CN107782448B - 一种新型成像光谱仪及其数据立方体的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型成像光谱仪及其数据立方体的构建方法，属于成像光谱技术领域，该新型成像光谱仪包括镜头、分束器、可见光相机、光开关、汇聚系统和近红外光谱仪，镜头用于采集光线，分束器设置于镜头形成的透射光线的光路上，可见光相机设置于分束器的反射光线的光路上，光开关设置于分束器的透射光线的光路上且通过可见光相机获取的信息对其进行控制，汇聚系统设置于光开关的反射光的光路上，近红外光谱仪与汇聚系统通过光纤连接，其结构简单，使用方便，重量轻，体积小，成本较低。本成像光谱仪数据立方体的构建方法，其操作简单，能够较方便的对成像光谱仪数据立方体的空间维信息和光谱维信息进行探测，大大提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，具体而言，涉及一种新型成像光谱仪及其数据立方体的构建方法。
背景技术
成像光谱仪广泛应用于空间探测、航空航天遥感、地质分析、环境监测、医学检测诊断及军事侦察等诸多领域。利用成像光谱仪既能采集到目标的二维空间图像信息，又能获取目标各点的光谱信息，从而实现对目标的定时、定位、定性、定量分析。
成像光谱仪实现了目标空间图像信息和光谱信息的共同采集。传统的成像光谱仪分为前端成像系统和后端分光系统，前端成像镜头将来自目标的光信息收集并成像于成像光谱仪的入射狭缝处，得到第一维空间图像信息，再经后端分光系统得到目标各点的光谱信息。然后，通过一定的方式对第二维空间图像进行扫描，即可采集到由目标二维空间图像信息及其各点光谱信息所构成的三维数据立方体。
成像光谱仪所采用的分光技术直接影响着仪器的结构复杂度、体积、重量、仪器性能及其成本，色散型成像光谱仪以光谱线性度好、技术成熟等优点而被广泛应用。常用的色散元件有棱镜和光栅，反射式光栅成像光谱仪的光路属于离轴系统，存在体积大、装调难、稳定性差等不足；棱镜-透射光栅组合式成像光谱仪具有体积小、重量轻、结构简单等优点，因此现有成像光谱仪的设计多数采用棱镜和透射光栅组合的方式。
但是棱镜-透射光栅组合式传统成像光谱仪不仅需要扫描部件，而且透射光栅和探测器的成本依赖于成像光谱仪所使用的波段，导致操作不方便，使用成本高。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种新型成像光谱仪，其结构简单，使用方便，成本较低，能够较好的改善上述问题。
本发明实施例的另一个目的在于提供一种成像光谱仪数据立方体的构建方法，其操作简单，能够较方便的对成像光谱仪数据立方体的空间维信息和光谱维信息进行探测。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明的实施例提供了一种新型成像光谱仪，包括镜头、分束器、可见光相机、光开关、汇聚系统和近红外光谱仪，所述镜头用于采集光线，所述分束器设置于所述镜头形成的透射光线的光路上，所述分束器用于对所述镜头采集到的光线进行处理使得一部分光线反射，另一部分光线透射过所述分束器，所述可见光相机设置于所述分束器的反射光线的光路上，所述可见光相机用于对可见光进行处理并得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息，所述光开关设置于所述分束器的透射光线的光路上且通过所述可见光相机获取的信息对其进行控制，所述汇聚系统设置于所述光开关的反射光的光路上，所述近红外光谱仪与所述汇聚系统通过光纤连接。
可选地，所述光开关采用数字微镜器件。
可选地，所述镜头采集到的光的波长为400nm-2500nm，所述分束器反射的光的波长为400nm-900nm，所述分束器透射出的光的波长为900nm-2500nm。
本发明的实施例还提供了一种成像光谱仪数据立方体的构建方法，采用上述所述的新型成像光谱仪，该成像光谱仪数据立方体的构建方法包括以下步骤：
采光步骤：使用镜头采集光线，光线透射过镜头形成第一透射光；
分光步骤：使用分束器对第一透射光进行处理，一部分第一透射光被分束器反射形成第一反射光，其余部分第一透射光从分束器透射过形成第二透射光；
成像光谱仪数据立方体的空间维信息获取步骤：使用可见光相机接收第一反射光并在可见光相机中成像，由此得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息；
成像光谱仪数据立方体的光谱维信息获取步骤：根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息对光开关进行控制，使得光开关对第二透射光进行处理得到第二反射光，然后采用汇聚系统对可见光相机中对应成像位置的第二反射光进行收集，汇聚系统将收集到的第二反射光通过光纤传输到近红外光谱仪中进行处理，由此得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息；
