CN115014521A - 一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法及装置。包括基座、壳体、镜头、分光镜、取景装置、光谱仪和总控制模块。通过同镜头分光的方式，可实现取景成像，与光谱数据同时获取，通过将取景传器和光谱仪调整到同一焦面，通过控制取景传器和对焦模组进行对焦后，可同步完成光谱仪对焦。
Description
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法及装置。
背景技术
高光谱成像技术可以同时获得图像信息和光谱信息，结合机器视觉技术来对物体进行判别的同时，还可以进行依赖于光谱的光谱分析，是具有很大潜力的新技术。高光谱成像技术的光谱分析能力来源于高光谱可以采集不同波长下物质所辐射的光谱信息，而这些光谱信息直接反映了物体的理化成分等信息；结合图像的识别、选区等信息，高光谱成像技术可以实现目标检测-成分判断-结果输出的完全自动化。
光谱仪不仅能够获得地物的空间分布信息还能同步获得其光谱信息用于分析物质成分，在农业病虫害检测、林业树种识别、材质分析、垃圾分选、水体指数反演、水环境检测等领域发挥着重要作用。目前主流的光谱仪成像系统多是推扫型，即单次拍照获取空间维一条线的空间信息及其光谱信息，因此需要推扫机构实现全局成像。传统的高光谱成像装置利用平移机构带动被测物相对高光谱相机运动实现推扫，单次成像无法获取二维空间信息，也无法判断对焦是否准确，每次对焦的过程需要不停的推扫光谱仪或者推扫被测物，对焦准确性低，耗时长。另一方面由于光谱仪线成像的特点，扫描范围不直观，不能对扫描区域进行直观标识，用户很难一次获取到目标区域光谱数据，需要进行一次完整成像后，才能明确扫描范围,甚至需要进行多次反复成像测试才能得到目标区域光谱数据，做业效率低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于通过分光方式利用取景传感器画幅式成像的特点；取景传感器与光谱仪共焦面的特点，巧妙的利用取景传感器来完成对焦，通过内置光学滑台，实现光谱仪推扫成像；同时利用取景传感器画面对光谱仪成像范围进行标注，实现所见及所得。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
S100：启动控制软件，等待软件完成自检；
S200：软件控制硬件完成初始化工作；
S300：操作控制软件界面上的对焦菜单按钮或者取景画面，输入对焦所需的数据并进行确认，获得测距及取景传感器的图像信息；
S400：软件综合测距信息、图像信息调整镜头焦距；
S500：软件对采集到的图像清晰度进行评价，若清晰度不足则返回S400继续调整镜头焦距；若清晰度足够则进行下一步；
S600：操作控制软件界面上的采集图像画面选取光谱仪扫描范围；
S700：软件控制光学滑台带动光谱仪运动完成推扫成像。
可选的，所述的S500步骤中，操作者通过人工选取或者软件自动选取清晰度较佳的图片，软件将综合测距信息，CCD取景信息完成图像对焦。
可选的，所述的S400步骤中，对焦时实时采集到的图像清晰度变化显示在实时取景画面中或者控制软件界面上。仪器使用者可以在控制软件上看到实时取景画面，实时成像光谱相关数据，测距信息等；并且可在软件中调整焦距、光圈、光谱仪等相关参数，数据的采集及存储等相关的操作。
可选的，所述的S700步骤中，在开始推扫成像时软件会控制快门关闭，阻止光线进入系统，完成暗背景数据采集，暗背景数据采集完成后打开快门，进行光谱数据采集。
基于上述方法，本发明设计了一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，包括基座、镜头、分光镜、取景装置、光谱仪和总控制模块，所述的镜头、所述的分光镜、所述的取景装置和所述的光谱仪均设置在所述的基座上，所述的镜头接收的光线透过所述的分光镜发生透射后的光线A由所述的光谱仪接收，所述的镜头接收的光线通过所述的分光镜发生反射后的光线B由所述的取景装置接收，所述的光谱仪通过光学滑台与所述的基座滑动连接，所述的光谱仪、所述的光学滑台、所述的取景装置和所述的镜头均由所述的总控制模块控制。将分光镜安装于镜头后方，且与镜头中心光轴成45度角关系；要求光线从镜头经分光镜反射后到达取景装置焦面的距离与光线从镜头经分光镜透射后到光谱仪焦面的距离相等,以保证取景传感器与光谱仪共焦面；通过分光镜将通过镜头的部分光线反射到取景传感器用于成像，另一部分光线直接透过分光镜到达光谱仪，并最终转换成光谱数据。由于采集用同镜头分光的方式，可实现取景成像，与光谱数据同时获取，通过将取景传器和光谱仪调整到同一焦面，通过控制取景传器和对焦模组进行对焦后，可同步完成光谱仪对焦，使光谱仪对焦更佳方便快捷高效，在取景画面可以实现任意点对焦；同时可根据取景画面进行采集数据区域选取，通过控制光学滑台运动，带动光谱仪实现光谱数据获取与采集。
可选的，所述的总控制模块包括数据采集控制装置、镜头控制装置和滑台驱动控制装置，所述的光谱仪与所述的数据采集控制装置电连接，所述的滑台驱动控制装置控制所述的光学滑台，所述的数据采集控制装置与所述的滑台驱动控制装置电连接，所述的镜头控制装置控制所述的镜头的焦距和所述的镜头的光圈，所述的数据采集控制装置与所述的镜头控制装置电连接。
