一種圖像光譜探測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種圖像光譜探測方法及系統(tǒng)，系統(tǒng)包括成像透鏡組、DMD數字微鏡元件、成像透鏡、面陣CCD相機、會聚透鏡組、光纖耦合器、光纖、光纖光譜儀和處理器，CCD相機與光纖光譜儀均接處理器，微鏡元件中的微鏡有開、關狀態(tài)；入射圖像信號透過成像透鏡組形成入射光信號，進入微鏡元件；微鏡元件中的微鏡為關狀態(tài)時，反射光信號通過成像透鏡成像到CCD相機表面；當微鏡元件中的微鏡為開狀態(tài)時，其光信號反射到會聚透鏡組，會聚到光纖耦合器耦合入光纖，傳送到光纖光譜儀中進行光譜測量。本發(fā)明可配備任意光纖光譜儀，實現(xiàn)寬光譜測量，根據目前商用光纖光譜儀的技術參數，該圖像光譜探測系統(tǒng)可將光譜分辨率提高到0.0001數量級。
【專利說明】一種圖像光譜探測方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜應用、光譜成像技術、顯微光譜及圖像探測領域，更具體地，涉及一種圖像光譜探測方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]光譜探測與分析技術具有無接觸、無損傷的優(yōu)點，能夠檢測到被測物體的物理結構、化學成分等指標，是自然科學中一種日趨重要的研究手段。
[0003]光譜評價是基于點測量，而圖像測量是基于空間特性變化，兩者各有其優(yōu)缺點。因此將兩者結合，產生光譜成像學科。光譜成像數據是圖譜合一的海量數據源，它同時包含了圖像信息和光譜信息，能夠給出各個波段上每個像素的光譜強度數據，而且光譜分辨率較高。光譜成像技術可分為三類:多光譜成像、高光譜成像和超光譜成像技術，它們的光譜分辨率呈指數增長。
[0004]早在20世紀60年代，學者就提出了多光譜成像技術，不過該技術只能簡單探測可見光和近紅外區(qū)域幾個波段，光譜分辨率只有Λ λ/λ =0.1數量級。1983年美國噴氣推進實驗室研制出第一臺高成像光譜儀(AIS-1)，其光譜分辨率達到Λ λ/λ =0.01數量級，之后國內外對高光譜的研究日趨成熟。最杰出的超光譜成像儀首推美國著名的TRW公司研制代號為trwis-3的超光譜成像儀，它的波段范圍很寬，從0.4um到2.5um,具有384個連續(xù)光譜通道。然而想要實現(xiàn)分辨率高達Λ λ/λ=0.001量級的超光譜成像儀還需要研究人員更進一步的努力。
[0005]光譜成像技術不僅具有光譜分辨能力，還具有圖像分辨能力，利用光譜成像技術不僅可以對待檢測物體進行定性和定量分析，而且還能進對其進行定位分析。所以光譜成像技術主要應用于遙感觀測領域，如進行地質礦物識別填圖研究、植被生態(tài)及軍事目標識另丨J等。
[0006]但是成像光譜需要保存數據十分龐大，而且在很多實際應用中，我們只需要定點測量光譜，并不需要對圖像中的每個像素點進行光譜測量，只需要對圖像的感興趣的一個或者幾個像素區(qū)域進行光譜測量，這主要體現(xiàn)在納米材料科學、細胞生物學、臨床醫(yī)學、表面發(fā)射率等光譜應用領域。

【發(fā)明內容】

[0007]為了克服現(xiàn)有光譜成像存在的技術問題，本發(fā)明提出了一種圖像光譜探測方法，用于對圖像中任意一個或幾個感興趣的像素區(qū)域進行光譜測量分析探測，采用該測量方法能夠彌補傳統(tǒng)光譜成像技術對全部像素都需要進行光譜測量，導致需要較大存儲空間及大數據處理所帶來的不足。
[0008]本發(fā)明的又一目的是提出一種圖像光譜探測系統(tǒng)。
[0009]為了解決上述不足，本發(fā)明的技術方案為:
一種圖像光譜探測方法，實現(xiàn)了圖像光譜探測的目的，可將光譜探測與圖像探測相融合，包括以下步驟:
51.在探測初始時刻，設置DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“關”狀態(tài)；
入射圖像信號透過成像透鏡組形成入射光信號進入DMD數字微鏡元件；其反射光信號通過成像透鏡成像到面陣CCD相機表面，形成圖像信息并在計算機中顯示；
