CN111006766A - 便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪和成像方法 - Google Patents

Abstract

为解决现有快照型偏振光谱成像仪体积大、复原算法复杂的问题，本发明提供了一种便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪和成像方法。便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪包括沿同一光路依次设置的透镜阵列、多波段与偏振滤光器、中继成像耦合透镜和焦面探测器；透镜阵列由m×n个透镜构成，m≥3，n≥3；不同透镜所成的像不交叠；多波段与偏振滤光器为由P个不同谱段的光谱滤光片/膜和Q个不同角度的偏振滤光片/膜构成的滤光片/膜阵列，P+Q＝m×n，Q＝3或4；Q个偏振滤光片与透镜阵列中的任意Q个透镜一一对应，P个光谱滤光片与透镜阵列中的其余m×n‑Q个透镜一一对应；中继成像耦合透镜用于将透镜阵列成的像耦合到焦面探测器上。

Description

便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪和成像方法

技术领域

本发明涉及一种多光谱成像仪，具体涉及一种便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪和成像方法。

背景技术

偏振光谱成像仪即在相机的基础上加入偏振信息与光谱信息，它既能得到普通相机同样的空间信息，又能得到普通相机所得不到的光谱信息与偏振信息，它所得到的最终数据是一个三维的数据立方体，其中两维是空间信息，一维是光谱信息与偏振信息。

传统的偏振光谱成像仪，为了得到物体的包含偏振信息与光谱信息的全部光学信息，需要进行时间调制或空间推扫，因而对于运动的物体很难进行偏振光谱成像。

快照型偏振光谱成像仪既不需要空间扫描，也不需要时间扫描，非常适用于瞬间现象和运动物体的偏振光谱成像。目前公开的快照型偏振光谱成像仪有编码孔径偏振光谱成像仪、层析偏振光谱成像仪、通道型偏振光谱成像仪等，这些光谱成像仪普遍存在的缺点是体积较大，复原算法复杂。

发明内容

为了解决现有的快照型偏振光谱成像仪体积较大、复原算法复杂的技术问题，本发明提供了一种便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪和成像方法。

本发明的技术解决方案：

便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，包括焦面探测器；其特殊之处在于：还包括沿同一光路依次设置在焦面探测器前端的透镜阵列、多波段与偏振滤光器、中继成像耦合透镜；

透镜阵列由m×n个透镜构成，m≥3，n≥3；每个透镜均能对目标成像，且不同透镜所成的像不交叠；

多波段与偏振滤光器为由P个不同谱段的光谱滤光片/膜和Q个不同角度的偏振滤光片/膜构成的滤光片/膜阵列，P+Q＝m×n，Q＝3或4；Q个偏振滤光片与透镜阵列中的任意Q个透镜一一对应匹配，P个光谱滤光片与透镜阵列中的其余m×n-Q个透镜一一对应匹配；

中继成像耦合透镜用于将所述透镜阵列所成的像耦合到焦面探测器上。

进一步地，所述透镜的两端端面均为平面。

进一步地，所述Q＝3时，Q个偏振滤光片分别为0°、60°和120°偏振滤光片。

进一步地，所述Q＝4时，Q个偏振滤光片分别为0°、45°、90°和135°偏振滤光片。

进一步地，所述透镜采用自聚焦透镜。

本发明还提供了一种基于上述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)利用透镜阵列对目标物体成像；

2)多波段与偏振滤光器将透镜阵列所成的像进行光谱滤光和偏振滤光，得到目标物体的P张单波段图像和Q张单偏振角度图像；

3)中继成像耦合透镜将所述P张单波段图像和Q张单偏振角度图像耦合至焦面探测器上；

4)利用焦面探测器采集所述单波段图像和单偏振角度图像；

5)图像复原：

5.1)将P张单波段图像和Q张单偏振角度图像与其对应的像元的空间位置匹配；

5.2)提取P张单波段图像进行谱段堆叠，合成谱段数为P的三维光谱数据立方体；

5.3)将Q张单偏振角度图像直接输出，或者经计算同时输出灰度值图像、线偏振度图像以及线偏振角图像。

本发明的有益效果：

1)一次成像即可得到物体的数据立方体

本发明采用透镜阵列，运用孔径复用原理，一次采集就能得到物体的数据立方体，可以对运动物体和瞬间现象光谱成像与偏振成像，扩大了偏振多光谱成像仪的应用范围。

2)结构紧凑

本发明中多波段与偏振滤光器兼具光谱调制器和偏振调制器的功能，集成度更高，无色散光学器件、旋转滤光轮器件或其他机械运动部件，体积和重量极大减小，从而将实验室的实验仪器转变为便携式的手持仪器，扩大了偏振光谱成像仪的应用场景，从而使偏振光谱成像技术的应用更为简便。

