CN206531576U - 光谱成像系统及成像设备 - Google Patents
光谱成像系统及成像设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN206531576U CN206531576U CN201720177360.8U CN201720177360U CN206531576U CN 206531576 U CN206531576 U CN 206531576U CN 201720177360 U CN201720177360 U CN 201720177360U CN 206531576 U CN206531576 U CN 206531576U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- battle array
- flashlight
- photoelectric detector
- face battle
- lens group
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 74
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 241001436679 Adama Species 0.000 claims abstract description 72
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 64
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 41
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 3
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 15
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 14
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 4
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 3
- 241001269238 Data Species 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 2
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 2
- 108091026890 Coding region Proteins 0.000 description 1
- 206010052128 Glare Diseases 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2823—Imaging spectrometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本实用新型提供了一种光谱成像系统，属于成像技术领域。该光谱成像系统包括第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器以及微控制器，所述第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器依次设置，所述面阵光电检测器与所述微控制器电连接。本实用新型实施例提供的光谱成像系统能够更快速地获取到高光谱分辨率的光谱数据立方，有利于实际使用。此外，本实用新型还提供了一种包括上述光谱成像系统的成像设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及成像技术领域，具体而言，涉及一种光谱成像系统及成像设备。
背景技术
阿达玛变换技术是一种类似傅立叶变换的调制技术，具有多通道检测和成像的能力。采用这种技术能够显著提高信噪比。虽然这种技术已开始应用于光谱分析和显微成像领域，但目前应用这种技术的仪器功能较为单一，光谱分析与成像能力的集成化很差。现有的高分辨阿达玛变换显微图像分析仪，能够应用511阶S循环矩阵构建的一维模板与512像素线阵CCD，获得了511×512像素的高分辨图像，但不具备获取高分辨光谱的能力。此外，现有的能够进行高分辨光谱扫描的系统中，光谱扫描和阿达玛编码过程需要分别独立的进行机械运动，使得获取光谱数据立方需要消耗较多的时间，从而影响实际使用。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种光谱成像系统及成像设备，以改善上述的获取光谱数据立方需要消耗较多的时间的问题。
为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本实用新型实施例提供了一种光谱成像系统，包括第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器以及微控制器，所述第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器依次设置，所述面阵光电检测器与所述微控制器电连接。所述第一透镜组用于将入射的第一信号光准直并聚焦到所述阿达玛模板。所述阿达玛模板用于在控制机构的驱动下对入射到该阿达玛模板的所述第一信号光进行编码形成第二信号光。所述第二透镜组用于将由所述阿达玛模板出射的所述第二信号光压缩为与所述面阵光电检测器匹配的第三信号光。所述色散装置用于对由所述第二透镜组出射的所述第三信号光进行色散分光处理形成按波长分散开的第四信号光。所述面阵光电检测器用于接收所述色散装置出射的所述第四信号光，将所述第四信号光转化为电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于处理接收到的所述电信号得到成像光谱数据。
