[发明专利]均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪

说明书

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系统结构设计，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。成像光谱仪系统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系统方案有多种：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系统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的系统在成像质量和器件成本方面都不如本发明提出的方案。