CN113155755A - 微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法 - Google Patents

微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法 Download PDF

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CN113155755A CN202110350345.XA CN202110350345A CN113155755A CN 113155755 A CN113155755 A CN 113155755A CN 202110350345 A CN202110350345 A CN 202110350345A CN 113155755 A CN113155755 A CN 113155755A
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Abstract

本发明公开了微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，透镜阵列型成像光谱仪获取的汞灯光谱数据，在探测器靶面上选取汞灯条件下，波长为546.075nm的图像矩阵，其中，待标定光斑矩阵为m×n。手动选取T1,1、T1,n、Tm,1这三个坐标点进行质心坐标计算，然后根据相关公式及相关规律更新波长为546.075nm、576.961nm、579.067nm这三个光斑矩阵的相关数据，该数据为汞灯546.075nm、576.961nm、579.067nm三个光斑矩阵在探测器的实际成像位置进行精准标定后的真实位置，本发明提出利用汞灯条件下，通过波长为546.075nm、576.961nm、579.067nm的光谱实现全500nm‑600nm谱段范围内的全光谱标定。

Description

微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法
技术领域
本发明属于光谱仪技术领域，尤其涉及一种微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法。
背景技术
微透镜阵列型快照成像光谱仪在实际使用过程中，为了避免光谱条带之间产生重叠，需要让微透镜阵列沿光轴旋转一个角度才能避免重叠，此时三维谱图数据在CCD探测器上存在彼此交错。而光学设计软件无法同时对数千个微透镜单元色散的光谱进行追迹，以及理论设计与实际仪器存在偏差，传统标定方法费时费力且适用性不高。
如图1所示，现有技术中，三维谱图数据在CCD探测器上彼此交错，传统标定方法为逐光谱条带的多波长标定，标定过程费时费力。传统单次标定时间需耗费较长时间，并且若微透镜阵列与高光谱成像仪之间发生相对运动则需再次进行标定，无法满足微透镜阵列型快照成像光谱仪模块化便携式的设计的快速在线标定需求。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，包括如下步骤：
S1：微透镜阵列型光谱仪获取光谱数据；
S2：在探测器靶面选取第一波长的图像光斑矩阵，所述光斑矩阵的待标定光斑点的个数为m×n个；
S3：对所述光斑矩阵进行坐标标记，标记规则为：第一排第一列光斑点为T1,1、第m排第n列光斑点为Tm,n；
S4：通过质心提取算法分别计算T1,1、T1,n、Tm,1的质心像素坐标R1,1、R1,n、R1,m，分别计算出所述光斑矩阵中其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标；
S5：通过步骤S2至S4的计算方式，同理更新第二波长的m×n光斑点矩阵的质心像素坐标点；
S6：将更新后的光斑点矩阵带入到探测器靶面的理论位置模型中，标定完毕。
优选的，所述第一波长和所述第二波长位于所述探测器靶面的波长范围内；
λ∈[λ1，λ2]，其中λ为探测器靶面的波长，λ1＝500nm，λ2＝800nm。
优选的，还包括至少一个其它波长。
优选的，所述步骤S4中，具体包括如下步骤：
S401：通过下述公式测得第一排第二列点T1,2的预测坐标位置W1,2和第二排第一列点T2,1的预测坐标位置W2,1：
Figure BDA0003001948460000021
Figure BDA0003001948460000022
其中，X(W1,2)为W1,2的横坐标数值，Y(W1,2)为W1,2的纵坐标数值，X(W2,1)为W2,1的横坐标数值，Y(W2,1)为W2,1的纵坐标数值；
S402：在W2,1和W2,1的附近自动寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R1,2、R2,1，对点T2,2的预测坐标位置W2,2进行计算：
Figure BDA0003001948460000023
其中，X(W2,2)为W2,2的横坐标数值，Y(W2,2)为W2,2的纵坐标数值；
S403：在预测坐标点W2,2的附近寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R2,2，计算光斑点T1,3的预测坐标位置W1,3和光斑点T3,1的预测坐标位置W3,1：
Figure BDA0003001948460000031
Figure BDA0003001948460000032
其中，X(W1,3)为W1,3的横坐标数值，Y(W1,3)为W1,3的纵坐标数值，X(W3,1)为W3,1的横坐标数值，Y(W3,1)为W3,1的纵坐标数值；
