CN107655569A - 高光谱相机、高光谱成像装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光谱相机、高光谱成像装置及控制方法。其中，高光谱成像装置包括：光学镜头，用于收集物料的反射光；入口狭缝，入口狭缝位于光学镜头的焦点处，以便反射光聚焦至入口狭缝；分光系统，用于将由入口狭缝入射的反射光分为多束单色光；数字微型反射镜阵列，包括多个微型反射镜，多个微型反射镜处于第一状态时，多束单色光通过多个微型反射镜反射后由分光系统聚焦为一条光束线；线阵传感器，用于接收光束线；控制器，用于调整数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。本发明的高光谱成像装置具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及多光谱成像技术领域，特别涉及一种高光谱相机、高光谱成像装置及控制方法。
背景技术
高光谱技术是由光谱学与图像技术交叉融合形成的技术，既可以利用图像信息进行目标形状大小和分布研究，也可以利用光谱信息进行物质的鉴别分类。这种技术最早被用于遥感领域，后被引入到医药学、农业检测等领域。同样在农产品谷物分级或者废品回收过程中，利用高光谱技术可以对多种形状复杂的谷物和废品进行自动在线识别，但庞大的谷物和废品数量要求扫描速度足够快，且光谱数据中很多波长数据是没有价值的，因此迫切需要一种波长任意选择的高速高光谱检测技术，另外由于谷物和废品的价值相对较低，高光谱相机的成本不能太高。相关技术中，高光谱相机成像原理包括摆扫式光谱成像、推扫式光谱成像、电控可调谐滤光成像。摆扫式光谱成像内部采用棱镜或光栅分光加上线阵传感器，每次只能采集单点的光谱数据，要得到物料的高光谱图像，必须X、Y方向上摆动扫描物料的每个点。摆扫式高光谱成像的光谱分辨率较高，采用线阵传感器成本较低，但每个点的光谱采集时间较长导致其空间上分辨率较差(cm级别)，无法用于谷物等小物料识别。推扫式光谱成像内部采用棱镜或光栅分光加上面阵传感器，每次采集一行几百个点的光谱数据，要得到物料的高光谱图像，只需要将物料相对于相机作直线运动即可。推扫式高光谱成像的光谱分辨率和水平方向空间均分辨率均较高，但由于每行的所有光谱均采集导致其帧频较低，其在物料运动方向上分辨率较低；且由于采用的是面阵传感器，其成本较高，特别是波长大于1700nm的近红外面阵传感器，厂商可选择性较少且价格十分昂贵。电控可调谐滤光成像内部采用电压调谐式滤光晶体加上面阵传感器，物料无需运动，只调节电压即实现可选择波长的光谱成像；电控可调滤光成像的光谱分辨率和两维空间分辨率均较高，选择指定的波长成像，其帧频速度较快，但可调谐滤波晶体和面阵传感器均较昂贵，近红外波段的晶体和传感器更是昂贵。
相关技术中高光谱相机因为具有较高的光谱分辨率，可以得到非常丰富的光谱信息，利用这些光谱信息能够进行农业病情、医药成分等检测分析，但由于光谱数据较多，无法应用在诸如谷物分级和废品回收等在线检测应用中，在线检测应用要求高光谱技术要有波长任意选择功能和较高的扫描速度，且具有较低成本，但是现有高光谱技术或产品无法实现上述要求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种高光谱成像装置。该高光谱成像装置既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
本发明的另一个目的在于提供一种高光谱相机。
本发明的再一个目的在于提供一种高光谱成像装置的控制方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种高光谱成像装置，包括：光学镜头，用于收集物料的反射光；入口狭缝，所述入口狭缝位于所述光学镜头的焦点处，以便所述反射光聚焦至所述入口狭缝；分光系统，用于将由所述入口狭缝入射的反射光分为多束单色光；数字微型反射镜阵列，所述数字微型反射镜阵列包括多个微型反射镜，所述多个微型反射镜处于第一状态时，所述多束单色光通过所述多个微型反射镜反射后由所述分光系统聚焦为一条光束线；线阵传感器，用于接收所述光束线；控制器，用于调整所述数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制所述多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。
本发明实施例的高光谱成像装置，既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
在一些示例中，所述分光系统为折射棱镜型分光系统或者衍射光栅型分光系统。
在一些示例中，所述折射棱镜型分光系统包括准直透镜、折射棱镜和聚焦透镜。
在一些示例中，所述衍射光栅型分光系统包括准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。
在一些示例中，所述多个微型反射镜呈多行多列排列。
在一些示例中，所述数字微型反射镜阵列的横向像素表示空间上不同位置，所述线阵传感器的纵向像素表示光谱上不同波长。
