CN208171443U - 一种波长可调的高光谱成像仪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光谱成像设备技术领域，涉及一种波长可调的高光谱成像仪装置，在滤光轮的圆周上设计了透明窗口，在对应着透明窗口的同轴光路上装设一个测试光源和光电探测器，用于准确定位波长，滤光轮与光源、前置物镜、透镜组合、传感器和简易机械支架组合制作成波长可调的高光谱成像仪装置，由电机带动滤光轮转动，从而改变光路透镜组合‑传感器中工作的滤光片，来准确定位不同的波长，前置物镜接收光源发出的自然分散光经过透镜组合后形成平行光，平行光的光信号被传感器探测到后转化成模拟电流信号，模拟电流信号经过放大和模数转换，能够实现图像的获取、存储、传输、处理和复现，适用于200‑2500nm的光谱范围，尤其适用于深紫外光波段。

Description

一种波长可调的高光谱成像仪装置

技术领域：

本实用新型属于光谱成像设备技术领域，涉及一种波长可调的高光谱成像仪装置，将一组不同波长的带通滤光片置于滤光轮圈圆周的不同透明窗口中，通过滤光轮的旋转，得到目标物在不同波长条件下的高分辨率的光谱图像。

背景技术：

高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等，可以应用在食品安全、医学诊断、航天领域等领域。随着高光谱成像的光谱分辨率的提高，其探测能力也有所增强，与全色和多光谱成像相比较，高光谱成像有以下显著优势：1、有着近似连续的地物光谱信息，高光谱影像在经过光谱反射率重建后，能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线，与它的实测值相匹配，将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中；2、对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高，高光谱数据能够探测具有诊断性光谱吸收特征的物质，能准确的区分地表植被覆盖类型，道路地面的材料等；3、)地形要素分类识别方法是多种多样的，影像分类既可以采用如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机的模式识别方法，也可以采用基于被探测物的光谱数据库的光谱进行匹配的方法，分类识别特征是既可以采用光谱诊断特征，也可以采用特征选择与提取；4、地形要素的定量和半定量分类识别将成为可能，在高光谱影像中能估计出多种被探测物的状态参量，大大的提高了成像高定量分析的精度和可靠性。中国专利201720676443.1公开的一种可视化对焦高光谱成像仪包括高光谱成像系统和高光谱目视取景系统；高光谱成像系统包括物镜和沿光路依次设置在物镜后方的狭缝、光谱仪系统、探测器；高光谱目视取景系统包括反射平板、对焦屏、会聚透镜、五角棱镜和目镜；所述反射平板位置可调，反射平板设置在物镜与狭缝之间的光路下方，对焦屏、会聚透镜、五角棱镜依次设置在成像光线经反射平板反射后的光路上，目镜设置在五角棱镜的入射光路或出射光路上；目镜设置在五角棱镜出射光路上时，会聚透镜的光轴与五角棱镜的入射边垂直，目镜的光轴与五角棱镜的出射边垂直；目镜设置在五角棱镜入射光路上时，目镜和会聚透镜的光轴与五角棱镜入射边垂直；中国专利201720675871.2公开的一种自动对焦高光谱成像仪包括高光谱成像系统和自动对焦系统；高光谱成像系统包括物镜和沿光路依次设置在物镜后方的狭缝、光谱仪系统、探测器；自动对焦系统包括反射平板、对