成像光谱仪数据立方体的组合步骤：将成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息进行组合得到成像光谱仪数据立方体。
可选地，成像光谱仪数据立方体的组合方式如下，根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息驱动光开关的微反射镜单元进行“开”、“关”动作，将可见光相机中对应成像位置的第二反射光的光谱信息传输到近红外光谱仪中进行处理，得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息，通过对光开关的各个微反射镜单元的控制实现成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息一一对应，最终整合得到成像光谱仪数据立方体。
可选地，所述第一反射光为可见光，所述第二透射光为近红外光。
可选地，第一透射光的光线波长为400nm-2500nm，第一反射光的波长为400nm-900nm，第二透射光的波长为900nm-2500nm。
本发明的实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供的新型成像光谱仪，其结构简单，使用方便，相对传统的成像光谱仪省去了扫描机构和像差校正透镜组，大大降低了成本，并且也减小了设备的体积和重量，具有较好的市场推广应用价值。
本发明实施例提供的成像光谱仪数据立方体的构建方法，其操作简单，能够较方便的对成像光谱仪数据立方体的空间维信息和光谱维信息进行探测，大大提高了测量效率。
附图说明
图1为实施例一的新型成像光谱仪的结构示意图。
图标：101-镜头；102-分束器；103-可见光相机；104-光开关；105-汇聚系统；106-近红外光谱仪；107-光纤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
参考图1所示，本发明实施例一提供了一种新型成像光谱仪，包括镜头101、分束器102、可见光相机103、光开关104、汇聚系统105和近红外光谱仪106。
镜头101用于采集光线，镜头101可以采用现有技术，也可以根据需要设计合适的镜头101。
分束器102用于对镜头101采集到的光线进行处理，使得一部分光线反射，其余部分光线透射过分束器102，因此，分束器102设置在镜头101的后方且位于镜头101采集到的光线形成的透射光线的光路上。分束器102可以采用现有技术，也可以根据需要设计合适的分束器102。例如，当镜头101采集到的光的波长为400nm-2500nm，则分束器102可以将波长为400nm-900nm的光进行反射，波长为900nm-2500nm的光透射过分束器102。
可见光相机103用于对可见光进行处理并得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息，因此，可见光相机103设置在分束器102的反射光线的光路上。可见光相机103可以采用现有技术，也可以根据需要设计出合适的可见光相机103。
光开关104设置在分束器102的透射光线的光路上，并且通过可见光相机103获取的信息对其进行控制，即可见光相机103可以根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息驱动光开关104进行“开”、“关”操作，从而使得从分束器102透射过的光线反射。需要说明的是，本实施例中，光开关104采用数字微镜器件。
汇聚系统105设置在光开关104的反射光的光路上且用于对光开关104反射后的光线进行汇聚，近红外光谱仪106与汇聚系统105通过光纤107连接，这样，汇聚系统105就能够把汇聚到的光线传输到近红外光谱仪106中，近红外光谱仪106对其进行计算得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息。
实施例2
本发明实施例二提供了一种成像光谱仪数据立方体的构建方法，需要用到的设备可以采用实施例一中新型成像光谱仪，其结构工作原理和产生的技术效果可以参考实施例一中的相应内容，此处不做详细描述。
本实施例的成像光谱仪数据立方体的构建方法包括以下步骤：
采光步骤：使用镜头101采集光线，光线透射过镜头101形成第一透射光。
分光步骤：使用分束器102对第一透射光进行处理，一部分第一透射光被分束器102反射形成第一反射光，其余部分第一透射光从分束器102透射过形成第二透射光。
成像光谱仪数据立方体的空间维信息获取步骤：使用可见光相机103接收第一反射光并在可见光相机103中成像，由此得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息。
成像光谱仪数据立方体的光谱维信息获取步骤：根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息对光开关进行控制，使得光开关对第二透射光进行处理得到第二反射光，然后采用汇聚系统105对可见光相机103中对应成像位置的第二反射光进行收集，汇聚系统105将收集到的第二反射光通过光纤107传输到近红外光谱仪106中进行处理，由此得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息。