在本实用新型较佳的实施例中，上述所述色散装置包括入射狭缝、准光镜、色散元件以及聚光镜，所述第二透镜组出射的所述第三信号光入射到所述入射狭缝，通过所述入射狭缝的所述第三信号光经所述准光镜准直后入射到所述色散元件，经所述色散元件色散后形成所述第四信号光，所述第四信号光经所述聚光镜按波长聚焦到所述面阵光电检测器的表面。
在本实用新型较佳的实施例中，上述阿达玛模板为一维循环编码模板，其序列由循环S矩阵生成，所述一维循环编码模板用于对所述第一信号光进行编码生成所述第二信号光。
在本实用新型较佳的实施例中，上述阿达玛模板为液晶空间光调制器。
在本实用新型较佳的实施例中，上述阿达玛模板为数字微镜阵列。
在本实用新型较佳的实施例中，上述面阵光电检测器为面阵灰度光电检测器。
在本实用新型较佳的实施例中，上述成像光谱数据包括三个维度的信息，其中，第一维度的像素数由所述阿达玛模板的编码位数决定，第二维度的像素数由所述面阵光电检测器的第一方向的像元数决定，第三维度的单元数由所述面阵光电检测器的第二方向的像元数决定。
在本实用新型较佳的实施例中，上述第二透镜组为柱面镜透镜组。
在本实用新型较佳的实施例中，上述第一信号光的光谱范围包括紫外至红外波段内的任意波段。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种成像设备，包括上述的光谱成像系统。
本实用新型实施例提供的光谱成像系统中，入射的第一信号光经第一透镜组准直并聚焦到阿达玛模板，经阿达玛模板编码形成第二信号光，第二信号光被第二透镜组压缩形成第三信号光，第三信号光经色散装置分光处理形成按波长分散开的第四信号光，面阵光电检测器接收第四信号光并将第四信号光转换成电信号发送给微控制器。通过控制机构对阿达玛模板的驱动，重复上述过程，微控制器通过本实用新型实施例提供的数据处理方法对接收到的信号进行处理形成成像光谱数据即光谱数据立方。相比于现有技术，本实用新型实施例提供的光谱成像系统通过面阵光电检测器与色散装置配合能够更快速地获取到高光谱分辨率的光谱数据立方，有利于实际使用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的光谱成像系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的色散装置的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的光谱成像系统采集到的光谱数据立方的示意图；
图4为本实用新型实施例提供的数据处理方法的方法流程图。
图中：10-光谱成像系统；101-第一透镜组；102-光阑；103-阿达玛模板；104-第二透镜组；105-色散装置；106-面阵光电检测器；107-微控制器；201-入射狭缝；202-准光镜；203-色散元件；204-聚光镜。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“垂直”并不表示要求部件绝对水平或垂直，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“光耦合”、“电连接”应做广义理解，例如，“光耦合”可以是直接耦合，也可以通过中间媒介间接耦合，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1示出了本实用新型实施例提供的光谱成像系统。如图1所示，该光谱成像系统10包括：第一透镜组101、阿达玛模板103、第二透镜组104、色散装置105、面阵光电检测器106以及微控制器107。第一透镜组101、阿达玛模板103、第二透镜组104、色散装置105、面阵光电检测器106依次设置，面阵光电检测器106与微控制器107电连接。
本实施例中，第一透镜组101用于将入射的第一信号光准直并聚焦到阿达玛模板103。其中，入射的第一信号光为样品的成像光，例如，该成像光可以为激发光源照射到样品后得到的荧光或拉曼散射光。当然，成像光也可以是宽光谱光源照射到样品后得到的透射光。可以理解的是，当成像光为样品的透射光时，需要预先存储该宽光谱光源的发射光的光谱强度作为基准光谱强度，以便于对所检测到的透射光的光谱强度与上述基准光谱强度进行处理，从而实现样品的透射光光谱成像。
在本实用新型较佳的实施例中，上述第一信号光的光谱范围可以包括紫外至红外波段内的任意波段。例如，上述第一信号光可以为可见光波段，也可以为红外波段。
需要说明的是，第一透镜组101和阿达玛模板103之间还设置有光阑102，控制入射到阿达玛模板103上的第一信号光的口径，使得聚焦到阿达玛模板103上的光斑尺寸与阿达玛模板103的尺寸匹配。
进一步，阿达玛模板103用于在控制机构的驱动下对入射到该阿达玛模板103的第一信号光进行编码形成第二信号光。本实施例中，阿达玛模板103可以采用一维循环编码模板，其序列由循环S矩阵生成。需要说明的是，为了尽量减小衍射效应对成像结果的影响，模板的码元尺寸规格应当根据第一信号光的具体波段设计。阿达玛模板103包括多个码元，每个码元对光的调制只存在两种工作状态，例如，编码序列由“1”和“0”组成，透光的码元对应编码“1”，不透光的码元对应编码“0”。
具体的，一维循环编码模板可以采用移动式机械模板，例如，采用蚀刻工艺加工镀有金属的玻璃片制作而成。需要注意的是，为了生成N阶S矩阵对应的N组编码，码元应当具有2N-1条才能保证镀膜金属玻璃片阿达玛模板103通过机械运动生成完整的N组编码。由于S循环模板可以从任意码元起始，且N组编码间不要求顺序，考虑到实际的模板定位精度，可以适当增加码元的数量来保证模板编码区域与光阑102的通光孔的对位容差。