3)复原算法简单

本发明经一次采集即可得到物体的单波段和单角度偏振图像，将这些图像进行简单的图像匹配处理、高光谱数据堆叠、偏振图像灰度图、线偏振度图、线偏振角图计算处理，即可获取目标的三维光谱数据立方体与偏振数据，从而获取了目标的偏振高光谱数据，复原算法为数据处理通用算法，无复杂计算，算法更简单。

4)本发明中透镜阵列采用透镜构成，成本低，成像效果好，而且透镜的两端端面都是平的，这样便于多波段与偏振滤光器的进一步加工。

5)易于加工，利于产业化

较之传统快照型偏振光谱成像仪，本发明各最小单元的光学元件可采用成熟元器件，加工制造比较容易，成体低，利于实现产业化。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明中透镜阵列实施例的结构示意图。

图3是本发明中透镜阵列实施例的成像示意图。

图4是本发明中多波段与偏振滤光器示意图。

图5是本发明的应用示意图，(a)是普通照相机照相得到的图片，(b)是用本发明观测得到的图片。

附图标记说明：

1-透镜阵列，11-透镜，2-中继成像耦合透镜，3-多波段与偏振滤光器，4-焦面探测器。

具体实施方式

参见图1，本发明的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪是在普通相机的基础上做的改进，具体是在普通相机的焦面探测器4之前增加了沿同一光路依次设置的透镜阵列1、多波段与偏振滤光器3、中继成像耦合透镜2，从而在一次成像的过程中同时获得目标的空间信息、光谱信息和偏振信息。

透镜阵列1作为空间调制器，由m×n个透镜11构成，m≥3，n≥3，m和n由目标物尺寸和探测器4的尺寸确定；每个透镜11都可作为单透镜单独成像，因此每个透镜都可将目标成像在焦面探测器4上，这样一次成像的过程中，在焦面探测器4上即可得到m×n个目标像。

如图2所示，本实施例中透镜阵列1由3×4(即3行4列)个透镜11组成，对目标进行一次成像的过程中，在焦面探测器4上即可得到12个目标像，如图3所示，图3仅示出了其中一行透镜11所成的4个目标像作为示例。

由于透镜11自身直径很小(通常只有1.5mm)，而且透镜11是梯度折射率透镜，因此其焦距也很短，几乎是在透镜11的端面成像，因此，本发明在透镜阵列1后设置了一个中继成像耦合透镜2，并且调整使得透镜阵列1位于中继成像耦合透镜2的物面上，焦面探测器4位于中继成像耦合透镜2的像面上，从而将透镜11构成的透镜阵列1所成的像耦合到焦面探测器4上。若要保证每个透镜11在焦面探测器4上所成的目标像无交叠，则需要根据焦面探测器4的焦面大小和透镜阵列1所成像大小，确定物像关系后，再确定中继成像耦合透镜2的焦距，从而确定中继耦合成像透镜2到焦面探测器4的焦面以及到透镜阵列1的距离。

多波段与偏振滤光器3是本发明的核心器件之一，由P个不同谱段的光谱滤光片和Q个不同角度的偏振滤光片构成，P+Q＝m×n，Q＝3或4；多波段与偏振滤光器3兼具光谱调制器和偏振调制器的功能:作为光谱调制器，可以对所成的空间像进行滤光；作为偏振调制器，可以对所成的空间进行偏振滤光；

