CN109839190B - 一种快照式高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

一种快照式高光谱成像装置，由沿入射光向依次设置的平凸镜、微距镜片、二维光栅、5mm超广角镜头、工业CCD相机组成，光依次进入所述的平凸镜、微距镜片、二维光栅、5mm超广角镜头和工业CCD相机，工业CCD相机采集到的图像还可以由数据采集处理系统进行进一步的处理、提取和分析。本发明的成像装置的光路不需要设置专门的视场光阑来限制成像，光通量大，空间分辨率高，提高了光谱成像的质量和速度，简化了装置的结构。

Description

一种快照式高光谱成像装置

技术领域

本发明涉及光学遥感探测领域的光谱成像仪，具体涉及一种快照式高光谱成像装置。

背景技术

光谱成像仪器要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有:推扫式(Pushbroom)、滤镜式(凝视式)、傅里叶式、以及快照式(Snapshot)。

1.推扫式。其成像原理为：为了获得空间二维图像通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪。推扫式的优点在于：光谱分辨率高、采样率高，光路实现较容易，成本低。推扫式的缺点在于：速度慢，对采集要求较高(只可静态成像)，对焦难，有可移动部件。

2.滤镜式。其成像原理为：滤镜式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。滤镜式的优点在于：实现较容易，面成像，成本低。滤镜式的缺点在于：精度低，带宽大，存在外部控制器件。

3.傅里叶式。其成像原理为：通过探测目标的干涉图并利用傅里叶变换计算获得光谱信息。傅里叶式的优点在于：面成像，精度高，分辨率高，光通量大，在弱辐射探测方面有优势。傅里叶式的缺点在于：成本高，不容易实现，有可移动部件，一般只适合于探测长波段。

4.快照式。其成像原理为：计算机断层扫描图像光谱仪使用光栅光谱层析法借助透射光栅的色散和衍射效应,产生图像立方体的断层投影序列，然后通过求解欠定线性系统来恢复光谱。快照式的优点在于：专为需要非常短的采集时间的应用而开发，可以避免任何光机械组件，仅需要简单的光学路径，并将所有信息记录在一个图像中。快照式普遍存在的缺点是体积较大，复原算法复杂。

本发明旨在提出一种快照式高光谱成像装置，该装置具有高达1.56nm的光谱分辨率和п×180×180约100000的空间分辨率。

现有技术有很多快照式光谱探测组件，例如：

文献1：CN103592029B

文献2：“Practical Spectral Photography”，选自2012/P.Cignoni,T.Ertl第31卷(2012)，第2期

文献3：CN102944305A

以文献1为例，文献1公开了一种快照式计算层析成像全偏振高光谱探测装置，其技术方案为：装置由沿入射光向依次设置的前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、双偏振片、面阵探测器和数据采集处理系统组成；二维空间目标发出的光依次进入所述前置光学镜组、视场光阑、准直镜组、二维偏振光栅、成像镜组、偏振阵列，最终到达面阵探测器，数据采集处理系统控制面阵探测器快照一帧图像得到各偏振分量对应的高光谱图像的分布信息，然后数据采集处理系统提取和处理该帧图像数据得到被测二维目标的空间形貌、一维高光谱、全Stokes偏振参数三方面的信息。

通过分析可知，文献1的技术方案仍然存在以下缺陷：

(1)采用二维偏振光栅来获得偏振信息和光谱信息，但由于偏振光栅的性质，最终在探测器上成像时只能获得四个一级图像的光谱信息，不存在0级图像也没有四角的一级图像。这样既得不到目标物的空间位置信息，也得不到好的光谱数据信息。

(2)视场光阑在系统中起到限制图像大小和控制杂散光的作用，但会减小光路的成像面积进而影响成像效果，对于文献1中的系统如果没有视场光阑将无法在探测器上获得独立的一级图像，因而损失一部分成像精度。

发明内容

本发明为了现有技术中快照式全偏振高光谱探测装置出现的种种缺陷，现提出一种全新的快照式高光谱成像装置。

本发明的技术方案为：

一种快照式高光谱成像装置，其特征在于，包括：

由沿入射方向依次设置的成像镜头、准直镜头、分光元件、重新成像镜头和图像探测器构成。

进一步地，所述成像镜头为单个平凸镜；所述准直镜头为微距透镜；所述分光元件为二维衍射光栅；所述重新成像镜头为广角镜头；所述图像探测器为工业CCD相机。

进一步地，所述平凸镜为一片材质为K9的平凸镜片；所述微距透镜为一片+10屈光度，焦距为100mm的微距透镜；所述二维衍射光栅由两片完全相同的一维闪耀光栅正交放置构成；所述广角镜头采用5mm超广角镜头。

进一步地，所述平凸镜采用焦距160mm、直径100mm的平凸镜，在与拍摄物的距离150mm处拍摄，拍摄到面积为п×35mm×35mm的清晰图像；所述微距透镜位于所述二维衍射光栅与所述成像物镜中间，且与所述二维衍射光栅之间保证最小170mm的距离，以保证拍摄图像的零级模式与一级模式不重叠；所述广角镜头安装在所述工业CCD相机上并紧贴所述二维衍射光栅放置，从而直接接收光栅衍射后的光斑，实现最佳成像效果。

