CN108780008B - 高光谱成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于高光谱成像的装置，包括成像传感器(170、270)；带通滤波器元件(130、230)：至少一个成像光学元件(120、160、220、260)，被配置为在成像传感器(170、270)上形成图像；以及第一可调多通带滤波器(150a、255)；其中第一可调多通带滤波器(150a、255)被配置为通过倾斜来调节。

Description

高光谱成像装置
技术领域
本申请总体上涉及成像。具体地，但非排他地，本申请涉及高光谱成像。更具体地，但非排他地，本申请涉及在高光谱成像中，多通带滤波器(例如法布里-珀罗Fabry-Perot干涉仪)与RGB图像传感器或单色图像传感器的组合使用。
背景技术
本部分示出了有用的背景信息，而不是承认此处描述的任何技术代表现有技术。
高光谱或多光谱成像越来越多地用于大量的应用中，并且因此需要有成本效益且简单的装置。
先前已经通过使用例如像素化多光谱滤波器，使用滤光轮和使用多路复用的LED照明来执行高光谱成像。这些装置通常需要复杂的制造工艺，并且不容易适应不同的光谱波长范围。在这些装置中不可能连续地调节波长，因为像素化多光谱滤波器永久地位于像素之上，并且滤光轮只能具有固定数目的滤波器，典型地为从3到12。另外，像素化多光谱滤波器并不与紧凑尺寸的图像传感器的使用兼容，因为像素化滤波器的尺寸限制了最小像素尺寸。
此外，法布里-珀罗干涉仪的使用从先前的公开US 8 130 380 B和US 2015124263A1中已被获知。
本发明旨在通过提供一种高光谱成像装置来减轻先前解决方案的问题，该高光谱成像装置可用于构建有成本效益、高性能且同时与小像素图像传感器兼容的高光谱成像装置，使得能够构建基于移动设备相机的成本非常低的高光谱成像装置。
发明内容
在权利要求中阐述了本发明的示例的各个方面。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种用于高光谱成像的装置，包括：
成像传感器；
带通滤波器元件：
至少一个成像光学元件，被配置为在成像传感器上形成图像；以及
第一可调多通带滤波器；其中
第一可调多通带滤波器被配置为通过倾斜调节。
装置还可以包括第二可调多通带滤波器。
第一多通带滤波器和/或第二多通带滤波器可以包括可调法布里-珀罗干涉仪。
第一可调法布里-珀罗干涉仪和第二可调法布里-珀罗干涉仪中的至少一个可以被配置为具有固定间隙并且通过倾斜来调节。
第一可调法布里-珀罗干涉仪和第二可调法布里-珀罗干涉仪均可以配置成具有固定间隙并且通过倾斜来调整。
第一可调法布里-珀罗干涉仪可以被配置为具有固定间隙且通过倾斜来调节，并且第二可调法布里-珀罗干涉仪可以被配置为通过调节间隙来调节。
装置还可以包括发光二极管的阵列，其被配置为对待成像的目标进行照明；每个发光二极管具有与其他发光二极管不同的波长。
带通滤波器元件可包括短通滤波器和长通滤波器。
带通滤波器元件可以被配置为使360至1100nm或450至850nm的预定波长范围通过。
第一可调法布里-珀罗干涉仪和第二可调法布里-珀罗干涉仪可以被配置为通过在相反方向上以相同角度倾斜来调整。
成像传感器可包括单色图像传感器或RGB图像传感器。
成像传感器可以被包括在便携式电子设备中。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种用于高光谱成像的多通带滤波器装置，包括第一可调多通带滤波器；其中
第一可调多通带滤波器被配置为通过倾斜调节。
装置还可以包括第二可调多通带滤波器。
第一多通带滤波器和/或第二多通带滤波器可包括可调法布里-珀罗干涉仪。
第一可调法布里-珀罗干涉仪和第二可调法布里-珀罗干涉仪中的至少一个可以被配置为具有固定间隙并且通过倾斜来调节。
第一可调法布里-珀罗干涉仪和第二可调法布里-珀罗干涉仪均可以配置成具有固定间隙并且通过倾斜来调节。
第一可调法布里-珀罗干涉仪可以被配置为具有固定间隙且通过倾斜来调节，并且第二可调法布里-珀罗干涉仪可以被配置为通过调节间隙来调节。