52.從計算機顯示的圖像中選擇感興趣的像素點，從而控制DMD數字微鏡元件中相應的微鏡處于“開”狀態(tài)，其“開”狀態(tài)的持續(xù)時長為;在持續(xù)時長內，入射到DMD數字微鏡元件的光信號反射到會聚透鏡，會聚到光纖耦合器，耦合進入光纖，并傳送到光纖光譜儀中進行光譜測量；
53.ton后將切換DMD數字微鏡元件中的微鏡至“關”狀態(tài)，“關”狀態(tài)的持續(xù)時長為t。#在持續(xù)時長內入射光信號反射進入面陣C⑶相機，形成圖像信號；跳轉至步驟S2重復；使之被選中的像素點在光譜測量的時候能同時以圖像信息顯示；
54.設置光纖光譜儀的積分時間，完成光譜測量，并同步顯示光譜圖與圖像信號。
[0010]本發(fā)明提出了圖像光譜的概念，即光譜探測與圖像探測相融合，能夠快速成像，主要是對圖像中感興趣的任意一個或幾個像素區(qū)域進行光譜測量。與傳統(tǒng)光譜成像技術相t匕，該方法無需光譜維的掃描，只需對特定像素區(qū)域的光譜進行探測，不僅提高了單次探測速度，還能將光譜分辨率提高到λ λ/λ =0.0001數量級，且圖像光譜技術易于實現(xiàn)。上述DMD數字微鏡元件還可采用類似功能的MEMS器件替代。
[0011]優(yōu)選的，步驟S2中，在圖像中選擇感興趣的像素點的同時確定DMD數字微鏡元件中相應的微鏡都處于“開”狀態(tài)，持續(xù)時長與每幀時間T之比為R，即DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“開”狀態(tài)的持續(xù)時長tm=RXT ；DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“關”狀態(tài)的持續(xù)時長Wf= (1-R) XT。
[0012]另外DMD數字微鏡元件一次開關切換的時間小于1ms，一般視頻圖像幀率大于25幀/秒即可，也就是40ms/幀，那么在一幀時間內，完全可以通過控制DMD某個微鏡的“開”、“關”狀態(tài)時長將該部分的光依次反射進入光纖光譜儀和面陣CCD相機中，實現(xiàn)在探測光譜過程中也能同時觀察圖像的特點。
[0013]優(yōu)選的，DMD數字微鏡元件與面陣CXD相機的像素長寬比必須一致，假設CXD像素總數與DMD的微鏡數量比為M:1 (M為大于或等于I的整數)，那么一次測量過程則將探測圖像中MXM個像素的光譜信息。
[0014]優(yōu)選的，光纖光譜儀的光譜測量范圍為200nm-1100nm，光學分辨率為0.3nm，積分時間Ims至大于60s。
[0015]一種應用圖像光譜探測方法的系統(tǒng)，包括成像透鏡組、DMD數字微鏡元件、成像透鏡、面陣CCD相機、會聚透鏡組、光纖稱合器、光纖、光纖光譜儀和處理器,面陣CCD相機與光纖光譜儀分別接處理器；其中DMD數字微鏡元件中的微鏡都處于“關”狀態(tài)或都處于“開”狀態(tài)；
入射圖像信號透過成像透鏡組形成入射光信號，光信號進入DMD數字微鏡元件；在DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“關”狀態(tài)時，光信號的反射光通過成像透鏡成像到面陣CCD相機表面；在DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“開”狀態(tài)時，入射到DMD數字微鏡元件的光信號反射到會聚透鏡，會聚到光纖耦合器耦合進入光纖，并傳送到光纖光譜儀中進行光譜測量。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案的有益效果是:本發(fā)明實現(xiàn)了圖像光譜測量與分析的目的，可將圖像中任意一個或者多個像素點進行光譜測量。同傳統(tǒng)光譜成像技術相t匕，無需對圖像所有像素點進行光譜測量和儲存，從而提高測量速度，簡化系統(tǒng)結構。
