探测器通过所述准直透镜、所述再成像透镜与所述光阑成物像共轭关系。