CN111829656A - 一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统 - Google Patents

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李硕
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Abstract

本发明公开了一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，包括狭缝调节模组、成像光谱模组、电动旋转台三个部分；狭缝调节模组通过二维精密调节狭缝位置使狭缝位于成像光谱系统旋转中心以避免偏心旋转造成的图谱畸变；成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射或发射光线进行衍射分光，由感光芯片接收分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组旋转，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和光谱信息。本发明通过引入狭缝调节模组，可以精密调整狭缝位置使其位于成像光谱系统旋转中心以校正偏心旋转所造成的图像畸变，较为优良地改善旋转图谱仪的成像效果。并且设计的狭缝宽度随旋转半径增大，可以最大程度地减少较大旋转半径下，由补偿插值所带来的图像失真。

Description

一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统
技术领域
本发明涉及一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统。
背景技术
目前，成像光谱仪以多通道光谱技术为基础，集光学成像和光谱测量为一体，可以同时获取目标的图像信息和对应的光谱信息。成像光谱仪能够对物质的结构和成分进行分析、测量和处理，具有分析精度高、测量范围广等优点，广泛应用于石油、材料、农学、地质勘探、生物化学、医药卫生、环境保护、安全检测等领域。旋转成像光谱仪集成了推扫式成像光谱仪的高空间及光谱分辨率的优点，并且同轴旋转的方式可避免推扫式高光谱成像方式所需较大推扫空间的不足，对待测物体实现较快扫描成像。
文献‘Cai, F., et al., The design and implementation of portablerotational scanning imaging spectrometer. OPTICS COMMUNICATIONS, 2020. 459(125016)’一文中引入了一种旋转扫描成像光谱仪。但是观察其扫描成像结果不甚理想，甚至有较大畸变，如图1（a）所示。其原因之一在于系统装调过程中，狭缝的位置通常不在系统旋转中心，旋转扫描成像结果将会产生较大畸变。因此，本发明确定狭缝偏移量和精密调节狭缝位置并引入狭缝调节模组以调整狭缝使其位于成像光谱系统旋转中心，对旋转式图谱仪非常重要。另外，本发明的旋转扫描式成像光谱系统在扫描过程中，成像镜头、分光元件和感光设备跟随旋转平台共同移动，与该文献仅仅旋转镜头和分光元件的半旋转式的工作方式相比，可避免狭缝相对感光芯片的位置变动，其稳定性更好，图像拼接算法更加简单。
确定狭缝偏移量和精密调节狭缝位置，对旋转式图谱仪非常重要。我们设计的图谱仪，通过精密调节台和图像算法，解决该难题，从而完整精确的对待测物体扫描成像。
并且研究旋转成像结果后发现，靠近旋转中心部分，采样数量（即探测信息）较为充足甚至重叠，如图2所示；而随着旋转半径的增大，探测信息会越来越少甚至丢失，这就意味着后期图像恢复需要插值补偿，造成所探测图像信息的失真。
发明内容
为了克服现上述现有技术的不足，本发明提供一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，该系统通过引入狭缝调节模组，可以调整狭缝使其位于成像光谱系统旋转中心以校正偏心旋转所造成的图像畸变，较为优良地改善旋转图谱仪的成像效果，且设计的狭缝宽度随旋转半径增大，可以最大程度地减少较大旋转半径下，由补偿插值所带来的图像失真。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统包括狭缝调节模组、成像光谱模组、电动旋转台三个部分。狭缝调节模组通过二维精密调节狭缝位置使狭缝位于成像光谱系统旋转中心以避免偏心旋转造成的图谱畸变；成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射或发射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组旋转，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和一维光谱信息。本系统通过引入狭缝调节模组，可以精密调整狭缝位置使其位于成像光谱系统旋转中心，以校正偏心旋转所造成的图像畸变，较为优良地改善旋转图谱仪的成像效果。并且设计的狭缝宽度在较大半径处随旋转半径增大而缓慢增大，可以最大程度地减少较大旋转半径下，由补偿插值所带来的图像失真。克服了传统型旋转光谱成像扫描图像畸变失真的明显局限性。
一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统对待测物进行探测时，通过不断精密调节狭缝位置，并观察旋转扫描成像效果畸变是否改良，直至狭缝位于成像光谱系统旋转中心，无偏心旋转所造成的图谱畸变。
所述的一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统对待测物进行探测时，狭缝调节模组包括狭缝、二维精密位移调节器，其中狭缝安装于二维精密位移调节器中。
所述的狭缝调节模组中的狭缝，其特征在于，所述的狭缝宽度随旋转半径的增大而增大，如图3所示。
所述的电动旋转台可使得安装在该旋转台上的系统（狭缝调节模组、成像光谱模组）绕轴转动。
所述的成像光谱模组由成像镜头、狭缝、透镜组、光楔、光栅五种元件所组成。
本发明的有益效果是，引入狭缝调节模组，可以精密调整狭缝位置，使其位于成像光谱系统旋转中心，以校正偏心旋转所造成的图像畸变，以极大地改良旋转图谱仪的成像效果。并且设计的狭缝宽度在较大半径处随旋转半径增大而缓慢增大，可以最大程度地减少较大旋转半径下，由补偿插值所带来的图像失真。克服了传统型旋转光谱成像扫描图像畸变失真的明显局限性。
附图说明
图1为（a）狭缝偏离中心所导致扫描成像畸变（b）探测物原图；
图2为系统旋转时狭缝处示意图；
图3位定制狭缝示意图；
图4为旋转扫描示意图；
图5为重建算法效果图；
图6为基于可精确调节狭缝的旋转成像效果图；
图7为一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统的实施例1的示意图：
图中，狭缝调节模组1、成像光谱模组2、电动旋转平台3、成像镜头4、狭缝5、二维精密调整器6、第一透镜组7-1、第二透镜组7-2、第一光楔8-1、第二光楔8-2、光栅9、感光芯片10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统包括狭缝调节模组、成像光谱模组、电动旋转台三个部分。狭缝调节模组通过二维精密调节狭缝位置使狭缝位于成像光谱系统旋转中心以避免偏心旋转造成的图谱畸变，且设计的狭缝宽度在较大半径处随旋转半径增大而缓慢增大，可以最大程度地减少较大旋转半径下，由补偿插值所带来的图像失真。成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射或发射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组旋转，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和光谱信息。
如图1所示，狭缝调节模组1由狭缝5、二维精密调整器6所组成。成像光谱模组2由成像镜头4、狭缝5、第一透镜组7-1、第二透镜组7-2、第一光楔8-1、第二光楔8-2、光栅9、感光芯片10所组成。待测物体线性区域所对应图像经过成像镜头4后，成像于狭缝5位置。像面光经过狭缝5后，由第一透镜组7-1准直，依次经过第一光楔8-1、光栅9、第二光楔8-2，再由第二透镜组7-2聚焦于感光芯片10处。电动旋转台3，中间开孔可使得安装在该旋转台上的系统绕轴转动。在扫描过程中，电动旋转台3控制成像光谱模组2与狭缝调节模组1一起沿系统法线方向旋转，从而实现绕轴转动扫描成像。
狭缝调整过程：
使用二维精密调整器6初步调整狭缝5的位置，电动旋转平台3旋转一周采集光谱。由于最初狭缝的中心不处于旋转轴的中心即旋转中心，因此可以用径向位移和切向位移，描述扫描线中心和旋转中心的空间位置偏移。因此，如图4所示，扫描线可以被旋转中心划分为扫描长臂和扫描短臂，扫描长臂扫过的范围是长臂扫描范围。对于任意点P而言，当其被扫描长臂扫过的时候，扫描长臂对应的位置是R_long，扫描长臂对应的角度为theta_long。所以在用旋转扫描图像拼接的过程中，需要额外设置图像切向位移和图像径向位移，以避免合成图像产生畸变。加入图像切向位移和图像径向位移后，如图所示可以通过以下公式将图像上的点和采集光谱数据的角度和位置对应上。
Figure 982723DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 493339DEST_PATH_IMAGE002
(2)
其中，
Figure 476339DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 700909DEST_PATH_IMAGE004
是图像上点P对应的极坐标的距离和角度。
Figure 108756DEST_PATH_IMAGE005
是采集到数据对应的长臂位置，Roffset 是径向位移，
Figure 134481DEST_PATH_IMAGE006
是采集数据时长臂转动的角度。如图4所示，可以根据
Figure 994990DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 521786DEST_PATH_IMAGE006
将点P对应到采集到的数据矩阵中。
而每个点均可以分别由扫描长臂和扫描短臂对应到数据矩阵中，通过比较扫描长臂和扫描短臂拼接图像的相似性，来确定最佳的图像切向位移和图像径向位移。如图5所示，左图的水平轴分别是切向位移和径向位移，竖直轴是用相关系数表示的相似度。在相似度最高的条件下，拼接的图像如右图。
但添加图像切向位移和图像径向位移后，合成的图像中部存在无效缺失区域，如图5所示。从物理成像角度而言，由于狭缝中心和旋转中心不重合，导致中心缺失区域没有被扫描到，这也凸显出了狭缝位于旋转中心的重要性。
我们根据之前确定的最佳图像切向位移和图像径向位移，再次通过二维精密调整器6调整狭缝5的位置，并再次旋转电动旋转平台3一周以采集光谱。由于算法中的图像切向位移和图像径向位移，都已经通过调整狭缝的空间位置而补偿好。因此，不需要设置图像切向位移和图像径向位移，重新合成的图像不存在变形，亦不存在中心缺失的未扫描区域，从而迅速准确且完整的得到物体的高光谱图像，如图6所示。

