一种微型高光谱相机及测量方法

1.本发明涉及计算成像和光谱测量领域，尤其涉及一种微型高光谱相机及测量方法。


背景技术：

2.光谱测量在日常生活生产中有着重要的应用。通过检测检测皮肤的光谱信号，可以区分真实人脸和硅胶头模，提升人脸识别的准确性；通过检测食物中的光谱信号，可以辨别食物是否变质；通过卫星检测光谱信号，可以辨别森林中是否有火灾发生。常规的光谱检测使用的是光谱仪，其不具有空间分辨率，只能测量一个点的光谱信号。现阶段可以实现具有空间分辨率的光谱测量手段主要有以下几种。其一是在单色相机前添加不同波段的窄带滤光片，通过连续测量来获得物体的光谱信息。但是这种方法不具有时间分辨率，只能用于时间不变的物体测量。其二是通过在色散元件与编码元件进行测量，称为cassi(coded aperture snapshot spectral imaging)。该方法首先使用色散元件对物体进行色散，再对色散后的光进行空间编码，结合压缩感知原理可以恢复出物体的二维光谱信息。其三就是通过结合色散元件和层析原理的重建方法，称为ctis(computed tomography image spectrometers)方法。常规的ctis方法需要将准直后的光通入色散元件，再经过成像镜头成像。常规的cassi和ctis方法都能实现快照式的测量，但是这两种方法需要较多的光学元件且装置复杂。因此，上述方法的一个共有缺陷就是其装置偏大，不利于日常生活中的携带及应用。光谱测量的微型化是生产实际中很重要的一项工作。
3.因此，本领域的技术人员致力于开发一种微型化的光谱相机，使得其方便人们随身携带。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是实现光谱相机的微型化，方便人们随身携带。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种微型高光谱相机，包括
6.带通滤光片，过滤掉探测范围外的杂光，消除杂光对测量精度的影响；
7.成像镜头，将探测对象成像在光阑平面处；
8.光阑，限制视场的大小，使色散后的像互不重叠；
9.中继镜头，将光阑上的像聚焦到传感器上；
10.色散元件，对所成的像在光谱维度进行色散，形成若干个不同的像；
11.传感器，采集色散后的图像；
12.所述带通滤光片固定在成像镜头上，所述带通滤光片放置在最前端，所述成像镜头、光阑、中继镜头、色散元件及传感器前后依次布置在同一条轴线上。
13.在本发明的较佳实施方式中，所述成像镜头及中继镜头为微型短焦镜头，其焦距分别为6mm和4mm，其直径均小于6mm。
14.在本发明的较佳实施方式中，所述光阑为可调微型光阑，其通光孔径为圆形孔，通光直径为0-2mm。
15.在本发明的较佳实施方式中，所述色散元件为经过设计的具有大衍射角的doe，二维光栅或者超表面，能将一束光分成若干束不同的光，从中心往边缘分别为0级，1级，2级
……
不同波长的光经过衍射以后其衍射角各不相同。
16.在本发明的较佳实施方式中，所述的传感器为微型单色ccd，其成像面积为2.4mm
×
2.4mm，输出数据为10位二进制数。
17.本发明还提供了一种高光谱成像方法，利用所述微型高光谱相机，包括以下步骤：
18.步骤1、使用单色仪对高光谱相机进行标定，记录单色仪的波长及强度，同时记录传感器上的图像；
19.步骤2、根据标定数据计算出空间中任意点发出的单色光在传感器上的响应，建立其中的关联矩阵为成像模型；
20.步骤3、在完成标定及模型建立之后，对实际物体进行成像；
21.步骤4、采用mlem-tv算法结合引导图滤波算法对高光谱图像进行重建，所述引导图为衍射后的0级图像。
22.优选的，通过重复执行步骤3至步骤4以实现对高光谱图像的动态测量。
23.优选的，所述步骤2还包括：
24.步骤2.1、设需要重建的物体离散后的数据立方大小为i
×j×
k，其中i和j是空间维度，k是光谱维度；
25.步骤2.2、对于第一个波长，成的九个像分别记为p11_1，p12_1，p13_1，p21_1，p22_1，p23_1，p31_1，p32_1，p33_1，其中p22_1为第一个波长的0级像，其余为第一个波长1级像。
26.步骤2.3、遍历所有的波长后得到九个图像。
27.优选的，所述单色仪的光谱分辨率小于1nm。
28.优选的，步骤4中的重建算法为迭代法，在每一次迭代中依次进行mlem重建、tv正则化、引导图滤波。
29.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
30.1、去掉了ctis系统中的准直镜头，减少了光学元件，减小了体积并大大降低了生产成本，可以批量生产；
31.2、设计了大衍射角的色散元件(diffractive of element，doe)，可以缩减高光谱相机的纵向尺寸，大幅度减小了系统的体积，便于随身携带与日常使用；