当然，除了采用移动式机械模板外，还可以采用液晶空间光调制器或者数字微镜阵列器件作为阿达玛模板103，此时，模板变换时不需移动模板，只需按照预设的编码序列依次生成所需的码元，即码元只需要N条，也可以不需要增加码元条数的容差设计。
考虑到编码数据的准确性以及系统成本，本实用新型实施例提供的光谱成像系统10中，一维循环编码模板可以优选采用移动式机械模板。此时，上述一维循环编码模板可以在控制机构的驱动下作直线运动，从而得到不同的阿达玛模板103，分别对入射的第一信号光进行编码调制。假设一维循环编码模板应用N阶S循环矩阵构建，其最少包括2N-1条码元。例如，N＝7，对应的S循环矩阵是1110100，一维循环编码模板包括的码元对应的编码依次为：1110100111010，若考虑定位误差增加三条码元即1110100111010011。若第1次检测时，对第一信号光进行调制的阿达玛模板103的编码序列为：1110100。第2次检测前，通过控制机构的驱动阿达玛模板103沿编码方向移动一个码元，使得第2次检测时对第一信号光进行调制的阿达玛模板103的编码序列为：1101001，依次类推，直至第7次检测前，通过控制机构的驱动阿达玛模板103沿编码方向移动一个码元，使得第7次检测时对第一信号光进行调制的阿达玛模板103的编码序列为：0111010。
其中，控制机构(图中未示出)可以包括电动机，例如，可以通过步进电机带动螺杆传动组件，从而驱动阿达玛模板103作直线运动。
进一步，经阿达玛模板103调制后出射的第二信号光，继续入射到第二透镜组104。第二透镜组104用于将入射的第二信号光压缩为与面阵光电检测器106匹配的第三信号光。也就是说，第二透镜组104具有改变第二信号光的成像尺寸大小的功能。本实施例中，第二透镜组104可以采用柱面镜组，第二信号光被柱面镜组在色散装置105的入射点处聚焦成矩形光斑。
具体的，如图2所示，色散装置105可以包括入射狭缝201、准光镜202、色散元件203以及聚光镜204。色散装置105的入射狭缝201与第二透镜组104的出射端光耦合，且入射狭缝201、准光镜202、色散元件203、聚光镜204、面阵光电检测器106依次设置。第二透镜组104出射的第三信号光入射到入射狭缝201，通过入射狭缝201的第三信号光经准光镜202准直后入射到色散元件203，经色散元件203色散后形成所述第四信号光，所述第四信号光经聚光镜204按波长聚焦到面阵光电检测器106的表面。
其中，入射狭缝201用于阻止第三信号光以外的光进入色散装置105。可以理解的是，为了减小损耗，尽量得到完整的图像信息及光谱信息，第二信号光经柱面镜组处理后聚焦在入射狭缝201处的光斑尺寸与入射狭缝201的尺寸适配。优先的，该光斑的形状与入射狭缝201的形状一致，且该光斑的面积与入射狭缝201的面积一致，以使得入射狭缝201在阻止其他杂散光的同时，能够最大程度地通过第三信号光。例如，当聚焦到入射狭缝201处的光斑形状为矩形时，入射狭缝201为与该光斑对应的矩形狭缝。
本实施例中，色散元件203可以为棱镜、光栅或棱镜及光栅的组合。例如，当色散元件203为光栅时，可以采用反射式闪耀光栅。
准光镜202用于将通过上述入射狭缝201的第三信号光准直为平行光，并使得通过上述入射狭缝201的第三信号光入射到色散元件203。聚光镜204具有汇聚作用，用于将色散元件203出射的光聚焦到面阵光电检测器106。能够实现光束准直功能的准光镜202和能够实现光束汇聚最用的聚光镜204均有多种，为了减小整个色散装置105的空间占用，准光镜202和聚光镜204均可以优选采用凹面反射镜。
当然，除了上述实施方式外，本实用新型实施例中，也可以采用能够实现上述功能的其他结构的色散装置105。
面阵光电检测器106包括面阵光电检测器106用于接收所述色散装置105出射的所述第四信号光，将所述第四信号光转化为电信号发送至所述微控制器107。本实用新型实施例中，面阵光电检测器106可以采用面阵灰度光电检测器。例如，可以采用长宽为A×B的面阵灰度光电检测器，即该光电检测器的行方向包括A个像元，列方向包括B个像元，A与B可以相等，也可以不等，且均与S矩阵的阶数N不相关。
为了保证从色散装置105出射的第四信号光能够完全地被面阵光电检测器106所获取，以得到尽量完整的图像信息，面阵光电检测器106的尺寸与由第二透镜组104出射后聚焦到色散装置105的入射狭缝201处的光斑尺寸相匹配。具体的，面阵光电检测器106的列方向的长度优选大于或等于该光斑的高度方向的尺寸。需要说明的是，面阵光电检测器106的列方向与该光斑的高度方向一致。此外，面阵光电检测器106的行方向的像元用于检测第四信号光包括的不同波长的单色光的光谱信息，且面阵光电检测器106的行方向的长度与色散装置105的光谱分辨率决定了本光谱成像系统10所能够获取的光谱范围，面阵光电检测器106的每个像元沿上述行方向的长度与色散装置105的光谱分辨率决定了本光谱成像系统10的光谱分辨率。
因此，当采用的面阵光电检测器106的行方向的长度不同时，可得到不同的光谱获取范围。当采用的面阵光电检测器106的像元沿上述行方向的长度不同时，可得到不同的光谱分辨率。当色散装置105的色散元件203为光栅时，采用不同线数的光栅，即可得到不同的光谱获取范围及光谱分辨率。
本实用新型实施例中，通过上述色散装置105与面阵光电检测器106的配合，使得第四信号光即经聚光镜204的汇聚处理的色散后的编码光聚焦在面阵光电检测器106表面，被不同位置的光电检测器像元进行对应的光电转换，输出数据至微控制器107。因此，相比于现有的单色仪，本实用新型实施例提供的色散装置105不包括出射狭缝以及驱动色散元件203转动的驱动部件。此时，面阵光电检测器106能够直接有效地接收到入射的第一信号光中包括的图像信息以及光谱信息。