可选的，所述的分光镜和所述的光谱仪之间还设置有快门。快门采用电子快门，其引入的目的在于可以在每次采集数据时获取仪器暗背景数据，为后期数据分析和处理提供更可靠，更有效的数据。
可选的，所述的基板上还设置有测距传感器，所述的测距传感器与所述的数据采集控制装置电连接。测距传感器安装要求与镜头中心光轴平行，主要用于测距和取景位置指示。
可选的，所述的光学滑台滑动方向与所述的光线A的传播方向互相垂直。
可选的，所述的总控制模块还包括用于反馈镜头对焦情况和推扫成像情况并控制调整光谱仪相关参数的触摸控制屏以及对应的控制软件。在取景画面可以实现任意点对焦；同时可根据显示在触摸控制屏上的实时取景画面进行采集数据区域选取，通过控制光学滑台运动，带动光谱仪实现光谱数据获取与采集。
本发明具备的有益技术效果是：通过同镜头分光的方式，可实现取景成像，与光谱数据同时获取，通过将取景传器和光谱仪主调整到同一焦面，通过控制取景传器和对焦模组进行对焦后，可同步完成光谱仪对焦，使光谱仪对焦更佳方便快捷高效，在取景画面可以实现任意点对焦；同时可根据取景画面进行采集数据区域选取，通过控制光学滑台运动，带动光谱仪实现光谱数据获取与采集。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的各部件的连接关系结构示意图；
图3为本发明壳体凹槽处的结构示意图。
附图标记：1-基座，2-镜头，3-分光镜，4-取景装置，5-光谱仪，6-触摸控制屏，7-测距传感器，8-电子快门，9-数据采集控制装置，10-镜头控制装置，11-滑台驱动控制装置，12-壳体，13-斜面，14-凹槽，15-U型凹陷，16-弧形斜面，17-V型凹陷，18-数据接口，19-数据接头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
参照图1-3所示，一种基于分光镜3的自动对焦推扫式高光谱成像装置，包括基座1、镜头2、分光镜3、取景装置4、光谱仪5、测距传感器7、电子快门8和总控制模块。
镜头2、分光镜3、取景装置4和光谱仪5均设置在基座1上，镜头2接收的光线透过分光镜3发生透射后的光线A由光谱仪5接收，镜头2接收的光线通过分光镜3发生反射后的光线B由取景装置4接收，光谱仪5通过光学滑台与基座1滑动连接，光谱仪5、光学滑台、取景装置4和镜头2均由总控制模块控制。电子快门8位于分光镜3与光谱仪5之间。将分光镜3安装于镜头2后方，且与镜头2中心光轴成45度角关系；要求光线从镜头2经分光镜3反射后到达取景装置4焦面的距离与光线从镜头2经分光镜3透射后到光谱仪5焦面的距离相等,以保证取景传感器与光谱仪5共焦面。
光谱仪5整机由复杂的分光模组与光学信号接收传感器组成。分光模组的光信号入口为狭缝，狭缝为一条极小的通光缝，其宽度为μm量级。经由光学分光色散成不同的波长，并按照波长顺序依次排列与光学信号接收传感器上。通过光学信号接收传感器将光信号转变为数字信号。
总控制模块包括数据采集控制装置9、镜头控制装置10、滑台驱动控制装置11和用于反馈镜头2对焦情况和推扫成像情况并控制调整光谱仪5相关参数的触摸控制屏6。在取景画面可以实现任意点对焦；同时可根据显示在触摸控制屏6上的实时取景画面进行采集数据区域选取，通过控制光学滑台运动，带动光谱仪5实现光谱数据获取与采集。光谱仪5与数据采集控制装置9电连接，滑台驱动控制装置11控制光学滑台，数据采集控制装置9与滑台驱动控制装置11电连接，镜头控制装置10控制镜头2的焦距和镜头2的光圈，数据采集控制装置9与镜头控制装置10电连接。
基座1上设置有壳体12，壳体12配合基座1将镜头2、分光镜3、取景装置4、光谱仪5、触摸控制屏6、测距传感器7、电子快门8和总控制模块包裹在内，其内部具备密闭的不透光的空间。壳体12侧面设有供取景用的取景口和供测距用的测距口。镜头2通过取景口接收外部的光线并导入本装置中。
壳体12上有45°倾斜布置的斜面13，其斜面13上专门设置有供触摸控制屏6安装的凹槽14。凹槽14的上端有U型凹陷15，其底部有与数据采集控制装置9相连的数据线接口。凹槽14的下端设有方便人手取用触摸控制屏6的弧形斜面1613，以及一个V型凹陷17。触摸控制屏6正面为触摸控制面板，其背面下端有与V型凹陷17配合的凸起，其上端有伸出的数据连接线及连接在数据连接线末端的数据接头19，数据接头19与数据接口18配合。在触摸控制屏6处于固定状态时，其背面下端的凸起卡在V型凹陷17中，其数据接头19插接在数据接口18内，其数据连接线折叠并位于U型凹陷15中。此类设计使触摸控制屏6具备有极佳的灵活性，在高光谱成像时可以选择将本装置放置到更加刁钻的位置并将触摸控制屏6单独卸下并进行有线操作，数据传输更加不易受到干扰，且操作人员可以对触摸控制屏6进行操作而不必目视本装置本体的情况，从而使本装置能够适应各类狭窄环境。