成像光谱仪数据立方体的组合步骤：将成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息进行组合得到成像光谱仪数据立方体。具体组合方式如下，根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息驱动光开关的微反射镜单元进行“开”、“关”动作，将可见光相机103中对应成像位置的第二反射光的光谱信息传输到近红外光谱仪106中进行处理，得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息，通过对光开关的各个微反射镜单元的控制实现成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息一一对应，最终整合得到成像光谱仪数据立方体。
需要说明的是，本实施例中，第一反射光为可见光，第二透射光为近红外光。例如，第一透射光的光线波长为400nm-2500nm，则第一反射光的波长为400nm-900nm，第二透射光的波长为900nm-2500nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)
1.一种新型成像光谱仪，其特征在于，包括镜头、分束器、可见光相机、光开关、汇聚系统和近红外光谱仪，所述镜头用于采集光线，所述分束器设置于所述镜头形成的透射光线的光路上，所述分束器用于对所述镜头采集到的光线进行处理使得一部分光线反射，另一部分光线透射过所述分束器，所述可见光相机设置于所述分束器的反射光线的光路上，所述可见光相机用于对可见光进行处理并得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息，所述光开关设置于所述分束器的透射光线的光路上且通过所述可见光相机获取的信息对其进行控制，所述汇聚系统设置于所述光开关的反射光的光路上，所述近红外光谱仪与所述汇聚系统通过光纤连接。
2.根据权利要求1所述的新型成像光谱仪，其特征在于，所述光开关采用数字微镜器件。
3.根据权利要求1所述的新型成像光谱仪，其特征在于，所述镜头采集到的光的波长为400nm-2500nm，所述分束器反射的光的波长为400nm-900nm，所述分束器透射出的光的波长为900nm-2500nm。
4.一种成像光谱仪数据立方体的构建方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的新型成像光谱仪，该成像光谱仪数据立方体的构建方法包括以下步骤：
采光步骤：使用镜头采集光线，光线透射过镜头形成第一透射光；
分光步骤：使用分束器对第一透射光进行处理，一部分第一透射光被分束器反射形成第一反射光，其余部分第一透射光从分束器透射过形成第二透射光；
成像光谱仪数据立方体的空间维信息获取步骤：使用可见光相机接收第一反射光并在可见光相机中成像，由此得到成像光谱仪数据立方体的空间维信息；
成像光谱仪数据立方体的光谱维信息获取步骤：根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息对光开关进行控制，使得光开关对第二透射光进行处理得到第二反射光，然后采用汇聚系统对可见光相机中对应成像位置的第二反射光进行收集，汇聚系统将收集到的第二反射光通过光纤传输到近红外光谱仪中进行处理，由此得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息；
成像光谱仪数据立方体的组合步骤：将成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息进行组合得到成像光谱仪数据立方体。
5.根据权利要求4所述的成像光谱仪数据立方体的构建方法，其特征在于，成像光谱仪数据立方体的组合方式如下，根据成像光谱仪数据立方体的空间维信息驱动光开关的微反射镜单元进行“开”、“关”动作，将可见光相机中对应成像位置的第二反射光的光谱信息传输到近红外光谱仪中进行处理，得到成像光谱仪数据立方体的光谱维信息，通过对光开关的各个微反射镜单元的控制实现成像光谱仪数据立方体的空间维信息与成像光谱仪数据立方体的光谱维信息一一对应，最终整合得到成像光谱仪数据立方体。
6.根据权利要求4所述的成像光谱仪数据立方体的构建方法，其特征在于，所述第一反射光为可见光，所述第二透射光为近红外光。
7.根据权利要求6所述的成像光谱仪数据立方体的构建方法，其特征在于，第一透射光的光线波长为400nm-2500nm，第一反射光的波长为400nm-900nm，第二透射光的波长为900nm-2500nm。
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