CN116183024A - 一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，涉及光谱仪技术领域，该光谱成像仪包括：前端光学***，用于接收目标物体的光线以获取目标物体的光学信息；分光***，用于将前端光学***出射的光线分成两部分光束出射；视场分割部分，用于接收分光***出射的一部分光束，输出基于视场分割的图像；谱段分割部分，用于接收分光***出射的另一部分光束，输出基于谱段分割的图像；图像融合装置，用于接收基于视场分割的图像和基于谱段分割的图像并对其进行融合处理，获得高分辨率高光谱图像；显示装置，用于显示融合后的高分辨率高光谱图像。本发明提高了光谱成像仪的成像精度、空间分辨率以及***成像的鲁棒性，具有良好的泛化性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪。
背景技术
高光谱相机能够将成像技术与光谱探测技术相结合，在对目标空间特征成像的同时，可以对每个空间像元形成多个窄波段，实现连续的光谱覆盖，不同光谱信息能充分反映地物内部的物理结构、化学成分的差异。与传统的空间二维成像相比，高光谱相机可以同时获取目标的空间信息和光谱信息，在一定的空间分辨率下，能够获取宽谱段范围内地物独有的连续特征光谱，对地物的精准识别和探测具有显著优势，目前已成为对地遥感重要的前沿技术手段，在农、林、水、土、矿等资源调查与环境监测等领域具有重要的应用价值。
目前市场上应用最广泛的光谱仪主要为狭缝型光谱成像仪和滤光阵列光谱成像仪。其中， 狭缝型光谱成像仪不仅体型大，而且成像需要经过多次曝光和扫描，不能即时成像，受环境因素影响，观测时间越久，误差越大。而对于滤光阵列光谱成像仪，滤光片阵列的每个区域相对微小，对微纳制备工艺的要求较高，并且滤光片阵列与探测器的配准也存在一定的难度，因为每个区域过于微小，所以在对准时如果误差较大，也会影响最终的光谱成像结果，按照现有技术很难做到在探测时滤光片阵列与探测器像元完全相匹配，匹配区域对准误差较大，对最终的光谱成像质量产生较大影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，以解决现有光谱成像仪存在的问题。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，包括：
前端光学***，用于接收目标物体的光线以获取目标物体的光学信息；
分光***，用于将前端光学***出射的光线分成两部分光束出射；
视场分割部分，用于接收分光***出射的一部分光束，输出基于视场分割的图像；
谱段分割部分，用于接收分光***出射的另一部分光束，输出基于谱段分割的图像；
显示装置，用于显示融合后的高分辨率高光谱图像；
所述视场分割部分包括：位于分光***后端的第一中继装置，用于将分光***出射的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像；位于前端光学***焦面处的微透镜阵列，用于对通过第一中继装置获取的中间像进行分割采样，并在微透镜阵列后焦面上产生光瞳阵列；准直元件，用于将透过微透镜阵列的不同视场光束转换成平行光束；后端成像***，用于将通过准直元件转换后的不同视场的平行光束进行汇聚；与图像融合装置相连的探测器，用于将通过后端成像***汇聚后的不同视场像进行处理，得到基于谱段分割的目标物体图像，该基于谱段分割的目标物体图像包括三维光谱信息和二维空间信息；
所述谱段分割部分包括：位于分光***后端且位于前端光学***像面处的滤光片阵列，用于将分光***出射的目标物体成像光束进行谱段分割；第二中继装置，用于将经过滤光片阵列谱段分割后的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像；与图像融合装置相连的全色图像接收器，所述滤光片阵列与全色图像接收器的像元相匹配，所述全色图像接收器用于对通过第二中继装置获取的中间像进行处理，得到基于谱段分割的目标物体图像；图像融合装置，用于接收基于视场分割的图像和基于谱段分割的图像并对其进行融合处理，获得高分辨率高光谱图像。
进一步的，所述前端光学***采用望远***或微成像***。
进一步的，所述分光***采用不均等分光板。
进一步的，所述第一中继装置采用透射式中继镜组或反射式中继镜组。
进一步的，所述微透镜阵列采用非球面透镜组合或双凸面透镜组合。
进一步的，所述准直元件采用透镜或反射镜。
进一步的，所述第二中继装置采用透射式中继镜组或反射式中继镜组。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对目标物体进行谱段、视场分割融合成像，提高了光谱成像仪的成像精度，提高了光谱成像仪的空间分辨率；
2、本发明具有良好的泛化性，既能通过改变滤光片阵列的排列方式提高对于特定目标、特定成像方式的搜索效率，又由于融合成像不会丢失成像的普适性，解决了现有光谱成像仪对特定目标成像效果差、而特定目标成像仪对于一般目标成像效果较差的问题；
3、本发明通过融合成像提高了***成像的鲁棒性，使得光谱成像仪在不同环境下都有较好的成像效果；
4、本发明的光谱成像仪具有小型化、即时成像的特点；
