CN113252169A - 多光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镜头模组成像技术领域，尤其涉及多光谱成像系统，本发明包括入射透镜、液晶开关、准直透镜、第一反射镜、成像透镜、平面反射式光栅、DMD空间光调制器、基板、第一CIS影像传感器和第二CIS影像传感器，从物侧到成像侧依次为入射透镜、液晶开关、准直透镜、第一反射镜、成像透镜、平面反射式光栅、第一CIS影像传感器，或者是入射透镜、DMD空间光调制器、基板、第二反射镜和第二CIS影像传感器。所述入射透镜与成像透镜均为凸透镜，所述第二反射镜为凹面镜。所述基板上刻蚀有狭缝，对入射光进行衍射色散。所述基板与第二CIS影像传感器贴合在一起，并且所述第二CIS影像传感器的长度小于基板的长度。本发明无需对光源进行特殊的调制，图像信息大大丰富。

Description

多光谱成像系统

技术领域

本发明涉及镜头模组成像技术领域，尤其涉及多光谱成像系统。

背景技术

现有的用来测量光源光谱的技术为：光谱传感器，通过光栅对光线色散并通过线型CCD图像传感器读取每个波长的光强，然后计算出光谱值，但是该技术只能对光源的点成像，而不能获取图像。常用于光谱计。

现有的获得多光谱图像的技术有：

1、用不同的摄像头分别拍摄不同光谱图像，然后叠加合成，形成可视的伪彩图像。缺点是由于摄像头的分辨率差异，视角差异，图像会出现不同的形变导致边缘不能对准。目前在红外测温影像设备上常见。

2、同一个面阵CIS，通过更换不同的滤光膜获取对应的光谱图像，但是由于图像传感器上一般会有红外截止膜和三色膜，因此拍摄特殊光谱的时候需要对图像传感器进行改造，在传感器上整体增加或者去除部分滤光膜，使传感器整体获得部分波段的感光能力。缺点是图像传感器需要改造，滤光膜价格昂贵，使用不便，需组合使用；而且定制后的图像传感器获得的是光谱混合后的图像，并不能区分光谱，例如去除红外滤光膜后，会使红外信号叠加到红色通道中，无法单独将红外图像提取出来，如果获得单独的红外图像，则需要增加可见光截止膜。常用于带红外图像功能的监控录像。

3、在制作图像传感器的时候就将单个像素点设计上即分解。传统的像素点由三原色组成，1个像素对应3个光电二极管，同样传统的滤光膜就是三原色的滤光膜，只获取三原色对应的图像。如果设计上就将1个像素分解成3个以上光电二极管，光膜更换为对应的3个以上的光谱波段的滤光膜就可以同时获得多光谱的图像，比如增加IR膜和光电二极管获得红外图像。比第2种的优点是，能够获取到不同波段的图像，而非混合的，缺点是波段的数量依赖于像素点所分解的颜色数量，定制的可以做到8个波段甚至更多，但各个波段之间是不连续；另外这种图像传感器都是定制化，需要单独设计流片，非通用型号。常用于快速检测食品种类的检测仪中。

现有光谱检测系统是针对光源，而非图像，现有的图像系统仍然是红绿蓝三色为主，现有的多光谱系统是通过不同光谱的图像传感器分别拍出图像以后，再进行合成，在合成的过程中，会存在图像的相位差，且由于传感器的精度不同，导致图像出现精度的差异，例如红外合成图像，是在可见光的高清图像基础上合成低分辨率的红外图像。但是由于人眼睛是不能识别红外和紫外的光谱，因此合成的都是伪彩图像。有一些场合需要特殊的图像，则需要使用特殊的光源，例如在医疗内窥镜检测炎症时，需要用窄带的绿色或者蓝色光源对组织进行特殊的光学染色。而当使用特殊光源的时候，会使图像偏色而无法同时得到正常组织的图像。其中奥林巴斯所用的NBI技术就是其中的著名实例。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供多光谱成像系统，以解决背景技术中的问题。

本发明的多光谱成像系统包括入射透镜、液晶开关、准直透镜、第一反射镜、成像透镜、平面反射式光栅、DMD空间光调制器、基板、第一CIS影像传感器和第二CIS影像传感器，从物侧到成像侧依次为入射透镜、液晶开关、准直透镜、第一反射镜、成像透镜、平面反射式光栅、第一CIS影像传感器，或者是入射透镜、DMD空间光调制器、基板、第二反射镜和第二CIS影像传感器。所述CIS影像传感器为CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器。