微控制器107可以包括集成电路芯片，其具有信号的处理能力。微控制器107用于处理由面阵光电检测器106发送的电信号得到成像光谱数据。例如，微控制器107可以包括单片机、DSP、ARM或FPGA等具有数据处理功能的芯片。当然，本实施例中，微控制器107可以为计算机。
为了更清楚的说明本实施例的方案，下面将对本实施例提供的光谱成像系统10的工作过程作进一步描述。
假设阿达玛模板103为应用N阶S循环矩阵构建的一维循环模板，面阵光电检测器106为长宽为A×B的面阵灰度光电检测器。此时，为了得到高分辨率的成像光谱数据即光谱数据立方，需要变换N次阿达玛模板103，且每变换一次阿达玛模板103，则进行一次检测，也就是要进行N次检测。
第1次检测时，控制机构未开始工作，阿达玛模板103处于初始状态，此时阿达玛模板103对应的编码序列为S1，通过微控制器107处理得到此时面阵灰度光电检测器接收到的第四信号光对应的数据为矩阵y1；第一次检测完成后，通过控制机构驱动阿达玛模板103沿编码方向移动一个码元；此时阿达玛模板103对应的编码序列为S2，开始第2次检测，通过微控制器107处理得到此时面阵灰度光电检测器接收到的第四信号光对应的数据为矩阵y2；依次类推，直至第N-1次检测完成后，通过控制机构驱动阿达玛模板103沿编码方向移动一个码元；此时阿达玛模板103对应的编码序列为SN，开始第N次检测，通过微控制器107处理得到此时面阵灰度光电检测器接收到的第四信号光对应的数据为矩阵yN。
进一步，微控制器107根据矩阵y1、y2、……、yN以及与矩阵y1对应的编码序列S1、与矩阵y2对应的编码序列S2、……、以及与矩阵yN对应的编码序列SN即可得到入射的第一信号光的成像光谱数据，即光谱数据立方。
光谱数据立方包括入射到本光谱成像系统10的第一信号光所成的图像信息以及光谱信息。具体的，所述成像光谱数据包括三个维度的信息。其中，第一维度(图3中的X轴方向)的信息和第二维度(图3中的Y轴方向)的信息组成上述图像信息，且第一维度的像素数由阿达玛模板103的编码位数决定，第二维度的像素数由面阵光电检测器106的第一方向的像元数决定。第三维度(图3中的Z轴方向)表示光谱信息。第三维度的单元数由所述面阵光电检测器106的第二方向的像元数决定。所述第一方向即为面阵光电检测器106的列方向，所述第二方向即为面阵光电检测器106的行方向。因此，根据实际应用需要，本实用新型实施例可以通过阿达玛模板103的编码位数以及面阵光电检测器106的列方向的像元数得到不同的图像分辨率，如128×128像素、128×256像素、256×256像素和512×512像素等。
得到如图3所示的光谱数据立方后，可以从该光谱数据立方里以某一波长抽出对应图像信息，也可以某一像素或某一区域的若干像素，抽出对应光谱信息。
另外，本实用新型实施例还提供了一种具体的应用场景。将来自显微镜的荧光成像信号作为第一信号光，引入本光谱成像系统10，成像光透过光阑102、聚焦于阿达玛模板103，经过阿达玛模板103调制的光，被柱面镜组在色散装置105的入射狭缝201处聚焦成为与入射狭缝201尺寸匹配的细长矩形光斑。该光斑即样品的清晰编码图像，且定位于入射狭缝201的刀口正中央。进入色散装置105后色散元件203分光，色散光束聚焦到面阵灰度光电检测器的像元表面。通过控制机构调控阿达玛模板103进行阿达玛变换，微控制器107接收面阵灰度光电检测器发送的电信号，处理得到显微镜下检测到的荧光光谱成像数据立方。该光谱数据立方的每一个像素均可提取对应的荧光光谱信息。通过光谱去混合方法，可以将荧光标记区域进行提取与量化。
下面将对微控制器107处理由面阵光电检测器106发送的电信号得到成像光谱数据的方法进行具体描述。微控制器107包括存储器和处理器，存储器可以用于本实施例提供的数据处理方法对应的指令或模块，处理器用于执行存储于存储器中的各指令或模块得到处理结果。
请参阅图4，本实用新型实施例还提供了一种数据处理方法，应用于上述光谱成像系统中的微控制器107，对接收到的电信号进行处理，得到成像光谱数据。如图4所示，所述方法包括：
步骤S101，根据接收到的所述电信号，得到第一编码数据；
可以理解的是，本实用新型实施例提供的光谱成像系统中，面阵光电检测器接收到的第四信号光为入射的第一信号光经过阿达玛模板编码后，进一步经过第二透镜组的压缩处理以及色散装置的色散后形成的。因此，面阵光电检测器将接收到的第四信号光转换为电信号后，发送到微控制器107，微控制器107对该电信号进行处理得到的是经过阿达玛模板编码的第一信号光，即上述第二信号光对应的数据，作为第一编码数据。
需要说明的是，由于需要对上述第一编码数据进行解码，需要根据阿达玛模板的通道数进行多次阿达玛变换编码，即进行多次检测得到不同编码码元对应的编码数据。因此，步骤S101中，电信号包括多个子信号，第一编码数据包括多个子编码数据，多个子信号与多个子编码数据一一对应。当然，阿达玛模板的通道数、面阵光电检测器的数据采集次数以及子信号的数量相等。采用上述光谱成像系统对当前入射的第一信号光进行检测时，阿达玛模板的每个编码序列均对应于一个子信号。
步骤S102，根据预设的第一编码序列对所述第一编码数据进行解码得到光谱成像数据，其中，所述第一编码序列与所述光谱成像系统中的阿达玛模板对应。
其中，第一编码序列可以预先存储于微控制器107的处理器中，当微控制器107包括有输入输出装置，如鼠标、键盘或触摸屏时，也可以是用户采用输入输出装置实时输入。可以理解的是，上述光谱成像系统中，阿达玛模板的码元是该第一编码序列设置的。因此，通过第一编码序列可以对步骤S101得到的第一编码数据进行解码，从而得到光谱成像数据。
具体的，若阿达玛模板为应用N阶S循环矩阵构建的一维循环模板，若光谱成像系统中的面阵光电检测器为长宽为A×B的灰度光电检测器。阿达玛模板的编码序列包括S1、S2、……、SN，对应的第一编码数据包括矩阵y1、y2、……、yN，每个矩阵表示一个子编码数据，每个编码序列对应于一个子编码数据。
具体的，步骤S102的实施方式可以为：
