CN112964360B - 高光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种保留了所有入射光能量，提高了光谱的分辨率的高光谱成像装置。本发明提供的高光谱成像装置，包括：扫描单元得到目标的系列图像；光电探测单元对系列图像进行调制并光电转换生成图像数据；光谱处理单元，用于对相应信号进行计算处理，得到物点的光谱分布信息，并对目标的所有物点进行处理，得到目标的高光谱图像，其中，光电探测单元的像元的光电响应受到调制，使得光电探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线，扫描单元包括对辐射光进行调谐的可调谐滤波器，可调谐滤波器具有可旋转的旋转滤光片，旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，可调谐滤波器的波长调谐公式为
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种高光谱成像装置。
背景技术
现有的高光谱相机扫描二维图像的行信息获取目标的光谱信息，而后根据获得的光谱信息生成对应的高光谱图像，对高光谱图像进行识别从而完成目标识别，但是高光谱相机采用的光栅会影响图像的分辨率，且高光谱相机的光程变化小，无法大范围采集光谱图像，致使提高从高光谱图像中捕捉与待测物体相关的详细光谱信息的准确率。
发明内容
因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种保留了所有入射光能量，提高了光谱的分辨率的高光谱成像装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种高光谱成像装置，包括：扫描单元，用于沿着光谱筛调制方向对目标进行扫描，得到所述目标的系列图像；光电探测单元，用于对所述系列图像进行调制并光电转换生成图像数据，所述图像数据包括对监测目标的物点在相平面上运动过程中所经历的像元信息及产生的相应信号；光谱处理单元，用于对所述相应信号进行计算处理，得到所述物点的光谱分布信息，并对所述目标的所有物点进行处理，得到所述目标的高光谱图像，其中，所述光电探测单元的像元的光电响应受到调制，使得所述光电探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线，所述扫描单元包括对所述辐射光进行调谐的可调谐滤波器，所述可调谐滤波器具有可旋转的旋转滤光片，所述旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，所述可调谐滤波器的波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。
在一个实施例中，所述可调谐滤波器包括：壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述入射光通过的透明部分；透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对所述入射光的波长变化范围；以及旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。
在一个实施例中，所述透明液体为水或硅油。
在一个实施例中，所述扫描单元包括：准直透镜，接收从目标发出的辐射光，并对所述辐射光进行准直；偏振分光件，对准直后的所述辐射光进行偏振分光；可调谐滤波器，对分光后的辐射光进行调谐，得到调谐光；汇聚透镜，对所述调谐光进行汇聚得到汇聚光。
在一个实施例中，所述光电探测单元包括阵列探测器，所述阵列探测器的像元上设置有膜层，使得所述阵列探测器的不同的像元具有一一对应的光谱透射率，让所述阵列传感器对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
在一个实施例中，所述光电探测单元包括光谱调制板，对光学系统传输后的光进行调制；阵列传感器，对调制后的所述光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息，其中，所述阵列探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
与现有技术相比，本发明的优点在于：可以拓展单一通道的工作波段范围，根据需要设置高光谱成像装置的波长变化范围在合适内的工作范围内，且保留了所有入射光能量，提高了光谱的分辨率，使得高光谱相机的光谱识别灵敏度提高，且识别设备结构简单，性能得到提高，成本得到降低。
附图说明
图1是本发明的实施例中高光谱成像装置的结构示意图；及