5、本发明通过将谱段分割信息和视场分割信息进行融合，有效消除了传统滤光片光谱成像仪的对准误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪的整体结构示意图。
图2为视场分割部分的结构示意图。
图3为谱段分割部分的结构示意图。
图4为微透镜阵列的结构示意图。
图5为滤光片阵列的结构示意图。
图中：1、前端光学***，2、分光***，3、第一中继装置，4、微透镜阵列，401、透镜，402、基底，5、准直元件，6、后端成像***，7、探测器，8、滤光片阵列，9、全色图像接收器，10、图像融合装置，11、显示装置，12、第二中继装置，13、目标物体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，主要包括：前端光学***1、分光***2、视场分割部分、谱段分割部分、图像融合装置10和显示装置11；目标物体13、前端光学***1、分光***2依次排列，谱段分割部分和视场分割部分分别与图像融合装置10相连，图像融合装置10与显示装置11相连。
目标物体13的光线入射至前端光学***1，前端光学***1用于将目标物体13成像于视场分割部分和谱段分割部分，以获取目标物体13的光学信息；由前端光学***1出射的光线入射至分光***2，分光***2用于将前端光学***1出射的光线分成两部分光束出射，光线被分光***2分成两部分光束出射，一部分光束入射至视场分割部分，另一部分光束入射至谱段分割部分，由视场分割部分输出的图像和由谱段分割部分输出的图像通过图像融合装置10进行融合处理，融合后的高分辨率高光谱图像由显示装置11进行显示。
如图2所示，视场分割部分主要包括：第一中继装置3、微透镜阵列4、准直元件5、后端成像***6和探测器7；分光***2、第一中继装置3、微透镜阵列4、准直元件5、后端成像***6、探测器7依次排列，第一中继装置3用于将来自分光***2的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像，微透镜阵列4位于前端光学***1的焦面处，微透镜阵列4用于对中间像进行分割采样，可在微透镜阵列4的后焦面上产生光瞳阵列，准直元件5用于将透过微透镜阵列4的不同视场光束转换成平行光束，后端成像***6用于将通过准直元件5转换后的不同视场的平行光束汇聚于探测器7，探测器7与图像融合装置10相连，探测器7用于将汇聚后的不同视场像进行处理并得到三维光谱信息和二维空间信息；分光***2将前端光学***1的光线分成两部分光束出射，其中一部分光束依次入射至第一中继装置3、微透镜阵列4、准直元件5、后端成像***6和探测器7，最终在探测器7上得到基于谱段分割的目标物体图像。
如图3所示，谱段分割部分主要包括：滤光片阵列8、全色图像接收器9和第二中继装置12；分光***2、滤光片阵列8、第二中继装置12、全色图像接收器9依次排列，滤光片阵列8位于前端光学***1的像面处，滤光片阵列8与全色图像接收器9的像元相匹配，滤光片阵列8用于将来自分光***2的目标物体成像光束进行谱段分割，第二中继装置12用于将经过滤光片阵列8谱段分割后的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像，全色图像接收器9与图像融合装置10相连；分光***2将前端光学***1的光线分成两部分光束出射，其中另一部分光束依次入射至滤光片阵列8、第二中继装置12和全色图像接收器9，最终在全色图像接收器9上得到基于谱段分割的目标物体图像。
本发明中，图像融合装置10用于将目标物体13分别经过视场分割和谱段分割所成的像进行融合处理，进而生成高分辨率高光谱图像，显示装置11用于显示所生成的高分辨率高光谱图像；具体可采用图像融合装置10将全色图像接收器9输出的基于谱段分割的目标物体图像和探测器7输出的基于谱段分割的目标物体图像进行融合，获得融合后的高分辨率高光谱图像，该高分辨率高光谱图像通过显示装置11进行显示。
本实施方式中，前端光学***1可根据实际情况进行设置，具体可以选用望远***、微成像***或其他类型成像***等，但不限于此。
本实施方式中，分光***2可根据实际情况进行设置，用于将前端光学***1的光束分成不均等的两部分，具体可以选用立方体分束器或介质膜反射镜，但不限于此。
本实施方式中，第一中继装置3和第二中继装置12可根据实际情况进行设置，具体可以选用透射式中继镜组或反射式中继镜组，例如R09150A型号增距镜，但不限于此。
本实施方式中，微透镜阵列4可根据实际情况进行设置，具体可以选用非球面透镜组合或双凸面透镜组合制成。所制备的微透镜阵列4的结构如图4所示，微透镜阵列4的阵列模式为5×10，横向5个小透镜，纵向10个小透镜，旋转角为8.13°，通道尺寸为5微米-30微米，由多个透镜401和基底402组成，透镜401具体可以选用非球面透镜或双凸面透镜，但不限于此；基底402的材质为K9玻璃，但不限于此。
本实施方式中，准直元件5可根据实际情况进行设置，具体可以选用独立的透镜或反射镜，透镜直径在6mm-25mm，透镜焦距在8.7mm-50mm，材料为紫外熔石英厚度5mm-20mm，具体尺寸材质需根据需求而定，不限于此。