根据公式：X(A,B,N)＝S-1·Y(A,B,N)得到解码后的第一解码数据。其中，X(A,B,N)表示所述第一解码数据，S表示由所述阿达玛模板对应的N个编码序列构成的矩阵，Y(A,B,N)表示所述第一编码数据。
进一步，再通过预设的光谱定标信息，将行方向的像元序列A转换为光谱波长λ。具体的，可以根据公式：λa＝λ0+k·a+w·(a-1)将第一解码数据X(A,B,N)转换为光谱成像数据X(λ,B,N)，其中，λa表示所述面阵光电检测器的第a+1列像元对应的波长，a为1至A-1的整数，λ0表示预设的所述面阵光电检测器的第1列像元对应的波长，k表示预设的所述面阵光电检测器的第1列像元对应的光谱宽度值，w表示预设的随着所述面阵光电检测器的像元列数的增加对应的光谱宽度的变化值。
其中，预设的光谱定标信息可以通过标准光谱光源对色散装置以及面阵光电检测器进行标定得到。光谱定标信息可以包括：面阵光电检测器的第1列像元对应的波长、面阵光电检测器的第1列像元对应的光谱宽度值以及随着所述面阵光电检测器的像元列数的增加对应的光谱宽度的变化值。光谱定标信息可以预先存储在微控制器107的存储器中，也可以通过微控制器107的输入输出装置实时输入。
例如，面阵光电检测器的第1列像元对应的波长为500nm，面阵光电检测器的第1列像元对应的光谱宽度值为2nm，随着所述面阵光电检测器的像元列数的增加对应的光谱宽度的变化值为0.1nm时，λ0＝500nm，λ1＝502nm，λ2＝504.1nm等。
此时，则将第一解码数据X(A,B,N)转换为光谱成像数据X(λ,B,N)，即得到光谱成像的数据立方，其中，λ表示光谱维度，即图3所示的三维图像的Z方向，N为图3所示的三维图像的X方向，B为图3所示的三维图像的Y方向。
进一步的，为了提高所得到的光谱成像数据的光谱分辨率，步骤S102的具体实施方式还可以为：
根据公式：X(A,B,N)＝S-1·Y(A,B,N)得到解码后的第一解码数据，其中，X(A,B,N)表示所述第一解码数据，S表示由所述阿达玛模板对应的N个编码序列构成的矩阵，Y(A,B,N)表示所述第一编码数据；
将所述第一解码数据的第三维度的数据与预设的多个第二编码序列中的每个所述第二编码序列相乘，得到与每个所述第二编码序列对应的数组；其中，多个第二编码序列可以预先存储于微控制器107的存储器中。例如，多个第二编码序列可以使用M阶循环S循环矩阵设置，其中，M与N不相关。
对得到的每个数组分别进行求和，得到第二编码数据；
根据所述多个第二编码序列对所述第二编码数据进行解码得到第二解码数据X′(A,B,N)；
根据公式：λa＝λ0+k·a+w·(a-1)将第二解码数据X′(A,B,N)转换为光谱成像数据X′(λ,B,N)，其中，λa表示所述面阵光电检测器的第a+1列像元对应的波长，a为1至A-1的整数，λ0表示预设的所述面阵光电检测器的第1列像元对应的波长，k表示预设的所述面阵光电检测器的第1列像元对应的光谱宽度值，w表示预设的随着所述面阵光电检测器的像元列数的增加对应的光谱宽度的变化值。
需要说明的是，当第二次编码使用M阶循环S循环矩阵时，相比于光谱成像数据X(λ,B,N)，光谱成像数据X′(λ,B,N)在光谱维度灵敏度上提高了(M+1)/(2×M1/2)倍。
综上所述，相比于现有技术，本实用新型实施例提供的光谱成像系统通过面阵光电检测器与色散装置的配合，大大压缩了光谱成像数据采集的时间消耗，能够更快速地获取到高光谱分辨率的光谱数据立方，有利于实际使用。
另外，本实用新型实施例还提供了一种包括上述的光谱成像系统10的成像设备。由于装备有上述光谱成像系统10，该光谱成像设备能够通过该光谱成像系统10快速获取到高光谱分辨率的光谱数据立方。例如，光谱成像设备可以为装备有该光谱成像系统10的显微镜、夜视仪、遥感设备、飞机、卫星等。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光谱成像系统，其特征在于，包括第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器以及微控制器，所述第一透镜组、阿达玛模板、第二透镜组、色散装置、面阵光电检测器依次设置，所述面阵光电检测器与所述微控制器电连接；
所述第一透镜组用于将入射的第一信号光准直并聚焦到所述阿达玛模板；
所述阿达玛模板用于在控制机构的驱动下对入射到该阿达玛模板的所述第一信号光进行编码形成第二信号光；
所述第二透镜组用于将由所述阿达玛模板出射的所述第二信号光压缩为与所述面阵光电检测器匹配的第三信号光；
所述色散装置用于对由所述第二透镜组出射的所述第三信号光进行色散分光处理形成按波长分散开的第四信号光；
所述面阵光电检测器用于接收所述色散装置出射的所述第四信号光，将所述第四信号光转化为电信号发送至所述微控制器；
所述微控制器用于处理接收到的所述电信号得到成像光谱数据。
2.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述色散装置包括入射狭缝、准光镜、色散元件以及聚光镜，所述第二透镜组出射的所述第三信号光入射到所述入射狭缝，通过所述入射狭缝的所述第三信号光经所述准光镜准直后入射到所述色散元件，经所述色散元件色散后形成所述第四信号光，所述第四信号光经所述聚光镜按波长聚焦到所述面阵光电检测器的表面。
3.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述阿达玛模板为一维循环编码模板，其序列由循环S矩阵生成，所述一维循环编码模板用于对所述第一信号光进行编码生成所述第二信号光。
4.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述阿达玛模板为液晶空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述阿达玛模板为数字微镜阵列。