根据本发明的第三示例方面，提供了一种用于高光谱成像的方法，包括：
利用成像传感器提供图像；
调节第一可调多通带滤波器以提供传输所需的特性，以便在成像传感器处接收所需的波长；其中
第一可调多通带滤波器被配置为通过倾斜调节。
该方法还可以包括调节第二可调多通带滤波器以提供传输所需的特性，以便在成像传感器处接收所需的波长。
第一多通带滤波器和/或第二多通带滤波器可包括可调法布里-珀罗干涉仪。
前面已经示例了本发明的不同的非约束性示例方面和实施例。前述实施例仅用于解释在执行本发明时可能被使用的所选方面或步骤。可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现一些实施例。应当理解，相应的实施例也可以应用于其他示例方面。
附图说明
为了更完整地理解本发明的示例实施例，现在参考以下描述并结合相应的附图，其中：
图1a示出了根据本发明的一个实施例的高光谱成像装置的示意性原理图；
图1b示出了根据本发明的一个实施例的高光谱成像装置的示意性原理图；
图2a示出了根据本发明另一实施例的高光谱成像装置的示意性原理图；
图2b示出了根据本发明另一实施例的高光谱成像装置的示意性原理图；以及
图3a示出了根据本发明一个实施例的高光谱成像装置的可调多通带滤波器的传输特性的示例；
图3b示出了根据本发明实施例的高光谱成像装置的可调多通带滤波器的传输特性的另一示例；以及
图4示出了根据本发明实施例的用于高光谱成像的方法流程图。
具体实施方式
通过参考图1a至图3，可以理解本发明及其潜在的优点。在本文献中，相同的附图标记表示相同的部分或步骤。
图1a和图1b示出了根据本发明实施例的高光谱成像装置100的示意性原理图。图1a和图1b示出了将利用高光谱成像的目标10。目标10例如是医疗目标(诸如愈合伤口)、消费者希望测量的颜色的目标、农业目标、防伪标记目标或食品加工中的目标。在一个实施例中，目标10被发光二极管LED阵列110a、110b进行照明，阵列110a、110b中的每个LED具有与该阵列110a、110b中的其他LED不同的波长。在一个实施例中，阵列110a、110b中的LED的数目是12至20。在另一示例实施例中，阵列110a、110b被包括在单个元件或多个元件中，尽管在图1a和图1b已经描述了两个元件。在一个实施例中，阵列110a、110b中的LED被配置为分开且独立地接通和断开。在一个实施例中，阵列110a、110b中的LED覆盖一个典型的低成本互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器的波长范围，例如360至1100nm。在另一实施例中，阵列110a、110b中的LED覆盖450至850nm的波长范围。应注意，高光谱成像装置100在没有LED照明的情况下也将发挥作用。
图1a和图1b还示出了第一光学元件120，例如，成像光学元件，被配置为通过以下元件形成校准光束。高光谱成像装置100还包括第一带通滤波器元件130。在一个实施例中，第一带通滤波器元件包括长通滤波器和短通滤波器，第一带通滤波器元件被配置为使预定波长范围通过，例如360至1100nm或450至850nm。在一个实施例中，高光谱成像装置100还包括第二光学元件140，被配置为将光束传导至后续元件。
在一个实施例中，高光谱成像装置100包括第一可调多通带滤波器，例如法布里-珀罗干涉仪FPI 150a，第二可调多通带滤波器，例如法布里-珀罗干涉仪FPI 150b。在一个实施例中，第一可调多通带滤波器(150a)包括被配置为通过倾斜来调节的多通带滤波器。在一个实施例中，第一FPI150a和/或第二FPI 150b包括可倾斜或可旋转的、固定间隙的FPI。在一个实施例中，如图1b所示，为了调整传输属性，可调多通带滤波器被配置为在相反方向上倾斜到相同角度。通过使多通带滤波器150a，150b沿相反方向以相同的角度倾斜，图像保持在固定位置，也使得能够使用小尺寸的图像传感器。在一个实施例中，多通带滤波器包括FPI 150a、FPI 150b，其包括在熔融石英晶片的相对侧上的五层布拉格(Bragg)反射镜。