焦成像透镜组、自动对焦探测器、液晶显示系统、数据处理驱动模块和驱动装置；所述反射平板位置可调，反射平板设置在物镜与狭缝之间的光路下方，对焦成像透镜组设置在成像光线经反射平板反射后的光路上，对焦成像透镜组的像面上安装自动对焦探测器，自动对焦探测器分别与液晶显示系统、数据处理驱动模块连接，数据处理驱动模块控制驱动装置，驱动装置带动物镜前后调焦移动；中国专利201510956790.5公开的一种石油天然气探测高光谱成像仪包括连接板、固定架、成像屏、成像装置，连接板底部两端固定有固定架，固定架底板中间位置设置孔槽内部通过旋转轴承装配有成像装置，成像装置顶部安装有成像屏，固定架底部一端边缘安装有探测棒，另一端边缘安装有气体检测系统，探测棒底部端面附着有检测片，顶部连接有数据线，数据线另一端连接在成像装置顶部，成像装置底部中间一侧通过镜头固定盖设置有红外线镜头，成像装置底部另一侧通过摄像镜头固定盖连接有摄像镜头；中国专利201620491121.5公开的一种基于旋转滤光片单色器的高光谱成像仪包括前置望远准直系统、单色器和汇聚成像系统，所述前置望远准直系统由主反射镜和次反射镜组成，其中主反射镜为凹面二次旋转抛物面镜，主反射镜和主反射镜的焦点之间设有一次反射镜，主反射镜的焦点与次反射镜的焦点位置重合，该次反射镜为凸面二次旋转抛物面镜，主反射镜中间设置有一开口；所述前置望远准直系统设于单色器的进光通道前侧，该单色器上设有第一工作通道、第二工作通道、第三工作通道和第四工作通道；所述汇聚成像系统由第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组组成；中国专利201610355760.3公开的一种基于旋转滤光片单色器的高光谱成像仪包括前置望远准直系统、单色器、会聚成像系统、光电接收处理系统和显示器，所述前置望远准直系统包括主反射镜和次反射镜，主反射镜为凹面二次旋转抛物面镜，次反射镜为凸面二次旋转抛物面镜，所述会聚成像系统包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述光电接收处理系统包括第一CCD探测器、第二CCD探测器、第三CCD探测器、第四CCD探测器和信号处理器；中国专利201210058888.5公开的一种具有高通量，高信噪比，高稳定，结构简单的Sagnac型干涉成像光谱仪包括光源，前置光学模块，干涉光路模块，信息收集和分析模块，定标模块；A、成像光谱仪采用卤钨灯照射待分析的样品，可以提供高通量的入射能量。B、干涉模块为成像光谱仪的核心部分，由4块安装调试简易的直角三角形玻璃组成，形成Sagnac型光路，2块作为反射镜的三角形玻璃非对称的放置，入射光束被切割分为相同或近似的2束。C、定标模块由小型固体激光器、反射镜以及自动狭缝组成。当系统启动自检模式或进行调整时，激光器打开，狭缝关闭主光路，系统进入定标模式。D、信息收集与分析模块主要由光收集模块和面阵探测器组成，由面阵探测器得到的空间图像及干涉图像经过傅里叶变换处理后，得到高光谱图像。中国专利201010220824.1公开的一种基于压缩感知的高光谱成像仪包括透镜组、色散元件、空间光调制器、线列探测器和外围电路，该色散元件位于透镜组后端且在透镜组成像的焦点上，空间光调制器位于色散元件后端，线列探测器位于空间光调制器的后端且在空间光调制器成像的焦点上，外围电路分别与空间光调制器和线列探测器连接，被采集的线光源所包含各个谱段的光经过色散元件后在空间上分开形成由空间维和光谱维组成的面光源，该面光源通过空间光调制器调制后在空间维的方向上重新汇聚，形成由光谱维组成的线光源。

