CN103926000B - 一种图像光谱探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种图像光谱探测装置，包括成像透镜组、反射镜、成像透镜、CCD相机、光纤、光纤光谱仪和显示处理器；反射镜与光轴呈锐角角度；入射图像信号通过成像透镜组形成入射光信号，经反射镜反射到成像透镜，聚焦到CCD相机中，形成图像信息在显示处理器显示；反射镜的中心位置开有与裸光纤相适配的小孔，光纤的裸光纤端通过小孔接收入射光信号，另一端接光纤光谱仪，探测光谱信息，将光谱图显示在显示处理器。本发明的入射光信号直接耦合到光纤，传输到光纤光谱仪进行光谱测量，中间无需任何反射介质，能够探测到最真实的光谱信号。根据目前商用光纤光谱仪的技术参数，该图像分析***可将光谱分辨率提高到Δλ/λ=0.0001数量级。
Description
技术领域
本发明涉及光谱应用、光谱成像技术、显微光谱及图像探测领域，更具体地，涉及一种图像光谱探测装置。
背景技术
光谱探测与分析技术具有无接触、无损伤的优点，能够检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标，是自然科学中一种日趋重要的研究手段。
光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此将两者结合，产生光谱成像学科。光谱成像数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率较高。光谱成像技术可分为三类：多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像技术，它们的光谱分辨率呈指数增长。
早在20世纪60年代，学者就提出了多光谱成像技术，不过该技术只能简单探测可见光和近红外区域几个波段，光谱分辨率只有Δλ/λ=0.1数量级。1983年美国喷气推进实验室研制出第一台高成像光谱仪（AIS-1）,其光谱分辨率达到Δλ/λ=0.01数量级，之后国内外对高光谱的研究日趋成熟。最杰出的超光谱成像仪首推美国著名的TRW公司研制代号为trwis-3的超光谱成像仪，它的波段范围很宽，从0.4um到2.5um，具有384个连续光谱通道。然而想要实现分辨率高达Δλ/λ=0.001量级的超光谱成像仪还需要研究人员更进一步的努力。
光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析。所以光谱成像技术主要应用于遥感观测领域，如进行地质矿物识别填图研究、植被生态及军事目标识别等。
但是成像光谱需要保存数据十分庞大，而且在很多实际应用中，我们只需要定点测量光谱，并不需要对图像中的每个像素点进行光谱测量，只需要对图像的感兴趣的一个或者几个像素区域进行光谱测量，这主要体现在纳米材料科学、细胞生物学、临床医学、表面发射率等光谱应用领域。
发明内容
为了克服现有光谱成像存在的技术问题，本发明提出了一种图像光谱探测装置，用于对图像中心位置一个或几个感兴趣的像素区域进行光谱测量分析探测，采用该测量方法能够弥补传统光谱成像技术对全部像素都需要进行光谱测量，导致需要较大存储空间及大数据处理所带来的不足。
为了解决上述不足，本发明的技术方案为：
一种图像光谱探测装置，包括成像透镜组、反射镜、成像透镜、面阵CCD相机、光纤、光纤光谱仪和显示处理器；
入射图像信号通过成像透镜组形成入射光信号，入射光信号通过反射镜的反射面反射到成像透镜，聚焦到面阵CCD相机中，形成图像信息，并在显示处理器中显示；
所述反射镜与光轴呈a角度，0°＜a＜90°；且反射镜的中心位置开有与裸光纤相适配的小孔，光纤的裸光纤端通过小孔与反射镜连接，另一端接光纤光谱仪；光纤光谱仪与显示处理器连接。
光轴是指入射光信号的中心线。反射镜与光轴有一定夹角，从而入射光信号通过反射镜的反射面反射到成像透镜，聚焦到面阵CCD表面，形成图像信息。
入射图像信号通过成像透镜组1形成入射光信号，并通过反射镜2反射到成像透镜组，聚焦到面阵CCD相机4中，形成图像信息，并在显示处理器8中显示。
另外在反射镜2中心位置，其入射光信号直接进入到光纤6中，并传输到光纤光谱仪7，形成光谱信息。
为了防止松动造成光纤断裂或者平移，光纤的裸光纤端通过裸纤适配器固定在反射镜的小孔内，并采用固定件将裸纤适配器粘贴固定在反射镜的背光面。裸光纤端的纤芯及包层穿过裸光纤适配器后***小孔中，光纤端面与反射镜保持平滑。
成像透镜组、反射镜、成像透镜、面阵CCD相机、裸光纤适配器及其固定件这六个组件的位置是相对固定的，并用暗盒包装起来。如图1虚框所示。若要观察其他位置的光谱信息，可以移动暗盒使感兴趣点位于图像中间即可。
其中显示处理器为计算机，光纤为多模光纤。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明的入射光信号直接耦合进入光纤，传输到光纤光谱仪进行光谱测量，中间无需经过任何反射介质，能够探测到最真实的光谱信号。本装置在进行光谱测量时无需进行光谱维扫描，因此结构也更加简单，操作更加灵活，成本也将大幅度降低。
本发明实现了图像光谱测量与分析的目的，可将图像中任意一个或者多个像素点进行光谱测量。同传统光谱成像技术相比，无需对图像所有像素点进行光谱测量和储存，从而提高测量速度，简化***结构。