进一步地，所述分光元件选用以超白玻璃作为基底材质的玻璃光栅。

进一步地，所述工业CCD相机的像素不低于500万像素和/或所述工业CCD相机采用可见光波段的黑白CCD相机。

对比现有技术中存在的缺点和不足，采用了本发明技术方案的快照式高光谱成像装置，可以达到以下有益的技术效果：

(1)采用高质量的光栅以及高通量的光路设置，不仅获得了清晰的0级图像还有8个方向上的一级图像，而0级图像可以用于直观的观察和确定目标的空间信息，四角方向的一级图像对于重建出的光谱图像数据的精度起着非常重要的作用，因此本发明的光谱成像质量远高于文献1中的结果。

(2)不需要外加视场光阑来限制成像，由于系统中位置关系和元件选择的整体适配我们可以将完整的0级和8个方向上的1级图像成像在探测器像面上，而外加视场光阑会限制本发明的成像范围对本发明技术方案的拍摄效果起到相悖的作用，因此本发明的技术方案不需要设置专门视场光阑来进行成像，简化了装置结构。

附图说明

图1为快照式高光谱成像装置结构示意图；

图2为平凸镜一实例的结构图；

图3为微距镜片一实例的结构图；

图4为衍射光栅一实例的结构图；

图5为广角镜头一实例的结构图；

图6为工业CCD相机一实例的结构图；

图7为光路设计一实例的结构图；

图8为现有技术中50mm/1：1.8镜头内部结构示意图；

图9为本发明中单个平凸镜片结构示意图；

图10为现有装置实际拍摄效果图；

图11为现有装置在光强增大10倍后的实际拍摄效果图；

图12为本发明装置拍摄的实际成像效果图。

具体实施方式

本发明的快照式高光谱成像装置结构示意图如图1所示。装置由沿入射光向依次设置的平凸镜1、微距镜片2、二维光栅3、5mm超广角镜头4、工业CCD相机5组成，光依次进入所述的平凸镜1、微距镜片2、二维光栅3、5mm超广角镜头4和工业CCD相机5，工业CCD相机5采集到的图像还可以由数据采集处理系统(图中未示出)进行进一步的处理、提取和分析。

对于平凸镜1，可以采用如图2所示的一实物实例。一片材质为K9的平凸镜片组成装置物镜，作为成像镜头。K9水晶也叫K9玻璃(也可以泛指以K9料制成的玻璃制品)属于光学玻璃，主要用于光学镀膜等领域。透光度、折光效果、硬度和质感远高于树脂料。K9的组成如下：

SiO2＝69.13％B2O3＝10.75％BaO＝3.07％Na2O＝10.40％K2O＝6.29％As2O3＝0.36％

它的光学常数为：折射率＝1.51630色散＝0.00806阿贝数＝64.06

表1所示为镜片选型一实施例，而非限制。选择K9材质的平凸镜作为成像镜头，光通过镜片后不会产生较多光的损失，折射，色散等，并且直径100mm的大口径的保证了视场和光通量，使得光路的光强不会受限，且镜片的重量轻，成本低。

直径(mm)	焦距(mm)	背焦(mm)	半径(mm)	中心厚度(mm)	边厚(mm)
						100.0	160.0	146.253	82.62	20.85	4.00

表1

对于微距透镜2，可以采用如图3所示的一实物实例。成像镜后由一片+10屈光度(焦距为100mm)的10倍微距镜片作为准直镜头，因为它重量轻并且不限制有效的准直孔径。

对于衍射光栅3，可以采用如图4所示的一实物实例。可以采用二维衍射光栅，其由两片完全相同的一维闪耀光栅正交放置构成，其作为分光元件位于微距镜片与超广角镜头之间。分光元件也选用超白玻璃作为基底的光栅，保证了衍射光的强度。表2所示为衍射光栅参数一实施例，而非限制。

表2

对于广角镜头4，可以采用如图5所示的一实物实例。采用5mm超广角镜头作为重新成像镜头，减少了成像光谱仪的总长度，且重新成像镜头的焦距直接决定了光谱分辨率，因为它决定了传感器上的投影面积，而超广角镜头的大视场能够保证拍摄完整的大尺寸画面。表3所示为广角镜头参数一实施例，而非限制。

表3

对于工业CCD相机5，可以采用如图6所示的一实物实例。采用至少500万像素的工业CCD来采集画面，尺寸小，重量轻，像素高，保证了图像的分辨率。表4所示为CCD选取参数的一实施例，而非限制。