S404：分别计算出其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标。
优选的，所述步骤S1获取光谱数据的方式为多帧处理法。
优选的，所述步骤S404中对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000033
Figure BDA0003001948460000034
其中，X(W2,3)为W2,3的横坐标数值，Y(W2,3)为W2,3的纵坐标数值，X(W3,2)为W3,2的横坐标数值，Y(W3,2)为W3,2的纵坐标数值，根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
优选的，所述步骤S404中对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000041
Figure BDA0003001948460000042
根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
优选的，所述步骤S404中对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000043
其中，X(W3,3)为W3,3的横坐标数值，Y(W3,3)为W3,3的纵坐标数值，根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
优选的，所述步骤S404中对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000044
根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
有益效果：本发明一方面利用图像处理算法对汞灯546.075nm、576.961nm、579.067nm三个光斑矩阵在探测器的实际成像位置进行精准计算，另一方面利用光学设计推导公式计算500nm-600nm范围内所有波长在探测器靶面上的理论位置。把二者相结合，实现全500nm-600nm谱段范围内的全光谱标定。
附图说明
图1为本发明一种实施例的CCD探测器获取的三维谱图；
图2为本发明一种实施例的探测器靶面546.075nm光斑分析。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件或零件，但这些部件或零件不受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一个部件或零件与另一部件或零件。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值项在本文使用时不是暗示次序或顺序，除非由上下文清楚地指出。为了便于描述，本文使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上部的”、“左”、“右”等，以描述本实施例中部件或零件的方位关系，但这些空间相对术语并不对技术特征在实际应用中的方位构成限制。
如图1和图2所示，本发明为了实现微透镜阵列型快照成像光谱仪的安装调试过程中，能够快速的利用图像处理算法精确、快速、全自动地标定三维光谱数据，提出了一种微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，具体步骤如下：
S1：微透镜阵列型光谱仪获取光谱数据；
S2：在探测器靶面选取第一波长的图像光斑矩阵，所述光斑矩阵的待标定光斑点的个数为m×n个；
S3：对所述光斑矩阵进行坐标标记，标记规则为：第一排第一列光斑点为T1,1、第m排第n列光斑点为Tm,n；
S4：通过质心提取算法分别计算T1,1、T1,n、Tm,1的质心像素坐标R1,1、R1,n、R1,m，分别计算出所述光斑矩阵中其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标；
S5：通过步骤S2至S4的计算方式，同理更新第二波长的m×n光斑点矩阵的质心像素坐标点；
S6：将更新后的光斑点矩阵带入到探测器靶面的理论位置模型中，标定完毕。
其中，所述第一波长和所述第二波长位于所述探测器靶面的波长范围内；λ∈[λ1，λ2]，其中λ为探测器靶面的波长，λ1＝500nm，λ2＝800nm。本方法还包括至少一个其它波长。
例如：
微透镜阵列型光谱仪获取汞灯光谱数据；
在探测器靶面选取波长为546.07nm的图像光斑矩阵，所述光斑矩阵的待标定光斑点的个数为m×n个；
对波长为546.07nm的所述光斑矩阵进行坐标标记，标记规则为：第一排第一列光斑点为T1,1、第一排第n列光斑点为T1,n、第m排第一列光斑点为Tm,1；
通过质心提取算法分别计算T1,1、T1,n、Tm,1的质心像素坐标R1,1、R1,n、R1,m，通过下述公式测得第一排第二列点T1,2的预测坐标位置W1,2和第二排第一列点T2,1的预测坐标位置W2,1：
Figure BDA0003001948460000061
Figure BDA0003001948460000062
其中，X(W1,2)为W1,2的横坐标数值，Y(W1,2)为W1,2的纵坐标数值，X(W2,1)为W2,1的横坐标数值，Y(W2,1)为W2,1的纵坐标数值；
在W2,1和W2,1的附近自动寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R1,2、R2,1，对点T2,2的预测坐标位置W2,2进行计算：
Figure BDA0003001948460000071
其中，X(W2,2)为W2,2的横坐标数值，Y(W2,2)为W2,2的纵坐标数值；