本发明可配备任意光纤光谱仪，从而实现宽光谱测量，根据目前商用光纤光谱仪的技术参数，该图像分析***可将光谱分辨率提高到Δλ/λ=0.0001数量级，与超光谱成像技术相比，至少能提高一个数量级。同时光谱测量范围可选覆盖紫外光、可见光、近红外光、远红外光等波段。该***无需进行光谱维扫描，因此结构也更加简单，操作更加灵活，成本也将大幅度降低。
附图说明
图1是本发明提供的一种图像光谱探测装置示意图。
图2是反射镜中心孔、裸纤适配器及固定件的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
1-成像透镜组；2-反射镜；3-成像透镜；4-面阵CCD相机；5-光纤；6-光纤光谱仪；7-显示处理器；8-裸纤适配器；9-固定件。
本发明首次提出图像光谱概念，即将光谱探测与图像探测想融合，对图像中心位置一个或几个像素区域进行光谱测量。与传统光谱成像相比，无需对图像所有像素点进行光谱测量，从而提高测量速度，***结构也将更加简单，操作更加灵活，成本也将大幅度降低。填补了该领域的空白。
本发明入射信号光直接耦合进入光纤，传输到光纤光谱仪进行光谱测量，中间无需经过任何反射介质，能够探测到最真实的光谱信号。
下面根据图1给出本发明一个较好的实施例，用以说明本发明的***结构特征，实现光谱测量的方法，而不是用来限定本发明的范围。
如图1，一种图像光谱探测装置，包括成像透镜组1、反射镜2、成像透镜3、面阵CCD相机4、光纤5、光纤光谱仪6、计算机、裸纤适配器8；固定件9；
入射图像信号通过成像透镜组1形成入射光信号，入射光信号通过反射镜2的反射面反射到成像透镜3，聚焦到面阵CCD相机4中，形成图像信息，并在计算机上显示；
所述反射镜2与光轴呈a角度，0°＜a＜90°；且反射镜2的中心位置开设有与裸光纤相适配的小孔，光纤5的裸光纤端通过小孔与反射镜2连接，另一端接光纤光谱仪6；光纤光谱仪6与计算机连接。固定件9能够固定裸光纤适配器8，并且将其粘贴到反射镜2中心背光面，防止裸光纤适配器8松动造成光纤断裂或者移位。光纤5的纤芯及包层穿过裸光纤适配器8后***反射镜2中心的小孔，光纤端面与反射镜2保持平滑。
在本实施例中，采用分辨率为1024×768，1/2英寸的面阵CCD相机，反射镜2与光轴的夹角为70°，中心开设的小孔的直径为125um；光纤5采用多模光纤，内径（纤芯）是62.5μm，外径（包层）是125μm。裸光纤适配器8采用SC型，孔直径为125um。固定件9能够固定裸光纤适配器8，并且将其粘贴到反射镜2中心背光面，防止裸光纤适配器8松动造成光纤断裂或者移位。光纤5的纤芯及包层穿过裸光纤适配器8后***小孔中，光纤端面与反射镜2保持平滑。
同时，光纤光谱仪6的光谱测量范围为200nm-1100nm，光学分辨率为0.3nm，积分时间1ms至大于60s。
计算机显示面阵CCD相机4的图像，并标注出中点位置；同时也用于控制光纤光谱仪6进行光谱测量和光谱图显示。
整个***的工作流程是：
入射图像信号通过成像透镜组1形成入射光信号，并通过反射镜2反射到成像透镜组，聚焦到面阵CCD相机4中，形成图像信息，并在计算机中显示。
另外在反射镜2中心位置，其入射光信号直接进入到光纤5中，并传输到光纤光谱仪6，形成光谱信息。
成像透镜组1、反射镜2、成像透镜3、面阵CCD相机4、裸光纤适配器8及其固定件9这六个组件的位置是相对固定的，并用暗盒包装起来。若要观察其他位置的光谱信息，可以移动暗盒使感兴趣点位于图像中间即可。
本发明的图像光谱无需进行光谱维的扫描，使得它比成像光谱探测速度更快，数据量小，光谱分辨率更高，若搭配高分辨率的光谱仪，那么其光谱分辨率可达到Δλ/λ=0.0001数量级。而且与模式识别、图像处理等技术手段相结合，可以自动识别需要测量光谱的位置，实现自动化的测量，为在线监测提供有力的技术支持。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种图像光谱探测装置，其特征在于，包括成像透镜组（1）、反射镜（2）、成像透镜（3）、面阵CCD相机（4）、光纤（5）、光纤光谱仪（6）和显示处理器（7）；
入射图像信号通过成像透镜组（1）形成入射光信号，经反射镜（2）反射到成像透镜（3），聚焦到面阵CCD相机（4）中，形成图像信息，并在显示处理器显示（7）；
所述反射镜（2）与光轴呈a角度，0°＜a＜90°，光轴是指入射光信号的中心线；且反射镜（2）的中心位置开有与裸光纤相适配的小孔，光纤（5）的裸光纤端通过小孔与反射镜（2）连接，光纤的裸光纤端与反射镜保持平滑，另一端接光纤光谱仪（6）；光纤光谱仪（6）与显示处理器（7）连接。
2.根据权利要求1所述的图像光谱探测装置，其特征在于，光纤（5）的裸光纤端通过裸纤适配器（8）固定在反射镜的小孔内。
3.根据权利要求2所述的图像光谱探测装置，其特征在于，所述图像光谱探测装置还包括用于将裸纤适配器（8）固定在反射镜（2）上的固定件（9）。
4.根据权利要求1所述的图像光谱探测装置，其特征在于，所述显示处理器（7）为计算机。
5.根据权利要求3或4所述的图像光谱探测装置，其特征在于，所述光纤（5）为多模光纤。
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