CN101793671B - 均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
一种均匀光源照明可调制滤色片光谱仪，其特点是在光学***中采用均匀光源照明结构，并通过机械切换装置对滤色片阵列进行切换；整个装置由均匀光源结构3、滤色片阵列4、机械切换装置5，黑白面阵CCD6和数据采集处理***等部分组成；采用稳流源2的供电方案，并使用积分球做为均匀光源的结构；滤色片阵列4采用宽窄带结合的方式；采用步进电机驱动方式进行滤色片阵列4的快速切换。本发明装置具有高分辨率、宽光谱范围、高光通量以及结构小型化的特点，特别适合于静态目标识别与成分分析领域的多光谱成像***。
Description
技术领域
本发明涉及一种均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪，属于光学工程及其相关学科领域中成像光谱仪***结构设计，特别涉及可见光和近红外波段的物体光谱图像测量的成像光谱仪。
背景技术
光学成像技术和光谱技术是光电技术中的两个历史悠久并应用广泛的重要领域。长期以来，虽然他们都是接收来自目标的光辐射，但是光学成像仪获取目标的影像信息，追求高空间分辨率，它积分涵盖其接收器的整个光谱响应，但不具备光谱分辨能力；而光谱仪则把目标的光辐射分离成不同波长的光谱，追求高光谱分辨率，它积分涵盖了光谱仪的整个视角内的所有像元，但是不具备空间分辨率能力。成像光谱仪***需要将成像技术和光谱技术有机地融为一体。可以在空间和光谱两个方面同时对目标进行识别和分析。
目前实现多光谱成像***方案有多种：光栅分光+单色传感器阵列、干涉型(傅立叶变换)光谱成像、变光源光谱成像、宽带滤色片组+彩色传感器阵列等。上述方案存在的共同问题是，光谱分辨率(或通道数目)的提高与空间分辨率、信噪比、采样速度的提高存在矛盾，并且大部分方法结构复杂、制作成本较高。在国内专利方面，中国专利№01213109，№01213108，№99256129，№99256131，№99115953， №99115952为干涉型成像光谱仪，№00261470，№99256128为色散式成像光谱仪，不属于可变滤色片式光谱仪范畴；№2290194.9、№1215837A为滤光片式近红外成像光谱仪，不属于具有均匀光源装置的可变滤色片式光谱仪。在国外专利方面，美国专利USP6072579披露的傅立叶变换型近红外光谱仪；美国USP5187368披露的光栅扫描型光谱仪属于传统光谱仪类型，不属于可变滤色片成像光谱仪范畴。总之，在目前所使用的成像光谱仪中没有将均匀光源技术和可变滤色片技术结合使用的先例。
发明内容
本发明的目的正是为了提出一种基于均匀光源照明可变滤色片的多光谱成像技术，通过采用少量的宽带滤色片通道和窄带滤色片通道相结合的方案建立多光谱成像仪。本发明给出了均匀光源照明可变滤色片的多光谱成像光谱仪的结构。整个装置由被测样品、光源、匀光结构、滤色片阵列、黑白面阵CCD、机械切换装置以及数据采集和处理和***自动控制所必需的计算机等部分组成。光源发出的光经匀光结构照明样品台上的样品，经样品台反射后的光经过可变滤色片成像于黑白面阵CCD的感光面上，黑白面阵CCD输出的图像光电信号通过接口进入微型计算机进行处理，微型计算机通过接口程控机械切换装置控制可变滤色片的切换。在本发明中，对于每一个样品，都将采集并保存全部光谱通道的图像。
有益效果
本发明具有结构简单、制作成本低、易于实现的特点，同时还发挥了宽带滤色片通道的高空间分辨率优势和窄带滤色片通道的高光谱分辨率优势，为建立高效准确的辨识模型奠定了良好基础，并结合均匀光源照明装置提高光能稳定性和利用率，使之具有波段切换速度快、光能利用率高等优点。