在一些示例中，所述数字微型反射镜阵列的工作模式包括第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，其中，所述第一工作模式为按照光谱顺序从上至下，依次将数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜设置为第一状态；所述第二工作模式为根据物料的光谱曲线，选择预定波长范围，并在所述预定波长范围内依次切换数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜为第一状态；所述第三工作模式为根据待物料的光谱曲线，在所述预定波长范围内，将具有相同属性的波长合并，以将所述预定波长范围划分为多个不同属性的波段，以及将每个波段内所有的微型反射镜同时设为第一状态。
在一些示例中，所述第一状态为ON状态。
本发明的第二方面的实施例公开了一种高光谱相机，包括：根据上述第一方面的实施例所述的高光谱成像装置。该高光谱相机既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
本发明的第三方面的实施例公开了一种高光谱成像装置的控制方法，其中，高光谱成像装置为根据上述第一方面的实施例所述的高光谱成像装置，控制方法包括以下步骤：调整所述数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制所述多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。
本发明实施例的高光谱成像装置的控制方法，既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述的和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的高光谱成像装置的示意图；
图2是本发明一个实施例的高光谱成像装置中三种不同物质的光谱曲线示意图；
图3是本发明一个实施例的高光谱成像装置中微型反射镜状态示意图；
图4是本发明一个实施例的高光谱成像装置中数字微型反射镜阵列的工作示意图；以及
图5是本发明另一个实施例的高光谱成像装置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的高光谱相机、高光谱成像装置及控制方法。
图1是根据本发明一个实施例的高光谱成像装置的示意图，如图1所示，并结合图3至图5，根据本发明一个实施例的高光谱成像装置，包括：光学镜头1、入口狭缝2、分光系统、数字微型反射镜阵列5、线阵传感器7和控制器(图1中没有示出)。
其中，光学镜头1用于收集物料的反射光。入口狭缝2位于所述光学镜头的焦点处，以便反射光聚焦至入口狭缝2。分光系统用于将由入口狭缝2入射的反射光分为多束单色光。数字微型反射镜阵列5包括多个微型反射镜8，多个微型反射镜8处于第一状态时，多束单色光通过多个微型反射镜8反射后由分光系统聚焦为一条光束线。线阵传感器7用于接收光束线。控制器用于调整数字微型反射镜阵列5的工作模式，以控制多个微型反射镜8的状态切换顺序和切换时间。其中，多个微型反射镜呈多行多列排列。
即：本发明实施例的高光谱成像装置包括：光学镜头1、入口狭缝2、分光系统、数字微型反射镜阵列5(DMD)、线阵传感器7。最前端的光学镜头1用于收集物料反射光，并聚焦至入口狭缝2处，即光学镜头1成像焦点位于入口狭缝2处。入口狭缝宽度一般为20～80um，宽度越窄，光谱分辨率越高。常见分光系统包括折射棱镜型和衍射光栅型，折射棱镜型一般是透镜棱镜(PG)组合，前端准直透镜将从入口狭缝进入的复合光准直为平行光，然后再进入折射棱镜，由折射棱镜透射后的复合光分散为按波长顺序排布的多束单色光，多束单色光入射至DMD。同样衍射光栅型包括准直透镜、衍射光栅、聚焦透镜，准直透镜将从入口狭缝进入的复合光准直为平行光，衍射光栅将复合光以波长顺序反射为多束单色光，多束单色光入射至DMD。相对棱镜分光型，衍射光栅型具有较小的体积和光效率，但成本也较高。
DMD的横向代表空间上不同位置，纵向代表光谱上不同波长，这样DMD获得了一段横向空间内物料的所有光谱信息。DMD由许多的微型反射镜构成，每个微型反射镜都可以独立控制，具有on状态(如第一状态)和off两种状态，即可以实现两种反射光路。将聚焦透镜和线阵传感器放置在on状态光路上，当DMD所有微型反射镜都处于on状态时，利用聚焦透镜将DMD所有反射光聚焦成一条线，线阵传感器安装在透镜的焦点处。
其中，数字微型反射镜阵列的工作模式包括第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，其中，所述第一工作模式为按照光谱顺序从上至下，依次将数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜设置为第一状态；所述第二工作模式为根据物料的光谱曲线，选择预定波长范围，并在所述预定波长范围内依次切换数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜为第一状态；所述第三工作模式为根据待物料的光谱曲线，在所述预定波长范围内，将具有相同属性的波长合并，以将所述预定波长范围划分为多个不同属性的波段，以及将每个波段内所有的微型反射镜同时设为第一状态。
具体地说，DMD工作模式可分为下面三种：
(1)按照光谱顺序从上至下，依次将DMD的一行微型反射镜设置为on状态，线阵传感器同步采集反射光，传感器采集速度和微型反射镜的切换速度同步，这样就可以获得物料所有光谱信息。这种模式和传统高光谱相机一样，相机获得了物料所有波段光谱信息且光谱分辨率较高，但光谱扫描时间较长。