图2是本发明的实施例中扫描单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本申请实施例的高光谱成像装置100包括扫描单元10、光电探测单元20及光谱处理单元30。
扫描单元10用于沿着光谱筛调制方向对目标进行扫描，得到目标的系列图像。扫描单元10可以包括成像镜头以及扫描驱动部件(未在图中显示)。成像镜头可以是由透镜、反射镜或其组合等构成的。待测对象发出的辐射光被成像镜头采集并准直。成像镜头可以根据不同的需要选用不同的焦距，保证目标发出的辐射光被完全收集、准直和减小杂散光。扫描驱动部件和成像镜头一体设置，可以用于驱动成像镜头的移动。扫描驱动部件可以带动成像镜头在光学焦面的垂直方向上做横向移动完成横向扫描。在一个实施例中，扫描单元10的成像镜头包括准直透镜11、偏振分光件12、可调谐滤波器13和成像单元。
准直透镜11接收从目标发出的辐射光，并对辐射光进行准直，可以是由透镜、反射镜或其组合等构成的。
偏振分光件12对准直后的辐射光进行偏振分光。偏振分光件12可以是偏振分光棱镜。偏振分光棱镜对入射光进行偏振分光后将一束光的水平偏振和垂直偏振分开得到两束光，P光(水平偏振光)与S光(垂直偏振光)的透过率之比大于1000，同时保证P光透过率在90％以上。偏振分光棱镜具有应力小、消光比高、成像质量好、光束偏转角小等特点。波长涵盖420-1600nm区域，可用于起偏、检偏以及光强调节等。
可调谐滤波器13对分光后的辐射光进行调谐，得到调谐光。可调谐滤波器13包括壳体131、透明液体132和旋转滤光片133。
壳体131具有容纳腔，两端设置有用于让入射光通过的透明部分。壳体的两端可以全部为透明部分，也可以在与入射光的光路匹配的位置处设置为透明。
透明液体132填充在壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对入射光的波长变化范围。不同液体可以调谐不同波长波段的入射光，通过更换液体可以调整入射光的波长变化范围。透明液体可以为水、硅油等，优选硅油。因为硅油的粘度随温度变化小，所以旋转滤波片的转动受到外界温度等的影响也小，能够适应更多的应用环境。
旋转滤光片133设置在容纳腔内，通过转轴固定在壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，可调谐滤波器的波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。
窄带干涉滤光片的透射带中心波长λ0满足2ndcosθ＝mλ0，m＝1,2,···；nsinθ＝n0sinθ0，所以
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。根据
可知，随着θ0的增加，中心波长λ0减小，从而实现了中心波长的调节。θ0的变化范围是受限的，0≤θ0≤θ0m，θ0m＜π/2。对应的中心波长λ0的调节范围为
在θ0m确定的条件下，可以通过调节可调谐滤波器中的透明液体的折射率拓宽中心波长的范围。
成像单元接收沿光谱调制方向对目标进行扫描的调谐光，并根据调谐光得到目标的系列图像。
光电探测单元20用于对系列图像进行调制并光电转换生成图像数据，图像数据包括对监测目标的物点在相平面上运动过程中所经历的像元信息及产生的相应信号。光电探测单元20的像元的光电响应受到调制，使得光电探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
光电探测单元20的光电响应可以用
表示，e(i)是输出的光电响应，e(i,λ)是第i个像元与入射波长为λ的单色光一一对应的光电响应，i＝1,2,…N，N是像元数，I(λ)为入射光强，λ是入射光的波长，λ1≤λ≤λ2，λ1是输入光的最小波长，λ2是输入光的最大波长。当i1≠i2时，函数e(i1,λ)≠函数e(i2,λ)，i1,i2＝1,2,…N，e(i1,λ)是第i1个像元与入射波长为λ的单位强度的单色光对应的光电响应函数,e(i2,λ)是第i2个像元与入射波长为λ的单位强度的单色光对应的光电响应函数。
光电探测单元20可以包括光谱调制板21和阵列传感器22。
光谱调制板21对入射光进行调制。光谱调制板21的透射率不恒为0。光谱调制板21的透射率(或反射率)随空间位置和光的波长按照规定的方式变化。光谱调制板21调制的方式可以用镀膜的方式，但不局限于镀膜，还可以采用其他方式如采用离子注入、离子交换或者印刷等中的任意一种方式形成的。
当光谱调制板21采用镀膜方式制备时，光谱调制板可以通过调整镀膜的厚度调制光谱调制板的透射率(或反射率)。