Claims (5)

1.一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，其特征在于，包括狭缝调节模组、成像光谱模组、电动旋转台三个部分；狭缝调节模组通过二维精密调节狭缝位置使狭缝位于成像光谱系统旋转中心以校正偏心旋转造成的图谱畸变；成像光谱模组对待测物体的狭缝对应线型区域所反射或发射光线进行衍射分光，由感光芯片拍摄分光衍射光线；电动旋转台旋转控制成像光谱模组与狭缝调节模组一起旋转以避免狭缝相对感光芯片的位置变动，对待测物体旋转扫描成像，获取待测物体的二维图像和光谱信息。
2.根据权利要求2所述的一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，其特征在于，所述的狭缝调节模组包括狭缝、二维精密位移调节器，其中狭缝安装于二维精密位移调节器中。
3.根据权利要求2所述的狭缝调节模组中的狭缝，其特征在于，所述的狭缝宽度在较大半径处可随半径的增大而增大。
4.根据权利要求4所述的一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，其特征在于，所述的电动旋转台控制安装在该旋转台上的系统绕轴转动。
5.根据权利要求1所述的一种可精密调节狭缝位置的旋转成像光谱系统，其特征在于，所述的成像光谱模组依次包括成像镜头、狭缝、第一透镜组、第一光楔、光栅、第二光楔、第二透镜组及感光芯片。
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