《一种快速准连续多光谱成像系统及其成像方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种快速准连续多光谱成像系统及其成像方法.pdf（6页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103344333 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344333 A *CN103344333A* (21)申请号 201310250192.7 (22)申请日 2013.06.18 G01J 3/28(2006.01) (71)申请人 中国计量学院 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区学 源街 258 号 (72)发明人 吴海啸 周睿 赖立群 洪文娟 陈华才 (54) 发明名称 一种快速准连续多光谱成像系统及其成像方 法 (57) 摘要 一种快速准连续多光谱成像系统， 包括高速 相机、 准连续分光装置和扫描驱动机构， 其特征在 于 。
2、： 所述扫描驱动机构由步进电机及单片机控制 的霍尔传感器组成， 步进电机控制滤光片轮的旋 转及停留时间， 单片机控制的霍尔传感器配合步 进电机控制滤光片轮的定位和复位 ； 所述的准连 续分光装置通过卡口配合设置在高速相机的机身 与成像镜头之间， 在所述的扫描驱动机构驱动下， 对通过相机镜头进入相机机身内的光线进行处 理， 获得准连续的单色光， 并依次聚焦到成像传感 器上， 获得一系列准连续的光谱图像， 经图像融合 后获得待测目标的准连续多光谱图像。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1。
3、页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103344333 A CN 103344333 A *CN103344333A* 1/1 页 2 1. 一种快速准连续多光谱成像系统， 包括高速相机、 准连续分光装置和扫描驱动机构， 其特征在于 ： 所述的准连续分光装置通过卡口配合设置在高速相机的机身与成像镜头之 间， 在所述的扫描驱动机构驱动下， 对通过相机镜头进入相机机身内的光线进行处理， 获得 准连续的单色光， 并依次聚焦到成像传感器上， 获得一系列准连续的光谱图像。 2. 如权利要求 1 所述的一种快速准连续光谱成像系统， 其特征在于所述的准连续分光 装置由准连续干涉滤光片组和滤光。
4、片轮组成， 所述的准连续干涉滤光片组由一组光谱通带 半宽度为 1nm 200nm， 中心波长间隔为 5nm 200nm 的准连续波长带通滤光片组成， 也可 根据需要选择配置各滤光片的通带半宽度、 中心波长及波长间隔， 按波长顺序安装在所述 的滤光片轮上， 由扫描驱动机构驱动以一定速度旋转并在特定位置暂停， 旋转速度、 暂停位 置及时间与所述相机镜头曝光时间及间隔由扫描驱动机构控制， 实现相互匹配以进行不同 波长下的图像采集。 3. 如权利要求 1 所述的一种快速准连续光谱成像系统， 其特征在于 ： 所述滤光片的直 径与所述的成像传感器的尺寸相适应， 保证来自镜头的光线能全部通过滤光片， 并聚焦。
5、在 成像传感器的成像焦平面上。 4. 如权利要求 1 所述的一种快速准连续光谱成像系统， 其特征在于 ： 所述扫描驱动机 构由步进电机及单片机控制的霍尔传感器组成， 步进电机控制滤光片轮的旋转及停留时 间， 单片机控制的霍尔传感器配合步进电机控制滤光片轮的定位和复位。 5. 如权利要求 1 所述的一种快速准连续光谱成像系统， 其特征在于 ： 利用所述的成像 系统进行快速光谱成像的方法包括以下步骤 ： (1) 单波长多光谱图像采集 ： 被测目标置于光谱相机的前方， 调节相机的焦距、 光圈和 曝光时间 ； 选定成像光谱波长， 步进电机在霍尔传感配合单片机的控制下， 将选定波长的滤 光片定位在相机镜。
6、头正后方， 高速光谱相机曝光， 快速获取被测目标的各单波长高光谱图 像。 (2) 准连续多光谱图像采集 ： 被测目标置于光谱相机的前方， 调节相机的焦距、 光圈和 曝光时间， 步进电机驱动滤光片组旋转， 霍尔传感器配合单片机控制步进电机， 让每个滤光 片依次在相机镜头正后方位置做短暂停留， 同时高速光谱相机的快门启动曝光， 快速获取 被测目标在准连续波长下的多幅光谱图像， 并保存。 权 利 要 求 书 CN 103344333 A 2 1/3 页 3 一种快速准连续多光谱成像系统及其成像方法 所属技术领域 0001 本发明涉及一种多光谱成像装置， 具体地说是一种快速准连续多光谱成像系统及 其成。
