一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，包括高速分光裝置、成像單元、直角反射鏡頭、計算機、信號采集與處理模塊等；所述高速分光裝置位于成像單元與直角反射鏡頭之間，對通過直角反射鏡頭進入的光線進行處理，獲得相應的單色光，并依次聚焦到所述成像單元上，得一系列光譜圖像；所述高速分光裝置和成像單元均通過信號采集與處理模塊相連與計算機相連。本實用新型在極大提高光譜通道切換速度，實現光譜高速掃描的同時，把整個系統的動量擾動，抖動和功率消耗等降到最低，其可靠性得到顯著提高。且這個角速度可以任意調高，使得每一個濾光片在允許曝光的情況下獲得多個序列，改善系統同步性并提高圖像信噪比。
【專利說明】
一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種高光譜成像技術領域，尤其涉及一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置。
【背景技術】
[0002]光譜成像技術作為一種面向資源調查、環境監測和偽裝檢查等領域的觀測新技術，在世界范圍內尤其是發達國家正得到日益廣泛的應用。
[0003]光學成像儀獲得物體的影像信息，光譜儀獲得物質的光譜信息，這兩類光學技術均已有數百年的發展史，但在上世紀五十年代前，它們基本上是獨立發展的。
[0004]高光譜成像技術結合了兩個著名的科學方法，即光譜和成像。它通過把色散光學與普通成像設備有機結合，來獲取圖像每個像素點的光譜信息。這種結合可對同一目標物在不同波段情況下獲得圖像來創建一個3維的目標物信息數據庫，其中包括2維的圖像信息和一維的光譜信息。因此，高光譜圖像可定義為在不同波長下所獲得圖像的集合或者每個像素點所包含不同成像場景光譜值的集合。
[0005]成像光譜技術以物質的分析理論為基礎，涉及光學設計、成像技術、光電探測、信號處理與信息挖掘、光譜信息傳輸等研究領域，成像光譜技術是指在電磁波波譜的可見光、近紅外和紅外等波段區域針對研究對象獲取許多非常窄且光譜連續的二維空間圖像信息及一維光譜信息的光學遙感技術，該技術可通過記錄觀測場景中研究對象光譜特征的完整且連續的光譜曲線，能夠達到準實時地獲取研究對象的空間影像信息和在探測器上每個像元對應的光譜分布，然后，通過相應的圖像處理技術，獲得包含研究對象的二維空間信息及一維光譜信息的三維圖像數據立方體，實現了對研究對象的空間、輻射、光譜三種信息的同步獲取。與幾何成像儀相比，由于成像光譜儀在獲得目標圖像信息的同時，還能夠得到空間可分辨單元的光譜特征，因此，成像光譜儀獲得的信息量很大。
[0006]中國實用新型專利“一種快速準連續多光譜成像系統及其成像方法”(申請號:201310250192.7 ；公開號:CN103344333A)”提出了能夠實現快速準連續的多光譜成像系統，其掃描驅動機構由步進電機及單片機控制的霍爾傳感器組成，步進電機控制濾光片輪的旋轉及停留時間，單片機控制的霍爾傳感器配合步進電機控制濾光片輪的定位和復位。該系統在準連續多光譜圖像采集時步進電機驅動濾光片組旋轉，霍爾傳感器配合單片機控制步進電機，讓每個濾光片依次在相機鏡頭正后方位置做短暫停留，但這種方法導致濾光輪在每次切換濾光器時都要經過角加速度和角減速度的過程，這種加速和減速需要相對比較大且耗能的電機，而這種電機往往振動會比較大，會對位置的精度和系統的穩定性產生不利影響。也會使得相機獲取第一幀到最后一幀圖片的時間間隔非常大，這種連續啟停的方式導致系統功耗大，濾色片更換速度慢，不能實現高速光譜掃描。
【實用新型內容】
[0007]為了克服現有的高光譜成像系統功耗大，濾色片更換速度慢，不能實現高速光譜掃描的不足，本實用新型提供一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置。
[0008]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像系統，包括高速分光裝置、成像單元、直角反射鏡頭、計算機、信號采集與處理模塊、外殼;其中，所述外殼包括底盤、筒壁和上蓋，筒壁固定安裝在底盤上，上蓋放置在筒壁的上部，上蓋上開有通孔;所述直角反射鏡頭安裝在上蓋上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤上，成像單元安裝在與底盤固連的支架上;所述成像單元位于直角反射鏡頭的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元與直角反射鏡頭之間；所述高速分光裝置和成像單元均與信號采集與處理模塊相連，信號采集與處理模塊和成像單元均與計算機相連。