进一步，所述入射透镜与成像透镜均为凸透镜，所述第一反射镜和第二反射镜均为凹面镜。

进一步，所述基板上刻蚀有狭缝，对入射光进行衍射色散。

进一步，所述基板与第二CIS影像传感器贴合在一起，并且所述第二CIS影像传感器的长度小于基板的长度，基板上的狭缝刻蚀在第二CIS影像传感器与基板的贴合区域外。

进一步，所述液晶开关和DMD空间光调制器上均设有电路板，通过电路的控制，每次打开一行原始光信息，使图像信息逐行进入。

进一步，所述第一CIS影像传感器和第二CIS影像传感器不需用色膜，每一个CIS的像素即对应着一个光频率值γ，直接读取对应位置的光强就可以得出对应γ的光谱信息，通过模数转换后获取对应频率γ的数字光强，如式(1)所示：

Lx：Py＝{Vγ0、Vγ1、Vγ2、……、Vγn} 式(1)

进一步，所述第一CIS影像传感器(7)和第二CIS影像传感器(12)获取的是每一行的所有像素点的光谱分布，如式(2)

经过电路控制读取到整个图像每一行的信息以后，就可以获得整个图像对应的所有像素点的光谱分布，如式(3)所示：

Image＝{L0、L1、L2、L3、……、Lx} 式(3)。

本发明的多光谱成像系统的有益效果：本发明通过DMD空间光调制器微反射镜技术或液晶开关，及准直透镜组，将入射的图像，以行扫描的形式入射到光栅上，经过光栅色散以后，将行中每一个像素点，色散成该像素点的光谱曲线，将一维的点变成2维的线，而由面阵CIS的每一列来获取对应像素点的光谱曲线，这样，整个CIS获得的就是这一行的每一个像素的的所有光谱曲线信息。当所有行扫描完成以后，则形成一幅完整图像的所有像素点的光谱信息。读取的时候，可以选择读取某一个频率的光的伪彩图像，或者某一个波段的光的伪彩图像。

优点是：

1、无需对光源进行特殊的调制，即可以获得完整的全光谱的图像，图像信息大大丰富。

2、直接获得多光谱的图像信息，且光谱是连续的，可以读取任意一个频率或者波段的图像信息。

3、图像传感器无需定制，无需滤光膜，基本结构组成和传统的光谱传感器类似，但是从1维拓展到3维。

附图说明

图1是本发明第一种实施例结构示意图；

图2是本发明的第二种实施例结构示意图；

图3是本发明的光谱信息及模数转换量化后的数字强度示意图；

图4是本发明的像素点的光谱分布示意图；

图5是本发明的整个图像对应的所有像素点的光谱示意图；

图6是本发明的可见光合成图像；

图7是本发明的提取其红绿蓝光谱图像；

图8是本发明的红绿、红蓝、蓝绿合成图像；

图9是本发明的红外和紫外某波段的矫正图像。

其中，入射透镜1，液晶开关2，准直透镜3，第一反射镜4，成像透镜5，平面反射式光栅6，第一CIS影像传感器7，DMD空间光调制器8，基板11，狭缝10，第二反射镜9，第二CIS影像传感器12。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，显然，所描述的实施例仅仅只是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明的多光谱成像系统包括入射透镜1、液晶开关2、准直透镜3、第一反射镜4、成像透镜5、平面反射式光栅6、DMD空间光调制器8、基板11、第一CIS影像传感器7和第二CIS影像传感器12；所述CIS影像传感器为CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器。

本发明的第一种实施例,如图1所示，从物侧到成像侧依次为入射透镜1、液晶开关2、准直透镜3、第一反射镜4、成像透镜5、平面反射式光栅6、第一CIS影像传感器7，通过入射透镜入射的图像，打在液晶开关上，通过电路的控制，每次打开一行，使一行的图像信息进入后面准直透镜3，第一反射镜4，成像透镜5组成的透镜组，其余行被液晶开关2遮挡，经过透镜组调整光路，经平面反射式光栅6色散后投射到第一CIS影像传感器7上获取当前行上所有像素点的光谱信息，然后通过电路控制2，关闭当前行，打开下一行，重复扫描。