附图说明
图1为均匀光源照明可变滤色片的光谱仪的实施原理图。
图2为均匀光源照明可变滤色片的光谱仪关键部分的器件结构图。
图3用PR-715光谱辐射度计测试的样品光谱反射率
图4用多光谱相机测试的样品光谱反射率
图1中主要结构为：1-被测样品、2-光源、3-匀光结构、4-滤色片阵列、5-黑白面阵CCD、6-机械切换装置、7-接口1、8-接口2、9-微型计算机。
图2中主要结构为：10-稳压源、11-卤钨灯、12荧光灯、13-漫反射/垂直(d/0)标准观测条件、14-滤色片阵列、15-步进电机、16-CCD成像器件。
本发明光源采用6500K左右色温的荧光灯和3000K左右色温的卤钨灯。其中6500K荧光灯主要用于可见光范围的多通道成像，而3000K卤钨灯主要用于增加近红外谱段的光照强度。为了保证多通道图像采样过程的稳定性，本发明采用稳流源的供电方案，并使用积分球做为均匀光源的结构。
本发明CCD成像器件前采用机械装置切换滤色片，即通过程 序控制接口驱动步进电机对滤色片阵列进行快速切换，成本较低、易于实现和推广。而常见的采用AOTF或LCTF的***在成像质量和器件成本方面都不如本发明提出的方案。
本发明在滤色片阵列中采用宽带滤色片与窄带滤色片相结合的方法。其中宽带滤色片的数量为5～7个，这些宽带滤色片的光谱透过滤经过优化设计；窄带滤色片的数量为3个左右，中心波长分布在可见光和近红外波段。
与普通滤色片式光谱仪相比较，本发明在光源的均匀性和稳定上作了大量的优化方案，并采用了宽窄带结合的机械式可变滤色片结构，提高了光谱仪的精度和图像识别概率。本发明装置具有高分辨率、宽光谱范围、高光通量以及结构小型化的特点，特别适合于静态目标识别与成分分析领域的多光谱成像***。
本发明叙述的均匀光源照明可变滤色片光谱仪，特点是在其***结构中采用积分球做均匀光源照明结构；滤色片阵列采取宽窄带结合的方式；并通过程控式步进电机对上述滤色片阵列进行切换。
如图1所示，本发明由样品台1、光源2、匀光结构3、滤色片阵列4、机械切换装置5，黑白面阵CCD6和微型计算机9及其接口①7、接口②8等部分组成。包括均匀和稳定光源照明，机械式宽窄带谱段切换、多个谱段数据序列采集，计算机进行后期处理等过程。
其光路为：光源2发出的光经匀光结构3照明样品台1上的样品；经样品反射后的光经过可变滤色片阵列4成像于黑白面阵CCD6的感光面上，黑白面阵CCD6输出的图像光电信号通过接口①7进入微型计算机9进行处理；微型计算机9通过接口②8程控机械切换装置5控 制可变滤色片4的位置。
光源2由6500K左右色温的荧光灯12和3000K左右色温的卤钨灯11构成，并采用稳流源的供电方案；可变滤色片4的构成是以下的一种：宽窄带结合滤色片、单一窄带或宽带滤色片；匀光结构3由积分球构成；可变滤色片4位于黑白面阵CCD6的感光面上；
根据M.Yamaguchi等于1997年提出自然色重建方法。首先简单假设照明光源是空间均匀的，也即空间坐标发散。设在图像捕获位置照明光源的光谱贡献为E1(λ)，图像观测位置照明光源的光谱贡献为E2(λ)。如果捕获图像的相机***是线性的，通过N通道相机(在RGB彩色相机中N＝3)获得的光谱强度可以由公式1给出
gk＝∫Sk(λ)E1(λ)f(λ)dλ.........................................1
式中：Sk(λ)-相机第k个颜色通道的光谱强度
f(λ)-物体的光谱反射率
如果获得独立于设备的颜色坐标值(例如：CIEXYZ值)，在经过标定的显示器上就能重建出颜色。对于上面颜色重建(a)类型，颜色的XYZ三刺激值ti可用以下公式计算：
ti＝∫ti(λ)E1(λ)f(λ)dλ...........................................2式中：ti(λ)-CIE1931颜色匹配函数