6.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述面阵光电检测器为面阵灰度光电检测器。
7.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述成像光谱数据包括三个维度的信息，其中，第一维度的像素数由所述阿达玛模板的编码位数决定，第二维度的像素数由所述面阵光电检测器的第一方向的像元数决定，第三维度的单元数由所述面阵光电检测器的第二方向的像元数决定。
8.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第二透镜组为柱面镜透镜组。
9.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第一信号光的光谱范围包括紫外至红外波段内的任意波段。
10.一种成像设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光谱成像系统。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610731258.8A CN106092319A (zh) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 光谱直读型阿达玛变换光谱成像系统设计 |
| CN2016107312588 | 2016-08-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN206531576U true CN206531576U (zh) | 2017-09-29 |
Family
ID=57225246
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610731258.8A Pending CN106092319A (zh) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 光谱直读型阿达玛变换光谱成像系统设计 |
| CN201710106369.4A Active CN106768336B (zh) | 2016-08-26 | 2017-02-24 | 光谱成像系统、成像设备及数据处理方法 |
| CN201720177360.8U Expired - Fee Related CN206531576U (zh) | 2016-08-26 | 2017-02-24 | 光谱成像系统及成像设备 |
Family Applications Before (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610731258.8A Pending CN106092319A (zh) | 2016-08-26 | 2016-08-26 | 光谱直读型阿达玛变换光谱成像系统设计 |
| CN201710106369.4A Active CN106768336B (zh) | 2016-08-26 | 2017-02-24 | 光谱成像系统、成像设备及数据处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (3) | CN106092319A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106768336A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-31 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 光谱成像系统、成像设备及数据处理方法 |
| CN108024037A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-11 | 华中科技大学 | Hadamard矩阵感知成像系统及其成像方法 |
| CN108267445A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 上海理工大学 | 三维双光子光片显微及光谱多模式成像装置及方法 |
| CN108955887A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-07 | 北京理工大学 | 基于lctf的全偏振高光谱压缩感知成像系统和方法 |
| CN108955882A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-07 | 北京理工大学 | 基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107941696A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-20 | 华中科技大学 | 一种循环s矩阵成像系统及其成像方法 |
| CN109186761B (zh) * | 2018-09-14 | 2024-01-30 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种编码光谱成像系统的定标方法及编码模板 |
| CN109556719B (zh) * | 2018-12-14 | 2023-06-20 | 深圳先进技术研究院 | 一种光谱成像系统及光谱成像方法 |
| CN113108907A (zh) * | 2021-03-01 | 2021-07-13 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种高通量、高信噪比和高灵敏的紫外光谱成像仪 |