(2)根据待识别物质的光谱曲线，选择其中有价值的波长范围，在该波长范围内依次切换DMD的一行微型反射镜为on状态，线阵传感器同步采集反射光，传感器采集速度和微型反射镜的切换速度同步，这样就可以获得物料有价值波段的光谱信息。这种模式下相机只传输有价值波段的光谱信息，且在该波段内光谱分辨率较高，由于减少了无价值波段的光谱采集时间，其光谱扫描速度较模式(1)提高很多。
(3)根据待识别物质的光谱曲线，在有价值的波长范围内，将具有相同属性的波长合并，这样将整个有价值波长范围被划分为几个不同属性的波段，按波段划分分别将每个波段内所有的微型反射镜同时为on状态，传感器采集该波段内所有微型反射镜的反射光，传感器采集速度和波段切换速度同步，这样就获得了物料对应在这几个波段的光谱信息。这种模式下相机传输的是按物料光谱属性划分后的几个有价值波段光谱信息，光谱分辨率较低但满足物料识别要求，由于光谱采集数量从几百个波长降至几个波段，光谱扫描速度比模式(1)提高近百倍，且线阵传感器收集的光强也提高很多，传感器输出的信号幅值和信噪比得到提高。
如图2所示，为三种物质的光谱曲线，根据曲线得出物质A在波段I和III区间的发射率远高于物质B、C，在波段II区间的发射率相同于物质B、C，那么只要得出物料光谱在I区间的面积SI、II区间的面积SII、II区间的面积SIII，根据(SI+SII)-SIII的强度就可以将物质A和其他两种物质区分开，同时其他波段的光谱信息是没有价值的。
例如采用845(H)*480(V)的DMD(型号DLP2010NIR)，纵向480个微型反射镜对应1000nm至1960nm的光谱信息，每个微型反射镜的光谱宽度为2nm，微型反射镜的最快切换频率为2.88kHz，即on状态的最短时间Ton为0.35ms，传感器读出和数据处理速度远高于这个时间，暂不考虑。那么DMD三种模式的扫描速度为：
(1)所有光谱均采集，即纵向480行依次切换为on状态，光谱扫描周期时间T＝Ton*480＝168ms，即帧频F为5.95fps；
(2)采集波段I、II、III区间的光谱，即只要这三个波段内((1266-1140)+(1532-1438)+(1828-1730))/2＝159个微型反射镜需要依次切换为on状态。光谱扫描周期时间T＝Ton*159＝56ms，即帧频F为17.97fps；
(3)最终计算时将波段I和波段III内所有光谱进行求和，波段II中所有光谱进行求和，再将两者面积相减，也就是说波段I和波段III内所有微型反射镜的光谱属性是一种类型，波段II中所有微型反射镜的光谱属性是另一种类型，那么光谱扫描周期只需要两个Ton即可，第一个Ton内将波段I和波段III内所有微型反射镜切换为on状态，其他为off状态；第二个Ton内将波段II内所有微型反射镜切换为on状态，其他为off状态。光谱扫描周期时间T＝Ton*2＝0.7ms，其帧频F为1.43kfps，且合并后2个波段的电荷数也是原来的几十倍，信噪比得到提高。
作为一个具体的示例，如图1、图3至图5所示，其中，图1和图5分别为棱镜分光式和光栅分光式的高光谱成像装置的剖面构造图，两种主要是分光器件不一样，其他都是相似的，所以下面仅以介绍棱镜分光式数字微镜的高光谱相机的实施方式。光学镜头1用于收集物料用于接收物料反射光，并聚焦至入口狭缝处，即镜头成像焦点位于入口狭缝2处。入口狭缝2宽度一般为20～80um，宽度越窄，光谱分辨率越高。分光系统为透镜棱镜(PG)组合，前端准直透镜3将从入口狭缝2进入的复合光准直为平行光，然后再进入折射棱镜4，由折射棱镜4透射后的复合光分散为按波长顺序排布的多束单色光，单色光照射至DMD上。DMD有许多微型反射镜8构成，每个微型发射镜8都可以独立控制，且具有on和off两种状态，如图3所示，当入射光角度不变时，通过改变微型反射镜8的状态，可以实现两种反射光路。将聚集透镜6和线阵传感器7放置在on状态光路上，当DMD所有微型反射镜8都处于on状态时，利用聚焦透镜6将DMD的所有反射光聚焦成一条线，线阵传感器7安装在聚焦透镜6的焦点处，保证线阵传感器可以探测到DMD中所有on状态的反射光，且没有off状态的反射光干扰。
DMD工作模式可分为下面三种：(1)按照光谱顺序从上至下，依次将DMD5的一行微型反射镜设置8为on状态，线阵传感器7同步采集反射光，传感器7采集速度和微型反射镜8的切换速度同步，这样就可以获得物料所有光谱信息。这种模式和传统高光谱相机一样，获得了物料所有波段光谱信息且光谱分辨率较高，但光谱扫描时间较长。(2)根据待识别物质的光谱曲线，选择其中有价值的波长范围，在该波长范围内依次切换DMD5的一行微型反射镜8为on状态，线阵传感器7同步采集反射光，传感器7采集速度和微型反射镜8的切换速度同步，这样就可以获得物料有价值波段的光谱信息。这种模式下相机只传输有价值波段的光谱信息，且在该波段内光谱分辨率较高，由于减少了无价值波段的光谱采集时间，其光谱扫描速度较模式(1)提高很多。(3)根据待识别物质的光谱曲线，在有价值的波长范围内，将具有相同属性的波长合并，这样将整个有价值波长范围被划分为几个不同属性的波段，按波段划分分别将每个波段内所有的微型反射镜8同时为on状态，传感器7采集该波段内所有微型反射镜8的反射光，传感器7采集速度和波段切换速度同步，这样就获得了物料对应在这几个波段的光谱信息。这种模式下相机传输的是按物料光谱属性划分后的几个有价值波段光谱信息，光谱分辨率较低但满足物料识别要求，由于光谱采集数量从几百个波长降至几个波段，光谱扫描速度比模式(1)提高近百倍，且线阵传感器7收集的光强也提高很多，传感器7输出的信号幅值和信噪比得到提高。