光谱成像仪可同时采集地面物体的空间特征和光谱特性，能够对陆地、海洋等多种环境进行精确探测，在工业、农业、制造业、医药学和航空航天遥感测绘等领域都有广泛应用。高光谱成像仪光谱分辨率可以达到纳米量级，从紫外到可见光到近红外，更高的光谱分辨率和更宽的谱段范围可以为遥感提供更加丰富的空间与光谱信息，使人们在大千世界中能更好地认识事物。高光谱成像仪按照分光方式分类，有棱镜型成像光谱仪、光栅型成像光谱仪和干涉型成像光谱仪，棱镜型成像光谱仪基于棱镜色散原理，由于棱镜材料的特性，色散角不均匀分布，后期不好进行数据处理；光栅型成像光谱仪基于光学衍射原理，容易高阶谱线干扰，既不利于宽谱段上分光，也损失一部分能量。干涉型成像光谱仪尺寸较大，光路复杂。因此，研发设计一种结构简单、分辨率高、谱段和波长可调的高光谱成像仪装置，有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种结构简单、分辨率高、谱段和波长可调的高光谱成像仪装置，得到无干扰谱线和信噪比高的图像。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的波长可调的高光谱成像仪装置的主体结构包括底座、一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、前置物镜、透镜组合、电机、滤光轮、通孔、滤光片、透明窗口和传感器；矩形板状结构的底座的上表面上从左至右依次设置有一号支架、二号支架、三号支架和四号支架，底座分别与一号支架、二号支架、三号支架和四号支架螺栓式连接，一号支架的顶端安装有前置物镜，二号支架的顶端安装有透镜组合，透镜组合的主体结构包括大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜从左至右依次排列，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜的中心位于同一条直线上，三号支架的顶端安装有电机，电机与圆形结构的滤光轮连接，滤光轮的圆周上等间距开设有n-2个圆形结构的通孔，其中n-1个通孔中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片，其余1个通孔中安装有圆形结构的透明窗口，四号支架的顶端安装有传感器；前置物镜、透镜组合、其中一个滤光片和传感器的中心在同一条水平光路上。

本实用新型与现有技术相比，在滤光轮的圆周上设计了一个透明窗口，在对应着透明窗口的同轴光路上装设一个测试光源和光电探测器，用于准确定位波长，滤光轮与光源、前置物镜、透镜组合、传感器和简易机械支架组合制作成波长可调的高光谱成像仪装置，由电机带动滤光轮转动，从而改变光路透镜组合-传感器中工作的滤光片，来准确定位不同的波长，前置物镜接收光源发出的自然分散光经过透镜组合后形成平行光，平行光的光信号被传感器探测到后转化成模拟电流信号，模拟电流信号经过放大和模数转换，能够实现图像的获取、存储、传输、处理和复现；其结构简单，分辨率高，波长通道多，谱段灵活可调，无干扰谱线，信噪比高，适用于200-2500nm的光谱范围，尤其适用于深紫外光波段。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的透镜组合的主体结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的滤光轮的主体结构原理示意图。

图4为本实用新型涉及的高光谱成像仪装置进行波长定位的原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的波长可调的高光谱成像仪装置的主体结构包括底座1、一号支架3、二号支架4、三号支架5、四号支架6、前置物镜9、透镜组合10、电机11、滤光轮12、通孔13、滤光片14、透明窗口15和传感器16；矩形板状结构的底座1的上表面上从左至右依次设置有一号支架3、二号支架4、三号支架5和四号支架6，底座1分别与一号支架3、二号支架4、三号支架5和四号支架6螺栓式连接，一号支架3的顶端安装有前置物镜9，二号支架4的顶端安装有透镜组合10，透镜组合10的主体结构包括大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103，大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103从左至右依次排列，大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103的中心位于同一条直线上，三号支架5的顶端安装有电机11，电机11与圆形结构的滤光轮12连接，滤光轮12的圆周上等间距开设有2-n(n为大于2的整数)个圆形结构的通孔13，其中n-1个通孔13中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片14，其余1个通孔13中安装有圆形结构的透明窗口15，四号支架6的顶端安装有传感器16；前置物镜9、透镜组合10、其中一个滤光片14和传感器16的中心在同一条水平光路上。