在预测坐标点W2,2的附近寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R2,2，计算光斑点T1,3的预测坐标位置W1,3和光斑点T3,1的预测坐标位置W3,1：
Figure BDA0003001948460000072
Figure BDA0003001948460000073
其中，X(W1,3)为W1,3的横坐标数值，Y(W1,3)为W1,3的纵坐标数值，X(W3,1)为W3,1的横坐标数值，Y(W3,1)为W3,1的纵坐标数值；
根据步骤S4至S6的计算方法分别计算出步骤S1所述波长为546.075nm光斑点矩阵中其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标，更新后的546.075nm的光斑点矩阵为各光斑点的真实位置；
通过步骤上述的计算方式同理更新波长为576.961nm的m×n光斑点矩阵的质心像素坐标点，更新后的576.961nm的光斑点矩阵为各光斑点的真实位置；
通过步骤上述的计算方式同理更新波长为579.067nm的m×n光斑点矩阵的质心像素坐标点，更新后的579.067nm的光斑点矩阵为各光斑点的真实位置；
将更新后的546.075nm、576.961nm、579.067nm光斑点矩阵带入到探测器靶面上波长范围为500nm-600nm的理论位置模型中，波长为500nm-600nm全光谱标定完毕。
本发明步骤主要为以波长为546.075nm的图像光斑矩阵为例：首先对三个矩阵中三个主要的坐标点进行质心提取计算，三个矩阵主要目标点为矩阵四个端点中的三个，其中要选取坐标读取时误差最小的三个点，那么就一定是T1,1、T1,n、Tm,1，所以根据T1,1、T1,n、Tm,1的坐标数据，结合质心提取计算法来算出质心R1,1、R1,n、Rm,1，其中R1,1、R1,n、Rm,1为光斑点坐标的真实位置，对矩阵中的光斑坐标进行更新，为了完成全部光斑点的真实位置计算，根据上述相关公式和运算步骤中形成的运算规律对其他坐标点的预测坐标位置点先进行推算，推选出具体坐标数据后，对应的点在进行质心提取计算，然后逐步对整个波长为546.075nm的矩阵进行更新，当然其他两个波长矩阵也同样适用于本方法。
优选的一种实施方式，所述步骤S1获取光谱数据的方式为多帧处理法。
优选的一种实施方式，对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000081
Figure BDA0003001948460000082
其中，X(W2,3)为W2,3的横坐标数值，Y(W2,3)为W2,3的纵坐标数值，X(W3,2)为W3,2的横坐标数值，Y(W3,2)为W3,2的纵坐标数值，根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
优选的一种实施方式，对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000091
Figure BDA0003001948460000092
根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
优选的一种实施方式，所述步骤S7中对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000093
其中，X(W3,3)为W3,3的横坐标数值，Y(W3,3)为W3,3的纵坐标数值，根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
优选的一种实施方式，对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure BDA0003001948460000094
根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
本发明具体的操作为：微透镜阵列型成像光谱仪获取的汞灯光谱数据，采用多帧处理的方法，以降低图像随机噪声所带来的干扰。在探测器靶面上选取汞灯的546.075nm图像矩阵，假设待标定光斑矩阵为m×n。由于光学系统存在像差以及微透镜阵列在加工过程中微透镜阵列单元之间距离存在加工误差，因此，真实光斑位置阵列之间间距并不相等。手动选取T1,1、T1,n、Tm,1计算质心坐标，然后根据上述公式及相关规律更新波长为546.075nm、576.961nm、579.067nm的三个光斑矩阵的相关数据，该数据为汞灯条件下，波长为546.075nm、576.961nm、579.067nm的三个光斑矩阵在探测器的实际成像位置进行精准标定后的真实位置，将三个光斑矩阵的真实位置带入到利用光学设计推导公式中，该光学推导公式为用于计算500nm-600nm范围内所有波长在探测器靶面上的理论位置模型，这样就实现500nm-600nm谱段范围内的全光谱标定。
本发明中的质心提取计算和上树的光学设计推导公式都为现有技术，本处不做补充。
本发明首次提出了针对于微透镜阵列的光谱成像仪全自动在线标定算法。提出利用汞灯条件下，波长为546.075nm、576.961nm、579.067nm的光谱实现500nm-600nm谱段范围内的全光谱标定。本发明采用步长更新算法实现546.075nm、576.961nm、579.067nm的三个波长光斑矩阵的快速在线光谱标定。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：微透镜阵列型光谱仪获取光谱数据；
S2：在探测器靶面选取第一波长的图像光斑矩阵，所述光斑矩阵的待标定光斑点的个数为m×n个；