[0017]本發(fā)明可配備任意光纖光譜儀，從而實現(xiàn)寬光譜測量，根據目前商用光纖光譜儀的技術參數，該圖像分析系統(tǒng)可將光譜分辨率提高到Λ λ / λ =0.0001數量級，與超光譜成像技術相比，至少能提高一個數量級。同時光譜測量范圍可選覆蓋紫外光、可見光、近紅外光、遠紅外光等波段。該系統(tǒng)無需進行光譜維掃描，因此結構也更加簡單，操作更加靈活，成本也將大幅度降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明提供的一種圖像光譜分析系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺
寸；
對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
[0020]本發(fā)明首次提出圖像光譜概念，即將光譜探測與圖像探測相融合，對圖像中感興趣的任意一個或幾個像素區(qū)域進行光譜測量。與傳統(tǒng)光譜成像相比，無需對圖像所有像素點進行光譜測量，從而提高測量速度，系統(tǒng)結構也將更加簡單，操作更加靈活，成本也將大幅度降低。填補了該領域的空白。
[0021]本發(fā)明構建了圖像光譜分析系統(tǒng)，利用DMD (或類似功能的MEMS器件)作為中轉部件，將入射光分別反射到CCD和光譜儀，實現(xiàn)圖像與光譜同時測量的目的，從而完成圖像
光譜測量。
[0022]下面根據圖1給出本發(fā)明一個較好的實施例，用以說明本發(fā)明的系統(tǒng)結構特征，實現(xiàn)光譜測量的方法，而不是用來限定本發(fā)明的范圍。
[0023]如圖1所示，本實施例中，系統(tǒng)包括成像透鏡組1、DMD數字微鏡元件2、成像透鏡
3、面陣CXD相機4、會聚透鏡5、光纖耦合器6、光纖7、光纖光譜儀8、處理器9，其中處理器9直接采用現(xiàn)有的計算機。
[0024]本實施例中，面陣CXD相機4分辨率為1024X768，1/2英寸，圖像幀率設置為25中貞/秒，即每巾貞時長T=40ms。
[0025]本實施例中，DMD數字微鏡元件2的微鏡陣列為1024X 768，微鏡單元單元尺寸為10.8umX10.8um，可向兩側產生±12°的偏轉微鏡。轉至+12°時，即為“開”狀態(tài)，它的反射光能夠被光纖光譜儀8所收集；當轉至-12°時，即為“關”狀態(tài)，其反射光將進入面陣CCD相機4。 DMD數字微鏡元件2的微鏡總數與面陣CXD相機4像素總數之比為1:1，每個微鏡對應一個像素，實現(xiàn)對圖像中任意一個像素點進行光譜測量的目的。
[0026]本實施例中，光纖光譜儀8的光譜測量范圍為200nm-l lOOnm，光學分辨率為
0.3nm,積分時間Ims至大于60s。
[0027]本實施例中，計算機搭配圖像光譜分析軟件，軟件的基本功能是顯示面陣CCD相機4的圖像，并且在圖像中可以選擇一個或者多個像素點，從而控制DMD數字微鏡元件2中相對應的反射微鏡，將這部分入射光信息反射進入光纖光譜儀8，進行光譜信息測量并且將光譜圖在計算機中顯示。圖像光譜分析軟件還具備常規(guī)的圖像處理功能。
[0028]整個系統(tǒng)的工作流程是:
入射圖像信號進入成像透鏡組I入射光信號，進入DMD數字微鏡元件2。初始時刻DMD數字微鏡元件2所以微鏡都處于“關”狀態(tài)，其反射光通過成像透鏡3成像到面陣CXD相機4表面，從而將入射圖像信號傳遞至計算機4在圖像光譜分析軟件中顯示完整的圖像信息。
[0029]然后在圖像光譜分析軟件中選擇感興趣的像素點，并且輸入“開”狀態(tài)與每幀時間之比R，本實施例中使R=0.5，確定之后計算機4發(fā)送控制信號至DMD數字微鏡元件2，將所選擇的像素點與DMD數字微鏡元件2中所對應的微鏡切換至“開”狀態(tài)，持續(xù)時長ton=RXT=0.5X40=20ms，此時該部分入射光信號反射到會聚透鏡5，會聚到光纖耦合器6耦合進入光纖7，并傳送到光纖光譜儀8中進行光譜測量。接著微鏡切換至“關”狀態(tài)，持續(xù)時長^ff=(1-R) X T= (1-0.5) X40=20ms，此時該部分入射光信號反射進入面陣CCD相機4，形成圖像信號。接著微鏡又切換至“開”狀態(tài)持續(xù)20ms……，如此“開”、“關”狀態(tài)重復交替使之被選中的像素點在光譜測量的時候也能同時以圖像信息顯示。