阵列传感器22对光谱调制板21调制后的入射光进行响应，生成光电响应。阵列传感器22可以是常见的CMOS或CCD芯片。CMOS(或CCD)芯片设置有多个相互之间独立产生光电响应的像元221。像元221上也可设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。其中，各个像元221对接受到的光的光电响应输出为
N为像元数，I(λi)是待测光在波长λj处的强度分布。
辐射光被聚焦到阵列传感器22上，阵列传感器扑捉整个波长范围输出光电响应，一个像元对应一个图像通道，每一个通道扑捉指定波长的光。
光谱调制板和阵列传感器上的膜层均可以采用化学镀膜或物理镀膜等的方式的生成，阵列传感器中各个像元最终测得的光谱分布符合下述公式：
I(λj)＝[e(i,λj)]-1[e(i)]，
其中，e(i,λj)是第i个像元与入射波长为λj单位强度的单色光对应的光电响应，
[e(i,λj)]-1是[e(i,λj)]的逆矩阵，
e(i)是输出的光电响应。
光谱处理单元30与光电探测单元20电连接，用于对相应信号进行计算处理，得到物点的光谱分布信息，并对目标的所有物点进行处理，得到目标的高光谱图像。光谱处理单元30获取包含监测的物点在相平面上运动过程中所经历的像元及产生的相应信号的图像数据，对图像数据中的相应信号进行计算处理得到该物点的光谱分布信息。光谱处理单元30将光谱分布信息与目标进行对应存储，根据光谱分布信息生成与目标对应的高光谱图像，生成与目标的高光谱信息，即、目标的图像立方体数据。光谱处理单元30将所有物点的相应信号分别进行计算处理得到该物点的光谱分布信息，将所有物点的光谱分布信息进行整合得到与目标对应的高光谱图像。高光谱图像是根据多个像元的图像通道得到的。光谱处理单元30最终生成的高光谱图像作为一个“图像立方体”("Image Cube")存储。其中图像的两维是空间两维，由图像中的像素组成；第三维是光谱——对于每一个像素都有许多波长的采样。在传统的彩色图像中，维数的深度是3(红绿蓝)。在高光谱图像中维数等价于通道数(即、像元数)。每一个像素的采样都可以针对此像素生成一个“光谱特征”。
上述高光谱成像装置中，可以拓展单一通道的工作波段范围，根据需要设置高光谱成像装置的波长变化范围在合适的工作范围内，且保留了所有入射光能量，提高了光谱的分辨率，使得高光谱相机的光谱识别灵敏度提高，且识别设备结构简单，性能得到提高，成本得到降低。
在一个实施例中，如图2所示，扫描单元10的成像镜头可以包括准直透镜11、偏振分光件12、可调谐滤波器13和汇聚透镜14。
准直透镜11接收从目标发出的辐射光，并对辐射光进行准直，可以是由透镜、反射镜或其组合等构成的。
偏振分光件12对准直后的辐射光进行偏振分光。偏振分光件12可以是偏振分光棱镜。偏振分光棱镜对入射光进行偏振分光后将一束光的水平偏振和垂直偏振分开得到两束光，P光(水平偏振光)与S光(垂直偏振光)的透过率之比大于1000，同时保证P光透过率在90％以上。偏振分光棱镜具有应力小、消光比高、成像质量好、光束偏转角小等特点。波长涵盖420-1600nm区域，可用于起偏、检偏以及光强调节等。
可调谐滤波器13对分光后的辐射光进行调谐，得到调谐光。可调谐滤波器13包括壳体131、透明液体132和旋转滤光片133。
壳体131具有容纳腔，两端设置有用于让入射光通过的透明部分。壳体的两端可以全部为透明部分，也可以在与入射光的光路匹配的位置处设置为透明。
透明液体132填充在壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对入射光的波长变化范围。不同液体可以调谐不同波长波段的入射光，通过更换液体可以调整入射光的波长变化范围。透明液体可以为水、硅油等，优选硅油。因为硅油的粘度随温度变化小，所以旋转滤波片的转动受到外界温度等的影响也小，能够适应更多的应用环境。
旋转滤光片133设置在容纳腔内，通过转轴固定在壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，可调谐滤波器的波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。转轴可以由电机带动连续旋转，或采用手动调整。
汇聚透镜14对调谐光进行汇聚得到汇聚光。汇聚透镜14可以是凸透镜。
上述高光谱成像装置中，通过转轴带动滤光片旋转就可以改变滤光片和光束的夹角，从而改变透射光波长，结构简洁、稳定，且对结构强度要求低。
在另一实施例中，光电探测单元可以仅包括阵列传感器，该阵列传感器可以在各个像元上设置有涂层，使得各个像元的光电响应满足上述一一对应的光谱响应关系；该传感器也可以在光电探测单元的窗口上设置涂层，使得窗口下方的像元输出与一一对应的光谱响应对应的光谱信息。可以采用光学镀膜或光刻的方式在像元上生成膜层。