7、像方法。 背景技术 0002 光谱成像技术作为一种面向资源调查、 环境监测和伪装检查等领域的观测新技 术， 在世界范围内尤其是发达国家正得到日益广泛的应用。 0003 光学成像仪获得物体的影像信息， 光谱仪获得物质的光谱信息， 这两类光学技术 均已有数百年的发展史， 但在上世纪五十年代前， 它们基本上是独立发展的。 0004 光谱成像技术是将光学成像与光谱分析技术结合起来一种分析技术。 光谱成像是 在电磁波的紫外、 可见光、 近红外和中红外区域， 获取连续光谱中不同频率下的光谱图像数 据， 它包含了被观测物体的图像信息和光谱信息。因此光谱成像技术极大地提高了对被测 目标的识别与分析能力。 随着。
8、光学成像技术、 光谱分析技术、 高分辨率高灵敏度图像传感器 技术， 尤其是计算机海量数据处理能力的高速发展， 光谱成像技术逐步进入实用化阶段， 在 遥感资源调查和军事侦察等领域受到高度的重视。 0005 光谱成像系统主要由光学成像仪和光谱仪两部分构成。 目前最常见的光谱成像系 统采用液晶推扫模式， 将目标平面分解成若干线条， 每个线条的各个点通过透镜组、 狭缝、 棱镜构成的分光系统， 获得该点的光谱信息， 同时成像在面阵图像传感器上 ( 通常是面阵 CCD) 获得该线条的图像信息。机械推扫装置连续移动目标位置， 即可获得整个目标平面的 光谱信息和图像信息。 0006 推扫式光谱成像技术由于受到。
9、推扫行为模式的限制， 成像速度较慢， 通常只能适 用于实验室研究等特殊场合， 或者需要加装复杂的扫描装置才能用于固定机位状态下的光 谱成像测量。 0007 中国发明专利 “实现高光谱成像的方法 ( 申请号 ： 200810024209.6 ； 公开号 ： CN101285885A)” 提出了 3 种近似的实现高光谱成像的方法， 该方法利用数字微镜或反射式 液晶或透射式液晶等光阀类面阵元件对像素点的能量进行控制， 采用像素寻址扫描技术逐 点打开指定的像素或像素群， 将目标像的光能量逐点的送入光谱分析系统， 并利用线阵 CCD 器件记录每个像素点的二维空间的光谱信息。 但该方法装置结构复杂， 成本。
10、高。 由于采用对 像素点的逐点扫描， 成像速度慢， 像素之间的干扰严重。中国发明专利 “一种植被多 / 高光 谱成像装置(申请号 ： 201010612022.5 ； 公开号 ： CN102162851A)” 提出了一种关于植被的多 / 高光谱成像装置， 它包括一滤色片壳体、 一光学镜头、 一成像单元、 放置在所述滤色片壳体 中的滤色片、 一滤色片更换装置、 一计算机和一电源 ； 其中， 所述滤色片壳体、 光学镜头和成 像单元顺序排列， 且各中心同轴 ； 所述光学镜头与成像单元固连， 且所述成像单元位于所述 光学镜头的成像面上 ； 所述滤色片更换装置的控制端电连接所述计算机， 所述成像单元与 。
11、计算机进行数据及控制信号通信 ； 所述电源为各用电设备供电。该装置能够实现对地表植 被变化、 生物组分和生化组分的估算， 但该装置结构复杂、 滤色片更换速度慢， 不能实现快 说 明 书 CN 103344333 A 3 2/3 页 4 速光谱扫描。 发明内容 0008 为了克服现有的光谱成像系统成像速度慢、 使用条件受限制、 装置成本高等不足， 本发明提供了一种能够实现快速准连续的多光谱成像系统。 0009 为实现上述目标， 本发明采取以下技术方案 ： 一种快速准连续多光谱成像系统， 其 特征在于 ： 包括高速相机、 准连续分光装置、 扫描驱动机构。 0010 所述高速相机包括相机机身、 相机。
12、镜头、 成像传感器， 与计算机或数据存储设备通 过数据连接线连接， 实现数据通信。 0011 所述的准连续分光装置通过卡口配合设置在高速相机的镜头与相机机身之间， 在 所述的扫描驱动机构驱动下， 对通过相机镜头进入相机机身内的光线进行处理， 获得准连 续的单色光， 并依次聚焦到成像传感器上， 获得一系列准连续的光谱图像。 0012 所述的准连续分光装置由准连续干涉滤光片组和滤光片轮组成， 所述的准连续干 涉滤光片组由一组光谱通带半宽度为1nm200nm， 中心波长间隔为5nm200nm的准连续 波长带通滤光片组成， 也可根据需要选择配置各滤光片的通带半宽度、 中心波长及波长间 隔， 按波长顺序。
13、安装在所述的滤光片轮上， 由扫描驱动机构驱动以一定速度旋转并在特定 位置暂停， 旋转速度、 暂停位置及暂停时间与所述相机镜头曝光时间相匹配， 以进行不同波 长下的图像采集。 0013 所述滤光片的直径与所述的成像传感器的尺寸相适应， 保证来自镜头的光线能全 部通过滤光片， 并聚焦在成像传感器的成像焦平面上。所述扫描驱动机构由步进电机及单 片机控制的霍尔传感器组成， 步进电机控制滤光片轮的旋转及停留时间， 单片机控制的霍 尔传感器配合步进电机控制滤光片轮的定位和复位。 0014 利用所述的成像系统进行快速光谱成像的方法包括以下步骤 ： 0015 (1) 单波长多光谱图像采集 ： 被测目标置于光谱。