| CN116183522A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-05-30 | 西湖大学 | 一种单曝光压缩高光谱成像系统及方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7188132B2 (en) * | 2001-12-25 | 2007-03-06 | Canon Kabushiki Kaisha | Hadamard transformation method and apparatus |
| US20080288568A1 (en) * | 2007-05-14 | 2008-11-20 | Hou Hsieh S | Low power Fast Hadamard transform |
| CN101241069A (zh) * | 2008-03-11 | 2008-08-13 | 武汉大学 | 色散型多功能阿达玛变换显微成像光谱仪 |
| CN101419163A (zh) * | 2008-12-10 | 2009-04-29 | 北京华夏科创仪器技术有限公司 | 阿达玛变换近红外光谱仪 |
| CN203323874U (zh) * | 2013-06-09 | 2013-12-04 | 北京华夏科创仪器技术有限公司 | 一种阿达玛变换光谱仪 |
| CN103743482B (zh) * | 2013-11-22 | 2016-08-17 | 中国科学院光电研究院 | 一种光谱成像装置及光谱成像反演方法 |
| CN104796609B (zh) * | 2015-04-17 | 2018-01-05 | 南京理工大学 | 基于最优哈达玛编码的大视场高分辨率显微成像方法 |
| CN106092319A (zh) * | 2016-08-26 | 2016-11-09 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 光谱直读型阿达玛变换光谱成像系统设计 |
-
2016
- 2016-08-26 CN CN201610731258.8A patent/CN106092319A/zh active Pending
-
2017
- 2017-02-24 CN CN201710106369.4A patent/CN106768336B/zh active Active
- 2017-02-24 CN CN201720177360.8U patent/CN206531576U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106768336A (zh) * | 2016-08-26 | 2017-05-31 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 光谱成像系统、成像设备及数据处理方法 |
| CN106768336B (zh) * | 2016-08-26 | 2018-03-23 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 光谱成像系统、成像设备及数据处理方法 |
| CN108024037A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-05-11 | 华中科技大学 | Hadamard矩阵感知成像系统及其成像方法 |
| CN108024037B (zh) * | 2017-11-28 | 2020-12-18 | 华中科技大学 | Hadamard矩阵感知成像系统及其成像方法 |
| CN108267445A (zh) * | 2018-01-08 | 2018-07-10 | 上海理工大学 | 三维双光子光片显微及光谱多模式成像装置及方法 |
| CN108955887A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-07 | 北京理工大学 | 基于lctf的全偏振高光谱压缩感知成像系统和方法 |
| CN108955882A (zh) * | 2018-07-10 | 2018-12-07 | 北京理工大学 | 基于液晶高光谱计算成像系统的三维数据重构方法 |
| CN108955887B (zh) * | 2018-07-10 | 2020-06-19 | 北京理工大学 | 基于lctf的全偏振高光谱压缩感知成像方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106768336A (zh) | 2017-05-31 |
| CN106768336B (zh) | 2018-03-23 |
| CN106092319A (zh) | 2016-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN206531576U (zh) | 光谱成像系统及成像设备 | |
| Hossain et al. | Combined “dual” absorption and fluorescence smartphone spectrometers | |
| York et al. | Characterization of a visible spectrum division-of-focal-plane polarimeter | |
| Tyo et al. | Total elimination of sampling errors in polarization imagery obtained with integrated microgrid polarimeters | |