也可以在光电探测单元的传感器入射光进入的窗口上采用光学镀膜的方式或其他方式涂覆上透射率响应连续变化的膜层，保证其后面的不同像元具有一一对应的光谱透射率。光谱透射率函数与像元本身的光谱响应函数的乘积决定了器件的光谱响应矩阵。
不同像元与不同波长的入射光具有一一对应的光谱透射率，且不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的透射率曲线，因而不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的光电响应曲线。
上述高光谱成像装置中，光谱分辨率仅与像元数有关，像元数越高，光谱分辨率也就越高。但是光谱分辨率与像元的体积、探测器的体积关系不大，因而，获取光谱的方式也不需要复杂的光学系统。本实施例的光电探测单元结构简单，且光电探测单元中的分光器件可以仅是一个已对像元的光谱响应调制过的阵列光电探测单元，体积可以根据需要设置，且没有任何运动部件，结构牢固紧凑，制作过程也很简单。而且，在工作时每个像元都可以接收所有波长的光，并生成光电响应，所以，在同一情况下，光电探测单元可分析的光通量远高于现有设备可分析的光通量，利于对入射光中弱信号的检测分析。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种高光谱成像装置，其特征在于，包括：
扫描单元，用于沿着光谱筛调制方向对目标进行扫描，得到所述目标的系列图像；
光电探测单元，用于对所述系列图像进行调制并光电转换生成图像数据，所述图像数据包括对监测目标的物点在相平面上运动过程中所经历的像元信息及产生的相应信号；
光谱处理单元，用于对所有物点的所述相应信号分别进行计算处理，得到所述物点的光谱分布信息，并对所述目标的所有物点的光谱分布信息进行整合处理，得到所述目标的高光谱图像，
其中，所述光电探测单元的像元的光电响应受到调制，使得所述光电探测单元的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线，
所述扫描单元包括对辐射光进行调谐的可调谐滤波器，所述可调谐滤波器具有可旋转的旋转滤光片，所述旋转滤光片为窄带干涉滤光片，所述旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，所述可调谐滤波器的波长调谐公式为
m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0m是在透明液体中的入射角的最大值，
所述可调谐滤波器包括：
壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述辐射光通过的透明部分；
透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整所述辐射光的波长变化范围；以及
旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对所述辐射光进行调谐得到调谐光。
2.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述透明液体为水或硅油。
3.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述扫描单元包括：
准直透镜，接收从目标发出的辐射光，并对所述辐射光进行准直；
偏振分光件，对准直后的所述辐射光进行偏振分光；
可调谐滤波器，对分光后的辐射光进行调谐，得到调谐光；
汇聚透镜，对所述调谐光进行汇聚得到汇聚光。
4.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述光电探测单元包括阵列传感器，
所述阵列传感器的像元上设置有膜层，使得所述阵列传感器的不同的像元具有一一对应的光谱透射率，让所述阵列传感器对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
5.根据权利要求1所述的高光谱成像装置，其特征在于，所述光电探测单元包括：
光谱调制板，对光学系统传输后的光进行调制；
阵列传感器，对调制后的所述光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息，
其中，所述阵列传感器的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。
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