本发明的第二种实施例,如图2所示，从物侧到成像侧依次为入射透镜1、DMD空间光调制器8、基板11、第二反射镜9和第二CIS影像传感器12。入射的图像，经电路控制DMD空间光调制器8选择某一行反射到狭缝10的位置，通过狭缝10后照射在第二反射镜9上衍射色散，反射到第二CIS影像传感器12上获取当前行的图像信息，然后通过DMD空间光调制器8，反射下一行，重复扫描。本实施例的结构紧凑，响应速度快

本实施例中，所述入射透镜1与成像透镜5均为凸透镜，所述第二反射镜9为凹面镜。

本实施例中，所述基板11上刻蚀有狭缝10，对入射光进行衍射色散。

本实施例中，所述基板11与第二CIS影像传感器12贴合在一起，并且所述第二CIS影像传感器12的长度小于基板11的长度，基板上的狭缝10刻蚀在第二CIS影像传感器12与基板11的贴合区域外。

本实施例中，所述液晶开关2和DMD空间光调制器8上均设有电路板，通过电路的控制，每次打开一行原始光信息，使图像信息逐行进入。

本实施例中，如图3所示，所述第一CIS影像传感器和第二CIS影像传感器不需用色膜，每一个CIS的像素即对应着一个光频率值γ，假设最上面的曲线是Lx行的Py像素点，经过色散以后形成的光谱分布曲线，再经过CIS的一个列的像素点就可以获得其电压信号，如中间带颜色的柱状图表示，每个像素点对应的频率γ是固定的，直接读取对应位置的光强就可以得出对应γ的光谱信息，通过模数转换后获取对应频率γ的数字光强，如式(1)所示：

Lx：Py＝{Vγ0、Vγ1、Vγ2、……、Vγn} 式(1)

本实施例中如图4所示，所述第一CIS影像传感器7和第二CIS影像传感器12获取的是每一行的所有像素点的光谱分布，如式(2)

如图5所示，经过电路控制读取到整个图像每一行的信息以后，就可以获得整个图像对应的所有像素点的光谱分布，如式(3)所示：

Image＝{L0、L1、L2、L3、……、Lx} 式(3)。

当获取到整幅图像的所有像素点的对应光谱信息的集合以后，则可以对任一频率γ的图像进行提取，也可以对某一波段γa～γb提取并合成，如图6所示。提取其红绿蓝光谱图像，如图7所示；红绿、红蓝、蓝绿合成图像为如图8所示；红外和紫外某波段的矫正图像为如图9所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.多光谱成像系统，其特征在于：包括入射透镜(1)、液晶开关(2)、准直透镜(3)、第一反射镜(4)、成像透镜(5)、平面反射式光栅(6)、DMD空间光调制器(8)、基板(11)、第一CIS影像传感器(7)和第二CIS影像传感器(12)，从物侧到成像侧依次为入射透镜(1)、液晶开关(2)、准直透镜(3)、第一反射镜(4)、成像透镜(5)、平面反射式光栅(6)、第一CIS影像传感器(7)，或者是入射透镜(1)、DMD空间光调制器(8)、基板(11)、第二反射镜(9)和第二CIS影像传感器(12)。

2.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述入射透镜(1)与成像透镜(5)均为凸透镜，所述第二反射镜(9)为凹面镜。

3.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述基板(11)上刻蚀有狭缝(10)，对入射光进行衍射色散。

4.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述基板(11)与第二CIS影像传感器(12)贴合在一起，并且所述第二CIS影像传感器(12)的长度小于基板(11)的长度，基板(11)上的狭缝(10)刻蚀在第二CIS影像传感器(12)与基板(11)的贴合区域外。

5.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述液晶开关(2)和DMD空间光调制器(8)上均设有电路板，通过电路的控制，每次打开一行原始光信息，使图像信息逐行进入。

6.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述第一CIS影像传感器(7)和第二CIS影像传感器(12)不需用色膜，每一个CIS的像素即对应着一个光频率值γ，直接读取对应位置的光强就可以得出对应γ的光谱信息，通过模数转换后获取对应频率γ的数字光强，如式(1)所示：

Lx：Py＝{Vγ0、Vγ1、Vγ2、……、Vγn} 式(1) 。

7.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述第一CIS影像传感器(7)和第二CIS影像传感器(12)获取的是每一行的所有像素点的光谱分布，如式(2)

经过电路控制读取到整个图像每一行的信息以后，就可以获得整个图像对应的所有像素点的光谱分布，如式(3)所示：

Image＝{L0、L1、L2、L3、……、Lx} 式(3)。

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