[0030]最后設置光纖光 譜儀8的積分時間，完成光譜測量，光譜圖也將在計算機中與圖像信號同步顯示。
[0031]本發(fā)明的圖像光譜無需進行光譜維的掃描，使得它比成像光譜探測速度更快，數據量小，光譜分辨率更高，若搭配高分辨率的光譜儀，那么其光譜分辨率可達到△入/λ =0.0001數量級。而且與模式識別、圖像處理等技術手段相結合，可以自動識別需要測量光譜的位置，實現(xiàn)自動化的測量，為在線監(jiān)測提供有力的技術支持。
[0032]相同或相似的標號對應相同或相似的部件；
附圖中描述位置關系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種圖像光譜探測方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.在探測初始時刻，設置DMD數字微鏡元件中的微鏡都處于“關”狀態(tài)；入射圖像信號透過成像透鏡組形成入射光信號進入DMD數字微鏡元件；其反射光信號通過成像透鏡成像到面陣CCD相機表面，形成圖像信息并在計算機中顯示； 52.從計算機顯示的圖像中選擇感興趣的像素點，從而控制DMD數字微鏡元件中相應的微鏡處于“開”狀態(tài)，其“開”狀態(tài)的持續(xù)時長為;在持續(xù)時長內，入射到DMD數字微鏡元件的光信號反射到會聚透鏡，會聚到光纖耦合器，耦合進入光纖，并傳送到光纖光譜儀中進行光譜測量； 53.ton后將切換DMD數字微鏡元件中的微鏡至“關”狀態(tài)，“關”狀態(tài)的持續(xù)時長為t。#在持續(xù)時長內入射光信號反射進入面陣C⑶相機，形成圖像信號；跳轉至步驟S2重復；使之被選中的像素點在光譜測量的同時實現(xiàn)圖像信息顯示； 54.設置光纖光譜儀的積分時間，完成光譜測量，并同步顯示光譜圖與圖像信號。
2.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，步驟S2中，在圖像中選擇感興趣像素點的同時確定DMD數字微鏡元件中相應的微鏡處于“開”狀態(tài)，“開”狀態(tài)持續(xù)時長與每幀時間T之比為R，即DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“開”狀態(tài)的持續(xù)時長tm=RXT ；DMD數字微鏡元件中的微鏡處于“關”狀態(tài)的持續(xù)時長Iff=(1-R) XT。
3.根據權利要求2所述的測量方法，其特征在于，DMD數字微鏡元件與面陣CCD相機的像素長寬比必須一致。
4.根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于，光纖光譜儀的光譜測量范圍為200nm_lIOOnm,光學分辨率為0.3nm,積分時間Ims至大于60s。
5.一種應用權利要求1至4任一項所述的圖像光譜探測方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括成像透鏡組(I)、DMD數字微鏡元件(2 )、成像透鏡(3 )、面陣C⑶相機(4)、會聚透鏡組(5 )、光纖耦合器(6)、光纖(7)、光纖光譜儀(8)和處理器(9)，面陣C⑶相機(4)與光纖光譜儀(8)分別接處理器(9);其中DMD數字微鏡元件(2)中的微鏡有“開”、“關”兩種狀態(tài)； 入射圖像信號透過成像透鏡組(I)形成入射光信號，光信號進入DMD數字微鏡元件(2);在DMD數字微鏡元件(2)中的微鏡處于“關”狀態(tài)時，光信號的反射光通過成像透鏡(3)成像到面陣CCD相機(4)表面；在DMD數字微鏡元件(2)中的微鏡處于“開”狀態(tài)時，入射到DMD數字微鏡元件(2)的光信號反射到會聚透鏡(5)，會聚到光纖耦合器(6)耦合進入光纖(7)，并傳送到光纖光譜儀(8)中進行光譜測量。
【文檔編號】G01J3/28GK103925999SQ201410187677
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權日:2014年5月6日
【發(fā)明者】蔡志崗, 陳健沛, 謝立恒, 王福娟, 李佼洋 申請人:中山大學