Q＝3时，Q个偏振滤光片可以为典型的三个角度的偏振片(0°，60°，120°)，或者其他角度组合的三块偏振片；

Q＝4时，Q个偏振滤光片可以为典型的四个角度的偏振片(0°，45°，90°，135°)，或者其他角度组合的四块偏振片；

Q个偏振滤光片与透镜阵列1中的任意Q个透镜11一一对应匹配，P个光谱滤光片与透镜阵列1中的其余m×n-Q个透镜11一一对应匹配。

多波段与偏振滤光器3的加工有两种方式：

(1)直接在透镜阵列1的端面镀膜，受限于透镜材料，工艺上较难实现。

(2)将滤光片切割成与透镜11大小、形状相匹配的尺寸，然后拼接成滤光片阵列，设置在透镜阵列1的后端。

如图2所示，本实施例中，P＝8，Q＝4；如图4所示，其中8个小方块P1-P8分别代表8个谱段的光谱滤光片，其余4个小方块Q1-Q4分别代表4个角度(0°，45°，90°，135°)的偏振片。

本发明的原理：

物体经过透镜阵列1的透镜11单独成像后，经过与每一个透镜11相匹配的滤光片，其中，经过光谱滤光片会形成物体的单波段图像，经过偏振滤光片会形成单偏振角度图像；

然后，通过中继成像耦合透镜2，将同一景物每个波段的单波段图像与每个角度偏振的单偏振角度图像同时成像在焦面探测器4上，将P张单波段图像和Q张单偏振角度图像与其对应的像元的空间位置匹配；提取P张单波段图像进行谱段堆叠，合成谱段数为P的三维光谱数据立方体；将Q张单偏振角度图像直接输出，或者经计算同时输出灰度值图像、线偏振度图像以及线偏振角图像。

上述图像与空间位置匹配的算法、谱段堆叠算法、偏振图像灰度值、线偏振度和线偏振角计算均为现有数据处理已经公开的通用算法。这样，只需要一次采集，就可以既不需要空间扫描，也不需要时间扫描，可应用于瞬间物体和运动物体的偏振光谱成像。

附图5演示了本发明的其中一种应用，图5中(a)是普通照相机照相得到的图片，图5中(b)是用本发明观测得到的图片，从而可以进行笔迹鉴定。

Claims (6)

1.便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，包括焦面探测器(4)；其特征在于：还包括沿同一光路依次设置在焦面探测器(4)前端的透镜阵列(1)、多波段与偏振滤光器(3)、中继成像耦合透镜(2)；

透镜阵列(1)由m×n个透镜(11)构成，m≥3，n≥3；每个透镜(11)均能对目标成像，且不同透镜(11)所成的像不交叠；

多波段与偏振滤光器(3)为由P个不同谱段的光谱滤光片/膜和Q个不同角度的偏振滤光片/膜构成的滤光片/膜阵列，P+Q＝m×n，Q＝3或4；Q个偏振滤光片与透镜阵列(1)中的任意Q个透镜(11)一一对应匹配，P个光谱滤光片与透镜阵列(1)中的其余m×n-Q个透镜(11)一一对应匹配；

中继成像耦合透镜(2)用于将所述透镜阵列(1)所成的像耦合到焦面探测器(4)上。

2.根据权利要求1所述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，其特征在于：所述透镜(11)的两端端面均为平面。

3.根据权利要求1或2所述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，其特征在于：所述Q＝3时，Q个偏振滤光片分别为0°、60°和120°偏振滤光片。

4.根据权利要求1或2所述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，其特征在于：所述Q＝4时，Q个偏振滤光片分别为0°、45°、90°和135°偏振滤光片。

5.根据权利要求1或2所述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪，其特征在于：所述透镜(11)采用自聚焦透镜。

6.基于权利要求1-5任一所述的便携式快照型阵列偏振多光谱成像仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用透镜阵列(1)对目标物体成像；

2)多波段与偏振滤光器(3)将透镜阵列(1)所成的像进行光谱滤光和偏振滤光，得到目标物体的P张单波段图像和Q张单偏振角度图像；

3)中继成像耦合透镜(2)将所述P张单波段图像和Q张单偏振角度图像耦合至焦面探测器(4)上；

4)利用焦面探测器(4)采集所述单波段图像和单偏振角度图像；

5)图像复原：

5.1)将P张单波段图像和Q张单偏振角度图像与其对应的像元的空间位置匹配；

5.2)提取P张单波段图像进行谱段堆叠，合成谱段数为P的三维光谱数据立方体；

5.3)将Q张单偏振角度图像直接输出，或者经计算同时输出灰度值图像、线偏振度图像以及线偏振角图像。

Images