基于上述高光谱成像仪，本发明还有一种基于分光镜3的自动对焦推扫式高光谱成像方法。包括以下操作流程：首先启动控制软件，软件会完成自检，并完成硬件初使化相关工作，使硬件进入就绪状态；通过点击触摸控制屏6上的对焦菜单按钮，软件会综合图像信息，测距信息，来调整镜头2焦距，每次调整焦距后对图像清晰度做评价，通过不断的调整镜头2焦距，使图像清晰度达最佳状态，从而完成自动对焦，整个对焦过程中图像清晰度变化可在软件中实时展示。自动对焦完成后，可通过触摸控制屏6上的取景相机画面选取光谱仪5扫描范围，通过光学滑台带动光谱仪5运动来完成推扫成像；在开始推扫成像时软件会自动将快门关闭，阻止光线进入系统，完成暗背景数据采集，暗背景数据采集完成后打开快门，进行光谱数据采集。仪器使用者可以在控制软件上看到实时取景画面，实时成像光谱相关数据，测距信息等；并且可在软件中调整焦距、光圈、光谱仪5等相关参数，数据的采集及存储等相关的操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法，其特征在于：包括如下步骤：
S100：启动控制软件，等待软件完成自检；
S200：软件控制硬件完成初始化工作；
S300：操作控制软件界面上的对焦菜单按钮或者取景画面，输入对焦所需的数据并进行确认；
S400：软件综合测距信息、图像信息调整镜头焦距；
S500：软件对采集到的图像清晰度进行评价，若清晰度不足则返回S400继续调整镜头焦距；若清晰度足够则进行下一步；
S600：操作控制软件界面上的采集图像画面选取光谱仪扫描范围；
S700：软件控制光学滑台带动光谱仪运动完成推扫成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法，其特征在于，所述的S500步骤中，操作者通过人工选取或者软件自动选取清晰度较佳的图片。
3.根据权利要求1所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法，其特征在于，所述的S400步骤中，对焦时实时采集到的图像清晰度变化显示在控制软件界面上。
4.根据权利要求1所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像方法，其特征在于，所述的S700步骤中，在开始推扫成像时软件会控制快门关闭，阻挡多余的光线进入系统，完成暗背景数据采集，暗背景数据采集完成后打开快门，进行光谱数据采集。
5.一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，其特征在于，包括基座、壳体、镜头、分光镜、取景装置、光谱仪和总控制模块，所述的镜头、所述的分光镜、所述的取景装置和所述的光谱仪均设置在所述的基座和壳体之间，所述的镜头接收的光线透过所述的分光镜发生透射后的光线A由所述的光谱仪接收，所述的镜头接收的光线通过所述的分光镜发生反射后的光线B由所述的取景装置接收，所述的光谱仪通过光学滑台与所述的基座滑动连接，所述的光谱仪、所述的光学滑台、所述的取景装置和所述的镜头均由所述的总控制模块控制，所述的总控制模块包括数据采集控制装置、镜头控制装置和滑台驱动控制装置，所述的光谱仪与所述的数据采集控制装置电连接，所述的滑台驱动控制装置控制所述的光学滑台，所述的数据采集控制装置与所述的滑台驱动控制装置电连接，所述的镜头控制装置控制所述的镜头的焦距和所述的镜头的光圈，所述的数据采集控制装置与所述的镜头控制装置电连接，所述的壳体上有45°倾斜布置的斜面，其斜面上专门设置有供触摸控制屏安装的凹槽，所述的触摸控制屏可拆卸的安装在凹槽内。
6.根据权利要求5所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，其特征在于：所述的分光镜和所述的光谱仪之间还设置有快门。
7.根据权利要求6所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，其特征在于：所述的基板上还设置有测距传感器，所述的测距传感器与所述的数据采集控制装置电连接。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，其特征在于：所述的光学滑台滑动方向与所述的光线A的传播方向互相垂直。
9.根据权利要求8所述的一种基于分光镜的自动对焦推扫式高光谱成像装置，其特征在于：所述的总控制模块还包括用于反馈镜头对焦情况和推扫成像情况并控制调整光谱仪相关参数的触摸控制屏。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115598075A (zh) * | 2022-12-14 | 2023-01-13 | 自然资源部第二海洋研究所（Cn） | 基于双通道同轴光路的深海高光谱成像探测系统及方法 |
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- 2022-06-20 CN CN202210699410.4A patent/CN115014521A/zh active Pending
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