根据本发明实施例的高光谱成像装置，既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
进一步地，本发明的实施例公开了一种高光谱相机，包括：根据上述任意一个实施例所述的高光谱成像装置。该高光谱相机既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
另外，根据本发明实施例的高光谱相机的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述。
本发明的实施例公开了一种高光谱成像装置的控制方法，其中，高光谱成像装置为根据上述任意一个实施例所述的高光谱成像装置。控制方法包括：调整所述数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制所述多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。
本发明实施例的高光谱成像装置的控制方法，既具有传统高光谱相机的高光谱分辨率、低扫描速度模式，又具有波长任意选择或合并的低光谱分辨率、高速扫描模式，同时具有成本低的优点，尤其适用于在线识别检测。
需要说明的是，本发明实施例的高光谱成像装置的控制方法的具体实现方式与本发明实施例的高光谱成像装置的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。
需要说明的是，本发明实施例的基于面阵结构光系统的三维重建系统的具体实现方式与本发明实施例的基于面阵结构光系统的三维重建方法的具体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种高光谱成像装置，其特征在于，包括：
光学镜头，用于收集物料的反射光；
入口狭缝，所述入口狭缝位于所述光学镜头的焦点处，以便所述反射光聚焦至所述入口狭缝；
分光系统，用于将由所述入口狭缝入射的反射光分为多束单色光；
数字微型反射镜阵列，所述数字微型反射镜阵列包括多个微型反射镜，所述多个微型反射镜处于第一状态时，所述多束单色光通过所述多个微型反射镜反射后由所述分光系统聚焦为一条光束线；
线阵传感器，用于接收所述光束线；
控制器，用于调整所述数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制所述多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。
2.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述分光系统为折射棱镜型分光系统或者衍射光栅型分光系统。
3.根据权利要求2所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述折射棱镜型分光系统包括准直透镜、折射棱镜和聚焦透镜。
4.根据权利要求2所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述衍射光栅型分光系统包括准直透镜、衍射光栅和聚焦透镜。
5.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述多个微型反射镜呈多行多列排列。
6.根据权利要求5所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述数字微型反射镜阵列的横向像素表示空间上不同位置，所述线阵传感器的纵向像素表示光谱上不同波长。
7.根据权利要求6所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述数字微型反射镜阵列的工作模式包括第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，其中，
所述第一工作模式为按照光谱顺序从上至下，依次将数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜设置为第一状态；
所述第二工作模式为根据物料的光谱曲线，选择预定波长范围，并在所述预定波长范围内依次切换数字微型反射镜阵列的一行微型反射镜为第一状态；
所述第三工作模式为根据待物料的光谱曲线，在所述预定波长范围内，将具有相同属性的波长合并，以将所述预定波长范围划分为多个不同属性的波段，以及将每个波段内所有的微型反射镜同时设为第一状态。
8.根据权利要求7所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述第一状态为ON状态。
9.一种高光谱相机，其特征在于，包括：根据权利要求1-8任一项所述的高光谱成像装置。
10.一种根据权利要求1-8任一项所述的高光谱成像装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
调整所述数字微型反射镜阵列的工作模式，以控制所述多个微型反射镜的状态切换顺序和切换时间。
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