本实施方式中，后端成像***6可根据实际情况进行设置，它由色散元件和成像***组成，色散元件选用透射式光栅，波长为800nm-1975nm，成像***的具体尺寸和材质根据具体应用场景而定。
本实施方式中，探测器7可根据实际情况进行设置，具体可以选用CMOS探测器或CCD探测器，但不限于此。
本实施方式中，如图5所示，滤光片阵列8是一个由基元重复排列而成的周期结构，该基元内部可以划分为n个区域，通过设置每个区域的膜层厚度控制通过该区域的中心波长，将滤光片阵列与探测器像元进行一一对应，即可实现像素级的光谱探测，可根据实际情况进行设置，具体可以选用25通道（5×5）滤光片阵列，但不限于此。
本实施方式中，全色图像接收器9可根据实际情况进行设置，具体可以选用FOVEON全色彩图像传感器，但不限于此。
本实施方式中，图像融合装置10可根据实际情况进行设置，具体可以选用ATER主动立体融合处理器，但不限于此。
本实施方式中，显示装置11可根据实际情况进行设置，具体可以选用4K液晶显示器，但不限于此。
本发明的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，将微透镜阵列4作为积分视场单元，设置于前端光学***1的焦面处，微透镜阵列4将目标物体13在前端光学***1焦面处所成的像进行分割采样，即光经过微透镜阵列4后会在其后焦面上形成光瞳阵列即微孔径，该微孔径作为后端成像***6的入射孔径，通过微透镜阵列4将目标物体13在前端光学***1焦面处所成的像分割成不同视场的若干单元像，再一次经过后端成像***6色散为相应的光谱，被探测器7获取得到二维视场内的三维光谱信息。相比于现有技术中的多次扫描才能得到三维光谱信息的狭缝型光谱成像仪来说，一次性获得三维光谱信息，不仅缩短了目标物体13的光谱信息获取时间，而且提高了高光效率，减少了光的损失。在此基础上，通过图像融合装置10将视场分割部分所得图像与谱段分割部分所得图像进行融合，大大提高了所生成的高光谱图像的分辨率和***成像的鲁棒性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，包括：
前端光学***，用于接收目标物体的光线以获取目标物体的光学信息；
分光***，用于将前端光学***出射的光线分成两部分光束出射；
视场分割部分，用于接收分光***出射的一部分光束，输出基于视场分割的图像；
谱段分割部分，用于接收分光***出射的另一部分光束，输出基于谱段分割的图像；
显示装置，用于显示融合后的高分辨率高光谱图像；
所述视场分割部分包括：位于分光***后端的第一中继装置，用于将分光***出射的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像；位于前端光学***焦面处的微透镜阵列，用于对通过第一中继装置获取的中间像进行分割采样，并在微透镜阵列后焦面上产生光瞳阵列；准直元件，用于将透过微透镜阵列的不同视场光束转换成平行光束；后端成像***，用于将通过准直元件转换后的不同视场的平行光束进行汇聚；与图像融合装置相连的探测器，用于将通过后端成像***汇聚后的不同视场像进行处理，得到基于谱段分割的目标物体图像，该基于谱段分割的目标物体图像包括三维光谱信息和二维空间信息；
所述谱段分割部分包括：位于分光***后端且位于前端光学***像面处的滤光片阵列，用于将分光***出射的目标物体成像光束进行谱段分割；第二中继装置，用于将经过滤光片阵列谱段分割后的目标物体成像光束进行再次成像得到中间像；与图像融合装置相连的全色图像接收器，所述滤光片阵列与全色图像接收器的像元相匹配，所述全色图像接收器用于对通过第二中继装置获取的中间像进行处理，得到基于谱段分割的目标物体图像；图像融合装置，用于接收基于视场分割的图像和基于谱段分割的图像并对其进行融合处理，获得高分辨率高光谱图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述前端光学***采用望远***或微成像***。
3.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述分光***采用不均等分光板。
4.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述第一中继装置采用透射式中继镜组或反射式中继镜组。
5.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述微透镜阵列采用非球面透镜组合或双凸面透镜组合。
6.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述准直元件采用透镜或反射镜。
7.根据权利要求1所述的一种基于视场分割与谱段分割融合成像的光谱成像仪，其特征在于，所述第二中继装置采用透射式中继镜组或反射式中继镜组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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