S3：对所述光斑矩阵进行坐标标记，标记规则为：第一排第一列光斑点为T1,1、第m排第n列光斑点为Tm,n；
S4：通过质心提取算法分别计算T1,1、T1,n、Tm,1的质心像素坐标R1,1、R1,n、R1,m，分别计算出所述光斑矩阵中其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标；
S5：通过步骤S2至S4的计算方式，同理更新第二波长的m×n光斑点矩阵的质心像素坐标点；
S6：将更新后的光斑点矩阵带入到探测器靶面的理论位置模型中，标定完毕。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述第一波长和所述第二波长位于所述探测器靶面的波长范围内；
其中，λ∈[λ1，λ2]，其中λ为探测器靶面的波长，λ1＝500nm，λ2＝800nm。
3.根据权利要求1所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，还包括至少一个其它波长。
4.根据权利要求1所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体包括如下步骤：
S401：通过下述公式测得第一排第二列点T1,2的预测坐标位置W1,2和第二排第一列点T2,1的预测坐标位置W2,1：
Figure FDA0003001948450000011
Figure FDA0003001948450000021
其中，X(W1,2)为W1,2的横坐标数值，Y(W1,2)为W1,2的纵坐标数值，X(W2,1)为W2,1的横坐标数值，Y(W2,1)为W2,1的纵坐标数值；
S402：在W2,1和W2,1的附近自动寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R1,2、R2,1，对点T2,2的预测坐标位置W2,2进行计算：
Figure FDA0003001948450000022
其中，X(W2,2)为W2,2的横坐标数值，Y(W2,2)为W2,2的纵坐标数值；
S403：在预测坐标点W2,2的附近寻找波长为546.075nm的光斑点并通过质心提取算法计算出质心像素坐标R2,2，计算光斑点T1,3的预测坐标位置W1,3和光斑点T3,1的预测坐标位置W3,1：
Figure FDA0003001948450000023
Figure FDA0003001948450000024
其中，X(W1,3)为W1,3的横坐标数值，Y(W1,3)为W1,3的纵坐标数值，X(W3,1)为W3,1的横坐标数值，Y(W3,1)为W3,1的纵坐标数值；
S404：分别计算出其余光斑点的预测坐标位置，并根据预测坐标位置结合质心提取算法计算对应的质心像素坐标点，计算出质心像素坐标点更替原光斑点坐标。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S1获取光谱数据的方式为多帧处理法。
6.根据权利要求4所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S404中对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure FDA0003001948450000031
Figure FDA0003001948450000032
其中，X(W2,3)为W2,3的横坐标数值，Y(W2,3)为W2,3的纵坐标数值，X(W3,2)为W3,2的横坐标数值，Y(W3,2)为W3,2的纵坐标数值，根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
7.根据权利要求4所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S404中对于剩余光斑点T2,3、T3,2的预测坐标位置W2,3、W3,2的计算公式如下：
Figure FDA0003001948450000033
Figure FDA0003001948450000034
根据W3,2和W3,2的坐标位置根据质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R2,3和R3,2。
8.根据权利要求6或7所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S404中对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure FDA0003001948450000035
其中，X(W3,3)为W3,3的横坐标数值，Y(W3,3)为W3,3的纵坐标数值，根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
9.根据权利要求6或7所述的微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法，其特征在于，所述步骤S404中对于剩余光斑点T3,3的预测坐标位置W3,3的计算公式如下：
Figure FDA0003001948450000041
根据W3,3的坐标位置结合质心提取算法得出对应的质心像素坐标点R3,3。
CN202110350345.XA 2021-03-31 2021-03-31 微透镜阵列型成像光谱仪在线标定方法 Active CN113155755B (zh)

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