14、相机的前方， 调节相机的焦距、 光 圈和曝光时间 ； 选定成像光谱波长， 步进电机在霍尔传感配合单片机的控制下， 将选定波长 的滤光片定位在相机镜头正后方， 高速光谱相机曝光， 快速获取被测目标的各单波长高光 谱图像。 0016 (2) 准连续多光谱图像采集 ： 被测目标置于光谱相机的前方， 调节相机的焦距、 光 圈和曝光时间， 步进电机驱动滤光片组旋转， 霍尔传感器配合单片机控制步进电机， 让每个 滤光片依次在相机镜头正后方位置做短暂停留， 同时高速光谱相机的快门启动曝光， 快速 获取被测目标在准连续波长下的多幅光谱图像， 并保存。 0017 本发明由于采用以上技术方案， 其具有以下有益效果。
15、 ： 0018 (1) 本发明装置采用准连续干涉滤光片组与 CCD 面阵成像传感器相配合， 在扫描 滤光片的同时快速获取被测目标在不同波长下的整体图像， 将多个波长下的图像重构， 即 可获得被测目标的多光谱成像。成像速度快， 采集单幅光谱图像的时间与高速相机快门同 步， 采集连续光谱图像时无需移动被测目标， 一次获得被测目标的全视场图像信息， 大大节 省了光谱成像时间。 0019 (2) 本发明装置由步进电机及单片机控制的霍尔传感器组成扫描驱动机构控制滤 光片轮的旋转、 停留、 定位及复位， 机械结构简单精确， 在波段快速、 准连续变换时能够保证 说 明 书 CN 103344333 A 4 。
16、3/3 页 5 光路的稳定性， 有助于获取高质量的准连续高光谱图像。 0020 (3) 本发明装置结构简单， 体积小， 不需配备专用计算机， 可与普通计算机或数据 存储设备连接实现数据通信， 可以便携使用， 同时适用于野外等实验条件艰苦的地方， 适用 范围广泛。 附图说明 0021 图 1 是本发明装置系统安装方式的结构示意图。 0022 图 2 是本发明中滤光片轮的结构示意图。 0023 图 3 是本发明成像原理图。 0024 附图中， 1. 辅助光源， 2. 相机镜头， 3. 相机机身， 4. 滤光片轮， 5. 成像传感器， 6. 步进电机， 7. 霍尔传感器， 8. 计算机， 9. 数据。
17、连接线， 10. 待测目标， 11. 滤光片。 具体实施方式 0025 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。 0026 本发明包括 ： 相机机身 3、 相机镜头 2、 滤光片轮 4、 步进电机 6、 由单片机控制的霍 尔传感器 7、 成像传感器 5、 辅助光源 1、 数据连接线 9 及计算机 8。相机机身 3、 相机镜头 2、 滤光片轮 4 和图像传感器 5 按照相机镜头 2- 滤光片轮 4- 相机机身 3- 图像传感器 5 的顺 序连接。滤光片轮 4 与由单片机控制并装有霍尔传感器 7 的步进电机 6 相连， 单片机通过 霍尔传感器 7 返回的定位信号控制步进电机 6 来实现滤光片轮。
18、 4 的旋转、 定位及复位。滤 光片轮4由一组光谱通带半宽度为1nm200nm， 中心波长间隔为5nm200nm的准连续波 长带通滤光片 11 组成， 也可根据需要选择配置各滤光片的通带半宽度、 中心波长及波长间 隔。 0027 使用本发明时， 接通电源， 调节相机的焦距、 光圈大小和曝光时间， 以获得清晰的 图像。 打开计算机8， 霍尔传感器7协助单片机控制步进电机驱动滤光片轮4旋转到设定的 起始位置， 即滤光片轮的复位。复位后， 步进电机 6 控制滤光片轮 4 快速旋转， 当某个选定 波长滤光片 11 旋转到相机镜头 2 正后方时， 霍尔传感器 7 返回定位信号给单片机， 由单片 机控制步。
19、进电机和滤光片轮 4 停止旋转并作短暂停留， 并启动相机快门， 获得一张该选定 波长下被测目标的单波长高光谱图像， 然后步进电机控制滤光片轮 4 继续旋转， 当下一个 所需波长滤光片 11 旋转到相机镜头 2 正后方时， 再由霍尔传感器 7 配合单片机控制步进电 机和滤光片轮 4 停止旋转作短暂停留， 启动相机快门， 采集图像。如此重复， 获得被测目标 在各选定波长下的单波长高光谱图像并保存 ( 如图 3 所示 )， 经计算机 8 图像融合处理后 即可得到被测目标的全光谱准连续高光谱图像。若实验环境光线不足， 影响到图像采集效 果， 可打开辅助光源 1， 从被测目标 10 两侧以 45照射被测目标 10， 提供照明补偿， 提高图 像效果。 说 明 书 CN 103344333 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103344333 A 6 。