| Yee et al. | Miniature spectrometers for biochemical analysis | |
| Tyo et al. | Variable-retardance, Fourier-transform imaging spectropolarimeters for visible spectrum remote sensing | |
| Chen et al. | Calibration method of microgrid polarimeters with image interpolation | |
| Li et al. | Compact static Fourier transform imaging spectropolarimeter based on channeled polarimetry | |
| CN102538969B (zh) | 高分辨率光谱仪及其光学定标方法 | |
| Shibata et al. | Robust full Stokes imaging polarimeter with dynamic calibration | |
| CN102353449A (zh) | 一种极弱光多光谱成像方法及其系统 | |
| CN104297155A (zh) | 一种多通道并行光谱探测系统 | |
| CN109238463A (zh) | 一种基于led的低成本主动式高光谱检测系统 | |
| Yan et al. | High resolution channeled imaging spectropolarimetry based on liquid crystal variable retarder | |
| Cui et al. | Snapshot hyperspectral light field tomography | |
| Dong et al. | DMD-based hyperspectral imaging system with tunable spatial and spectral resolution | |
| Cao et al. | Demonstration of snapshot imaging polarimeter using modified Savart polariscopes | |
| Vaughn et al. | Channeled spatio–temporal stokes polarimeters | |
| Backman et al. | Random target method for fast MTF inspection | |
| Shinoda et al. | Alignment-free filter array: Snapshot multispectral polarization imaging based on a Voronoi-like random photonic crystal filter | |
| Ning et al. | Optimized spatially modulated polarimetry with an efficient calibration method and hybrid gradient descent reconstruction | |
| Scheeline et al. | Stacked, mutually rotated diffraction gratings as enablers of portable visible spectrometry | |
| Chen et al. | Densely folded spectral images of a CCD spectrometer working in the full 200–1000 nm wavelength range with high resolution | |
| Amin et al. | Embedded optics and electronics single digital micromirror device-based agile pixel broadband imager and spectrum analyzer for laser beam hotspot detection | |
| Tetsuno et al. | Subpixel-shift cyclic-Hadamard microscopic imaging using a pseudo-inverse-matrix procedure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200529 Address after: 730000 No.318, Donggang West Road, Chengguan District, Lanzhou City, Gansu Province Patentee after: NORTHWEST INSTITUTE OF ECO-ENVIRONMENT AND RESOURCES, CAS Address before: Chengguan District of Gansu city of Lanzhou province Donggang West Road 730000 No. 320 Patentee before: Institute of environment and Engineering in cold and dry areas, Chinese Academy of Sciences |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170929 Termination date: 20210224 |