高光谱成像装置100还包括第二光学元件或成像光学元件160，被配置为在成像传感器170上形成图像。在一个实施例中，成像传感器包括RGB成像传感器或单色成像传感器。RGB图像传感器的使用使得能够同时在三个光谱带注册信号，例如在US8130380B2中所解释的。在一个实施例中，成像传感器170被包括在另外的设备中，例如便携式电子设备，诸如数码相机、智能电话或平板电脑。
在另一实施例中，除了第一带通滤波器元件130之外或代替第一带通滤波器元件130，高光谱成像装置100包括位于第二光学元件160和成像传感器170之间的第二带通滤波器元件(未示出)。在一个实施例中，第二带通滤波器元件的特性与第一带通滤波器元件130的特性类似。
图2a和图2b示出了根据本发明另一实施例的高光谱成像装置200的示意性原理图。图2a和图2b示出了将利用高光谱成像的目标10。目标10例如是医疗目标(诸如愈合伤口)、或者消费者希望测量的颜色的目标。
图2a和图2b进一步示出了第一光学元件220，即，成像光学元件，被配置为通过以下元件形成校准光束。高光谱成像装置200还包括第一带通滤波器元件230。在一个实施例中，第一带通滤波器元件包括长通滤波器和短通滤波器，第一带通滤波器元件被配置为使预定波长范围通过，例如360至1100nm或450至850nm。在一个实施例中，高光谱成像装置200还包括第二光学元件240，被配置为将光束传导至后续元件。
高光谱成像装置200包括第一可调多通带滤波器，例如法布里-珀罗干涉仪FPI255，并且在一个实施例中，包括第二可调多通带滤波器，例如法布里-珀罗干涉仪FPI 250。在一个实施例中，第一可调多通带滤波器(255)包括被配置为通过倾斜来调节的多通带滤波器。在一个实施例中，第一可调FPI 255包括压电驱动的可调间隙的FPI，并且第二可调FPI 250包括可倾斜的固定间隙的FPI。在一个实施例中，第一多通带滤波器255和第二多通带滤波器250的组合被配置为以这样的方式调节，使得基本上仅透射单个光谱带，从而允许使用单色成像传感器。
高光谱成像装置200还包括第二光学元件或成像光学元件260，被配置为在成像传感器270上形成图像。在一个实施例中，成像传感器包括RGB成像传感器或单色成像传感器。在一个实施例中，成像传感器270被包括在另外的设备中，例如便携式电子设备，例如数码相机、智能电话或平板电脑。
在另一实施例中，除了第一带通滤波器元件230之外或代替第一带通滤波器元件230，高光谱成像装置200包括位于第二光学元件260与成像传感器270之间的第二带通滤波器元件(未示出)。在一个实施例中，第二带通滤波器元件的特性与第一带通滤波器元件230的特性类似。此外，在另一实施例中，高光谱成像装置200包括发光二极管LED阵列，用于对目标10进行照明，LED阵列与图1a和图1b所描述的阵列类似。
图3a和图3b示出了根据本发明实施例的高光谱成像装置的可调多通带滤波器的传输特性的示例。在该示例中，多通带滤波器包括可倾斜法布里珀罗干涉仪，其包括针对750nm优化的五层TiO2-SiO2介电布拉格反射镜。图3a示出了具有0度倾斜角的随纳米级波长变化的传输特性曲线图300a，并且图3b示出了具有30度的倾角的随纳米级波长变化的传输特性曲线图300b。
图4示出了根据本发明实施例的用于高光谱成像的方法流程图。在步骤410，对待成像的目标10进行照明。在一个实施例中，照明由如此前参考图1a和图1b所描述的发光二极管的阵列110a、110b提供。在另一实施例中，环境光足以照亮目标。
在420处，多通带滤波器150a、150b、250、255，例如FPI，被被调节以提供所需的传输特性，以便在成像传感器170、270处接收所需的波长，从而在430处提供高光谱图像原始数据。在步骤440，从来自RGB图像传感器或单色图像传感器的原始图像数据中计算高光谱数据立方体。在一个实施例中，例如使用针对高光谱成像装置执行的校准来执行计算，如US8130380B2中所描述的那样。