表4

下面，结合图7中光路设计的实物图，来说明各光路元件之间的位置关系的以实施例。

我们采用焦距160mm直径100mm的平凸镜1，在与拍摄物的距离150mm处拍摄，可以拍摄到面积为п×35mm×35mm的清晰图像。如果想改变拍摄面积，也可以更换其他焦长的镜片并调整距离以达到拍摄目的。微距镜片2位于二维衍射光栅3与成像物镜中间且与光栅之间至少170mm的距离，以保证拍摄图像的零级模式与一级模式不重叠。5mm超广角镜头4安装在CCD 5上并紧贴二维光栅3放置，这样可以直接接收光栅衍射后的光斑，成像效果最佳。

采用本发明的快照式高光谱成像装置，除了背景技术部分中与文献1对比具有的显著优点之外，与文献2、文献3对比技术方案显著不同，并且也都具有显著的技术进步和技术效果。

相较于文献2：

文献2用现成的照相组件便宜地构建,但每个组件仍然都可以用于其原始目的.不加任何改变直接用来构建光路,会存在参数不配适问题而导致成像效果不理想，而本发明的高光谱成像装置的光路采用了更加简单并且专业的器件来保证成像质量。

文献2中使用面积为5mm×5mm大小的方形光圈作为视场光阑，限制了整个光路的成像范围。

文献2中由50mm/1：1.8相机镜头作为成像镜头，其内部为一个五组六片的光学结构,如图8所示，镜头直径为69.2mm，滤镜尺寸49mm。而本发明的光路中使用单个100mm直径的平凸镜作为成像镜头(其结构示意图如图9所示)，通光口径增大至两倍，光通量变大，并且单镜片结构与五组六片的结构相比光线的吸收，损失和色散大大减少，最终提高了成像质量，并在大程度上降低了成本。

文献2中采用17-40mm焦距的重新成像镜头在传感器中心的一小块区域投影，以此来最大化每个像素的光强，避免了大的畸变。本发明采用了焦距5mm的超广角镜头，不但可以拍摄完整的低畸变的图像，并且可以使用传感器更大的投影区域。由于不受光强和成像面积的限制，本发明的光路中不需要设置方形狭缝来限制成像。此外，由于文献2光路的性质只能在传感器上获得较低的光强，为了重建真实光谱，反射光谱需要ISO值为50时最多8秒的曝光，然而本发明的装置光路不受光强的限制，可以在一秒钟内拍摄几十张图片用于分析。

图10、图11分别为文献2的装置在最长曝光时间8秒基础上的际拍摄效果图与光强增大10倍后的效果图；图12为本发明装置在几um的时间内拍摄的实际成像效果图，在光强很弱的衍射方向也拍摄到了完整清晰的一级图像，成像质量与成像速度都大大提高。

相较于文献3：

文献3的成像原理是：目标物发射或反射的光经过主镜和滤光片阵列调制后成像于微透镜阵列某个微透镜上，再分散到探测器的像元上形成子图像，最终通过成像光谱仪获得三维光谱图像数据立方体，是一种基于微透镜阵列的光场成像机构与滤光片阵列作为光谱调制元件，是一种多光谱成像系统。而本发明的装置采用二维光栅作为衍射元件，利用光栅的衍射和色散来进行分光从而获得构建数据立方体所需要的信息。

在成像质量方面，文献3为了避免光谱混叠造而无法提取有效光谱信息的问题，滤光片之间需要间隔排布，使得其间距满足在探测器上的成像间距至少为一个像元大小，而本发明的装置可以拍摄连续波段的光谱信息，不需要分开，成像质量更佳。

以上已将本发明作出了详细说明，惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (3)

1.一种快照式高光谱成像装置，其特征在于，包括：

由沿入射方向依次设置的成像镜头、准直镜头、分光元件、重新成像镜头和图像探测器构成；

所述成像镜头为单个平凸镜；

所述准直镜头为微距透镜；

所述分光元件为二维衍射光栅；

所述重新成像镜头为广角镜头；

所述图像探测器为工业CCD相机；

所述平凸镜为材质为K9水晶的平凸镜片；

所述微距透镜为一片+10屈光度，焦距为100mm的微距透镜；

所述二维衍射光栅由两片完全相同的一维闪耀光栅正交放置构成；

所述广角镜头采用5mm超广角镜头；

所述平凸镜采用焦距160mm、直径100mm的平凸镜，在与拍摄物距离150mm处拍摄到面积为п×35mm×35mm的清晰图像；

所述微距透镜位于所述二维衍射光栅与所述成像镜头中间，且与所述二维衍射光栅之间保证最小170mm的距离，以保证拍摄图像的零级模式与一级模式不重叠；

所述广角镜头安装在所述工业CCD相机上并紧贴所述二维衍射光栅放置，从而直接接收光栅衍射后的光斑，实现最佳成像效果；

所述成像装置不设置单独的视场光阑部件。

2.根据权利要求1所述的快照式高光谱成像装置，其特征在于：

所述分光元件选用以超白玻璃作为基底材质的玻璃光栅。

3.根据权利要求1所述的快照式高光谱成像装置，其特征在于：

所述工业CCD相机的像素不低于500万像素，且所述工业CCD相机采用可见光波段的黑白CCD相机。

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