[0009]進一步的，所述直角反射鏡頭包括平面反射鏡和透鏡;所述平面反射鏡設置在透鏡后面;光線穿過透鏡并通過平面反射鏡使得光線旋轉90度。
[0010]進一步的，所述高速分光裝置包括霍爾傳感器、濾光輪和掃描驅動機構;所述濾光輪安裝在掃描驅動機構上;所述成像單元包括濾色片和高速圖像傳感器;所述濾光輪上開有若干安裝濾色片的通槽;所述每個通槽的側面均安裝有一個永磁磁鐵，其中起始通槽處另加放一個永磁磁鐵;所述霍爾傳感器安裝在與底盤固連的支架上;霍爾傳感器和信號采集與處理模塊相連;所述高速圖像傳感器安裝在與底盤固連的支架上;所述高速圖像傳感器與計算機相連。
[0011]進一步的，所述掃描驅動機構包括:驅動器、聯軸器、內部集成步進電機的轉臺；其中，所述轉臺安裝在外殼的底盤上;所述濾光輪通過聯軸器與轉臺相連;步進電機與驅動器相連，驅動器和信號采集與處理模塊相連。
[0012]本實用新型的有益效果是:本實用新型在極大提高光譜通道切換速度，實現光譜高速掃描的同時，把整個系統的動量擾動，抖動和功率消耗等降到最低，其可靠性得到顯著提高。且這個角速度可以任意調整，使得每一個濾光片在允許曝光的情況下獲得多個序列，改善系統同步性并提高圖像信噪比。
【附圖說明】
[0013]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0014]圖1是本實用新型的結構不意圖；
[0015]圖2是本實用新型的內部結構不意圖；
[0016]圖3是實用新型的濾光片輪的結構示意圖；
[0017]圖4是實用新型的成像原理圖；
[0018]圖中，1.霍爾傳感器，2.濾光輪，3.永磁磁鐵，4.聯軸器，5.直角反射鏡頭，6.平面反射鏡，7.透鏡，8.成像單元，9.濾光片，10.高速圖像傳感器，11.計算機，12.集線器，13.信號采集與處理模塊，14.轉臺，15.濾光輪凹槽，16.底盤，17.支架，18.上蓋。
【具體實施方式】
[0019]下面結合說明書附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0020]如圖1-4所示，本實用新型包括高速分光裝置、成像單元8、直角反射鏡頭5、計算機
11、信號采集與處理模塊13、外殼;其中，所述外殼包括底盤16、筒壁和上蓋18，筒壁固定安裝在底盤16上，上蓋18放置在筒壁的上部，上蓋18上開有通孔;所述直角反射鏡頭5安裝在上蓋18上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤16上，成像單元8安裝在與底盤16固連的支架17上;所述成像單元8位于直角反射鏡頭5的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元8與直角反射鏡頭5之間，對通過直角反射鏡頭5進入的光線進行處理，獲得相應的單色光，并依次聚焦到所述成像單元8上，得一系列光譜圖像;所述高速分光裝置和成像單元8均與信號采集與處理模塊13相連，信號采集與處理模塊13和成像單元8均與計算機11相連。實施過程中為了方便連接，信號采集與處理模塊13和成像單元8可通過集線器12與計算機11相連。
[0021]如圖4所示，所述直角反射鏡頭5包括平面反射鏡6和透鏡7;所述平面反射鏡6設置在透鏡7后面;光線穿過透鏡7并通過平面反射鏡6使得光線旋轉90度。
[0022]所述高速分光裝置包括霍爾傳感器1、濾光輪2和掃描驅動機構;所述濾光輪2安裝在掃描驅動機構上;濾光輪2水平放置，通過直角反射鏡頭5改變光路;所述成像單元8包括濾色片9和高速圖像傳感器10;所述濾光輪2上開有若干安裝濾色片9的通槽;所述每個通槽的側面均安裝有一個永磁磁鐵3，其中起始通槽處另加放一個永磁磁鐵3，用于系統復位;所述霍爾傳感器I安裝在與底盤16固連的支架17上，用于接收永磁磁鐵3的定位信號；霍爾傳感器I和信號采集與處理模塊13相連;所述高速圖像傳感器10安裝在與底盤16固連的支架17上;霍爾傳感器I接收到永磁磁鐵3的定位信號后傳輸給信號采集與處理模塊13進行信號處理，信號采集與處理模塊13控制高速圖像傳感器10進行曝光及圖像采集，高速圖像傳感器10將采集的數據通過USB保存在計算機11中；
[0023]所述掃描驅動機構包括:驅動器、聯軸器4、內部集成步進電機的轉臺14;其中，所述轉臺14安裝在外殼的底盤16上;所述濾光輪2通過聯軸器4與轉臺14相連，由驅動電機驅動濾光輪2旋轉，進行光譜通道切換;步進電機與驅動器相連，驅動器和信號采集與處理模塊13相連。