对于另一种颜色重建(b)类型，颜色可以利用公式(3)进行重建
ti＝∫ti(λ)E2(λ)f(λ)dλ......................................3
式中E2(λ)是观察者所处的任意照明环境中的光谱贡献。
由公式(1)和(3)可知，在任意的照明条件下，从gk求出ti，光谱反射率函数f(λ)必不可少。为了能正确估计反射率函数f(λ)，本 发明用多光谱成像仪取代传统的RGB三原色相机，获取物体更多的光谱信息。利用照明光源的信息和用于记录数据的相机的信息，通过样条插值或主成分分析法估计出光谱反射率f(λ)，再结合观察位置照明光源(2)的光谱信息计算出物体的颜色，图像就能在经过标定的显示器上显示。
本发明装置具有高分辨率、宽光谱范围、高光通量以及结构小型化的特点，特别适合于静态目标识别与成分分析领域的多光谱成像***。
本发明可用于蔬菜花卉病虫害植株样本图像的自动识别与颜色重建工作，以解决目前蔬菜花卉植株病虫害识别及诊断过程过度依赖人眼视觉和个人经验的问题，以及传统的蔬菜花卉植株病虫害识别方法效率不高、不利于推广使用的问题。
为了能精确重建出植物病虫害的颜色，实验对患有白粉和霜霉两种病害的黄瓜叶面进行测试。图像获取位置采用标准灯箱A光源照明。实验采用分辨率为1300×1024的黑白面阵CCD摄像机。用PR-715光谱辐射度计从380nm到1050nm，每间隔4nm分别测量黄瓜叶面患病区域和没有患病区域的共173个波段光谱反射率。同时记录标准参考白的光谱反射率。用多光谱相机分别记录患病黄瓜叶子16个通道的多光谱图像，同时也记录标准参考白的多光谱图像。分别取出367nm-700nm共15幅多光谱图像中指定象素点的光谱反射率gk k＝1，……16，与参考白进行比较后利用多项式插值[9]，得到指定点的光谱反射率如图3。
通过图3与图4的比较，从曲线分布趋势看，在可见光区域15个通道的多光谱相机已经能够记录植物病虫害的颜色信息：其中实线代表树叶绿色光谱信息，虚线代表患霜霉的黄色病害区域信息。由此获得的多光谱图像具有普通RGB彩色图像没有的优势：可以利用中心波长为850nm的光谱通道，获得植物的近红外信息，观察植物内部的病变情况。
Claims (2)
1.一种均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪，光学***中采用匀光结构来均匀光源照明并通过程控机械切换装置来对宽窄带结合的滤色片阵列(4)进行切换；其特征在于：光源(2)采用6500K色温的荧光灯(12)和3000K色温的卤钨灯(11)；采用稳流源的供电方案对该多光谱成像仪进行供电；所述的滤色片阵列中，宽带滤色片的数量为5～7个，宽带滤色片的光谱透过率经过优化设计；窄带滤色片的数量为3个，中心波长分布在可见光和近红外波段。
2.按照权利要求1所述的一种均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪，由样品台(1)、光源(2)、匀光结构(3)、滤色片阵列(4)、机械切换装置(5)，黑白面阵CCD(6)和微型计算机(9)及其接口①(7)、接口②(8)部分组成，其特征在于：光源发出的光经匀光结构(3)照明样品台(1)上的样品，经样品台反射后的光经过滤色片阵列(4)成像于黑白面阵CCD(6)的感光面上，黑白面阵CCD(6)输出的图像光电信号通过接口①(7)进入微型计算机(9)进行处理，微型计算机(9)通过接口②(8)程控机械切换装置(5)控制滤色片阵列(4)的切换。
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