在不以任何方式限制以下权利要求的范围，且在不以任何方式解释或应用以下权利要求的情况下，本文此处公开的一个或多个示例实施例的技术效果是提供低成本的高光谱成像装置。此处公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是提供一种适用于诸如智能手机相机成像传感器的普通成像传感器的装置。本文公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是提供在环境光中具有足够光谱带的高光谱成像。
尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面在权利要求中明确阐述，包括来自所描述的实施例和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的组合，并且不仅仅是权利要求中阐述的组合。
在此还应注意，虽然前面描述了本发明的示例实施例，但是这些描述不应被视为具有限制意义。相反，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行若干变化和修改。

Claims (7)

1.一种高光谱成像装置，包括：
成像传感器（170、270）；
带通滤波器元件（130、230）：
至少一个成像光学元件（120、160、220、260），被配置为在所述成像传感器（170、270）上形成图像；以及
第一可调多通带滤波器（150a、255）和第二可调多通带滤波器（150b、250）；其特征在于，所述第一可调多通带滤波器（150a、255）和所述第二可调多通带滤波器（150b、250）被连续地定位在光路上；并且其特征在于
所述第一可调多通带滤波器（150a）和所述第二可调多通带滤波器（150b）中的至少一个被配置为通过倾斜来调节；
其中所述第一多通带滤波器（150a）包括第一可调法布里-珀罗干涉仪和所述第二多通带滤波器（150b）包括第二可调法布里-珀罗干涉仪，并且所述第一可调法布里-珀罗干涉仪和所述第二可调法布里-珀罗干涉仪均被配置为具有固定间隙并且通过在相反方向上以相同角度倾斜来调整。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括发光二极管的阵列（110a、110b），被配置为对待成像的目标（10）进行照明；每个发光二极管具有与其他发光二极管不同的波长。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述带通滤波器元件（130、230）包括短通滤波器和长通滤波器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述带通滤波器元件（130、230）被配置为使360nm至1100nm或450nm至850nm的预定波长范围通过。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述成像传感器（170、270）包括单色图像传感器或RGB图像传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述成像传感器（170、270）被包括在便携式电子设备中。
7.一种高光谱成像方法，包括：
利用成像传感器（170、270）提供图像；
调节第一可调多通带滤波器（150a、255）和第二可调多通带滤波器（150b、250）以提供所需的传输特性，以便在所述成像传感器（170、270）处接收所需的波长；其中
所述第一可调多通带滤波器（150a、255）和所述第二可调多通带滤波器（150b、250）被连续地定位在光路上；并且其中
所述第一可调多通带滤波器（150a）和所述第二可调多通带滤波器（150b）中的至少一个被配置为通过倾斜来调节；以及
所述第一多通带滤波器（150a）包括第一可调法布里-珀罗干涉仪和所述第二多通带滤波器（150b）包括第二可调法布里-珀罗干涉仪，并且所述第一可调法布里-珀罗干涉仪和所述第二可调法布里-珀罗干涉仪均被配置为具有固定间隙并且通过在相反方向上以相同角度倾斜来调整。
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