[0024]掃描驅動機構系統采用以恒角速度連續驅動所述帶有濾色片9的濾光輪2旋轉的方式工作，使帶有分立式窄帶濾色片9的濾光輪2采用恒定角速度連續旋轉方式來切換濾色片9，系統通過霍爾傳感器I與永磁磁鐵3控制濾光輪2的復位，高速圖像傳感器10采用外部觸發工作方式;外部觸發由霍爾傳感器1、永磁磁鐵3、信號采集與處理模塊13完成，在系統接收到由霍爾傳感器I探測的復位信號后，系統開始通過霍爾傳感器I接收永磁磁鐵3的定位信號，霍爾傳感器I接收到信號后傳輸給信號采集與處理模塊13進行信號處理與轉換，控制高速圖像傳感器10進行曝光及圖像采集，高速圖像傳感器將采集的數據通過USB保存在計算機中。
[0025]本實用新型的工作過程如下:
[0026]本實用新型分為單波段圖像采集和連續多波段光譜圖像采集兩種工作模式。
[0027]單波段圖像采集:預覽圖像，被測目標置于所述系統直角反射鏡頭5的前方，啟動系統復位，設置成像光譜波長，調節焦距，設置高速圖像傳感器10曝光時間，濾光輪2在轉臺14的驅動下，由霍爾傳感器3、信號采集與處理模塊13以及PC的配合控制下，將選定的光譜波長的濾色片9定位到高速圖像傳感器10和直角反射鏡頭5之間，并觸發高速傳感器10啟動曝光，獲取被測目標設定波段的單光譜圖像，并保存至計算機11。
[0028]連續多波段光譜圖像采集:
[0029]接通電源，打開計算機11，使被測目標置于所述系統直角反射鏡頭5的前方，預覽圖像，設置高速圖像傳感器10曝光時間并調節直角反射鏡頭5的焦距，控制步進電機驅動濾光輪2進行旋轉，通過霍爾傳感器2與復位永磁磁鐵觸發霍爾傳感器I接受永磁磁鐵3的信號，控制高速圖像傳感器10曝光并采集圖像數據。在霍爾傳感器2探測到復位永磁磁鐵后，霍爾傳感器I在每次探測到永磁磁鐵3信號后都會通過信號采集與處理模塊13觸發高速圖像傳感器10曝光并采集圖像數據，快速獲取被測目標在準連續波長下的多光譜圖像并保存至計算機U。在霍爾傳感器2再次探測到復位永磁磁鐵信號后，系統控制轉臺停止，圖像采集完畢。
【主權項】
1.一種基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于:包括高速分光裝置、成像單元(8)、直角反射鏡頭(5)、計算機(11)、信號采集與處理模塊(13)、外殼;其中，所述外殼包括底盤(16)、筒壁和上蓋(18)，筒壁固定安裝在底盤(16)上，上蓋(18)放置在筒壁的上部，上蓋(18)上開有通孔;所述直角反射鏡頭(5)安裝在上蓋(18)上的通孔處，高速分光裝置安裝在底盤(16)上，成像單元(8)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;所述成像單元(8)位于直角反射鏡頭(5)的成像面上;所述高速分光裝置位于成像單元(8)與直角反射鏡頭(5)之間；所述高速分光裝置和成像單元(8)均與信號采集與處理模塊(13)相連，信號采集與處理模塊(13)和成像單元(8)均與計算機(11)相連。2.如權利要求1所述的基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述直角反射鏡頭(5)包括平面反射鏡(6)和透鏡(7);所述平面反射鏡(6)設置在透鏡(7)后面。3.如權利要求1所述的基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述高速分光裝置包括霍爾傳感器(I)、濾光輪(2)和掃描驅動機構;所述濾光輪(2)安裝在掃描驅動機構上;所述成像單元(8)包括濾色片(9)和高速圖像傳感器(10);所述濾光輪(2)上開有若干安裝濾色片(9)的通槽;所述每個通槽的側面均安裝有一個永磁磁鐵(3)，其中起始通槽處另加放一個永磁磁鐵(3);所述霍爾傳感器(I)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;霍爾傳感器(I)和信號采集與處理模塊(13)相連;所述高速圖像傳感器(10)安裝在與底盤(16)固連的支架(17)上;所述高速圖像傳感器(10)與計算機(11)相連。4.如權利要求3所述的基于輪轉式的高速光譜通道切換的高光譜成像裝置，其特征在于，所述掃描驅動機構包括:驅動器、聯軸器(4)、內部集成步進電機的轉臺(14);其中，所述轉臺(14)安裝在外殼的底盤(16)上;所述濾光輪(2)通過聯軸器(4)與轉臺(14)相連;步進電機與驅動器相連，驅動器和信號采集與處理模塊(13)相連。
【文檔編號】G01J3/28GK205580598SQ201620240641
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】宋宏, 魏賀, 方美芬, 楊萍, 曹權
【申請人】浙江大學, 杭州藍科光電科技有限公司, 杭州電子科技大學, 銘典時代（北京）科技有限公司