本实施例涉及的底座1、一号支架3、二号支架4、三号支架5和四号支架6的材质均为不锈钢；前置物镜9为透射式物镜，前置物镜9能够收集发出的发散光；透镜组合10中的大口径准直透镜101为通光口径为0.1毫米至7厘米的准直透镜，聚焦透镜102为透射式透镜，小口径准直透镜103为通光口径为0.01毫米至2厘米的准直透镜；电机11为减速电机、伺服电机或直流步进马达，电机11转动时带动滤光轮12旋转以选择光路透镜组合10-传感器16中的不同波长的滤光片14；滤光轮12的驱动方式包括电动、手动、磁动和声动，滤光轮12上的通孔13的数量根据所需不同波长的滤光片14的数量选取，通孔13的数量比滤光片14的数量多1个；滤光片14为带通型滤光片；透明窗口15作为发出其他波段波长的测试光源200的通过窗口；传感器16为感光成像传感器CCD(电荷耦合元件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。

本实施例涉及的光电传感测量装置使用时，将滤光轮12上的通孔13依次编号为0、1、2、3……N，并在编号为1、2、3……N的通孔13中依次置入不同波长的滤光片14，滤光片14对应的波长分别为λ₁，λ₂……λ_N，编号为0的没有置入滤光片14的通孔13为透明窗口15，在透明窗口15的左侧装设测试光源200，在透明窗口15的右侧装设光电探测器300，测试光源200的波长为λ₀，测试光源200和光电探测器300的光路位于同一条轴线上，测试光源200包括激光器、发光二极管、灯和自然光，波长λ₀是包括在测试光源200光谱波段中的一个波长，光电探测器300能够探测波长为λ₀的光；开启电机11使其带动滤光轮12旋转，待前置物镜9、透镜组合10、其中一个滤光片14和传感器16的中心在同一条水平光路上时，打开，发出自然发散光，前置物镜9接收发散光，发散光经过大口径准直透镜101时被大口径准直透镜101耦合为平行光，平行光经过聚焦透镜102时被聚焦透镜102聚焦为小光场范围的光，小光场范围的光经过小口径准直透镜103时被小口径准直透镜103耦合为小光场范围的平行光，传感器16将探测到的小光场范围的平行光的光信号转换为模拟电流信号，模拟电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现；期间，当光电探测器300探测到测试光源200发出的光信号时，说明1号通孔13中的滤光片14在光路透镜组合10-传感器16的光轴上，传感器16探测到的是波长为λ₁的光信号，滤光轮12匀速转动一圈的时间为T，滤光轮12有N个通孔13，传感器16每隔T/N的时间探测到一次光信号P，P为波长λ对应的光信号，光电探测器300探测到的光信号为P₀，P₀为波长λ₀对应的光信号，则波长λ_i、光信号P和P₀与时间T的对应关系下表所示：

T

0

T/N

2T/N

……

(N-1)T/N

T

T+T/N

T+2T/N

……

λ

λ1

λ2

λ3

……

λN

λ1

λ2

λ3

……

P0

1

0

0

……

0

1

0

0

……

P

P1

P2

P3

……

Pn

P1

P2

P3

……

从上表中能够看出，测试光源200和光电探测器300能够对波长λ进行准确定位，还能对其他波长进行准确定位，从而准确地得到传感器16对不同波长的响应。

Claims (1)

1.一种波长可调的高光谱成像仪装置，其特征在于主体结构包括底座、一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、前置物镜、透镜组合、电机、滤光轮、通孔、滤光片、透明窗口和传感器；矩形板状结构的底座的上表面上从左至右依次设置有一号支架、二号支架、三号支架和四号支架，底座分别与一号支架、二号支架、三号支架和四号支架螺栓式连接，一号支架的顶端安装有前置物镜，二号支架的顶端安装有透镜组合，透镜组合的主体结构包括大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜从左至右依次排列，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜的中心位于同一条直线上，三号支架的顶端安装有电机，电机与圆形结构的滤光轮连接，滤光轮的圆周上等间距开设有n-2个圆形结构的通孔，其中n-1个通孔中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片，其余1个通孔中安装有圆形结构的透明窗口，四号支架的顶端安装有传感器；前置物镜、透镜组合、其中一个滤光片和传感器的中心在同一条水平光路上。