32.3、本发明采用微型可调光阑，限制视场的大学奥；
33.4、本发明兼具高的空间分辨率(1mm)与光谱分辨率(最小1nm)。
34.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
35.图1是本发明的一个较佳实施例的光路结构示意图；
36.图2是本发明的一个较佳实施例采集到的圆形光斑照片；
37.图3是本发明的一个较佳实施例对高光谱图像重建后各波长的图像；
38.图4是本发明的一个较佳实施例测量出来的光谱；
39.其中，1、带通滤光片；2、成像镜头；3、光阑；4、中继镜头；5、色散元件；6、传感器。
具体实施方式
40.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
41.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
42.如图1所示，本发明的一个优选实施例提供了一种微型高光谱相机，包括带通滤光片1、成像镜头2、光阑3、中继镜头4、色散元件5、传感器6。所述带通滤光片1固定在成像镜头2上，所述带通滤光片放置在最前端，所述成像镜头、光阑、中继镜头、色散元件及传感器前后依次布置在同一条轴线上。
43.首先将探测对象经过带通滤光片4滤光，之后成像镜头5将该物体的像成在光阑3所在平面。光阑3为可调微型光阑，其通光孔径为圆形孔，通光直径为0-2mm，主要作用是对像的视场大小进行限制。限制大小后的像再依次经过中继透镜4和色散元件5，抵达成像平面。中继透镜4的作用是将光阑3处的像聚焦在传感器6上。当一束光线经过色散元件5时便会衍射出若干束光线。色散元件5设计为大衍射角，从而可以缩减色散元件5与传感器6之间的距离。衍射后的光再抵达传感器6后便会产生若干个不同的像。将这些像结合层析原理，便可以重建出具有光谱分辨率的二维图像。
44.在一个优选实施例中，传感器6为像元大小为3微米的单色ccd传感器，成像镜头2焦距为6mm，中继镜头4焦距为4mm，成像距离为1254mm，光阑3的通光孔径设为1mm，色散元件5为可以产生九个像的doe，其直径为2mm，包括夹具在内，整套系统尺寸小于3cm
×
2cm*2cm。
45.所述色散元件5为经过设计的具有大衍射角的doe，二维光栅或者超表面中的一种，将一束光分成若干束不同的光，从中心往边缘分别为0级，1级，2级
……
不同波长的光经过衍射以后其衍射角各不相同，设计的大衍射角的色散元件5(diffractive of element，doe)，可以缩减高光谱相机的纵向尺寸。
46.本发明的还提供了一种基于以上测量装置的高光谱测量方法，测量过程包括但不限于以下步骤：
47.步骤1：在开始测量前，需要使用单色仪对高光谱相机进行标定，建立光谱与图像之间的关系，同时记录单色仪的波长、强度以及传感器上的图像。
48.单色仪的光谱分辨率小于1nm，单色仪发出的光为单色点光，波长范围为600nm到665nm，带宽5nm，步长5nm。经过这套系统以后，对于每一个波长，相机采集到的是九个独立的点。
49.步骤2：根据标定数据计算出空间中任意点发出的单色光在传感器上的响应，建立其中的关联矩阵与成像模型。
50.步骤3：在完成标定及模型建立之后，对实际物体进行成像。如图2，是本发明一个较佳实施例对圆形光斑进行成像的照片，其中中间部分为0级像，外围八个为1级像。
51.所述步骤3建立模型步骤的详细说明如下：
52.设需要重建的物体离散后的数据立方大小为i
×j×
k，其中i和j是空间维度，k是光谱维度；
53.对于第一个波长，成的九个像分别记为p11_1，p12_1，p13_1，p21_1，p22_1，p23_1，p31_1，p32_1，p33_1，其中p22_1为第一个波长的0级像，其余为第一个波长1级像；
54.遍历所有的波长以后，可以得到九个图像。
55.其中0级像为所有波长的0级像的累加，即p22＝p22_1+p22_2+
…
+p22_k；而1级像在累加的时候存在错位，则其最终的尺寸会略大于0级像。以p11为例，其尺寸为[i+(k-1)
×
dx]
×
[j+(k-1)
×
dy]，其中dx和dy分别是相邻两个波长的光在像平面上衍射后的距离，其值由步骤1中的标定过程确定，比如波长1的点光源在平面上的像的坐标为(x1,y1),波长2的点光源在平面上的像的点坐标为(x2,y2),那么dx＝x
2-x1；dy＝y
2-y1。
[0056]
步骤4：采用mlem-tv算法结合引导图滤波算法对高光谱图像进行重建。
[0057]
mlem算法的迭代公式为：
[0058][0059]
其中代表第k次迭代后，第j个变量的重建值；a
i，j
代表系数矩阵的第i行，第j列；代表第i个投影值。
[0060]
在每一次mlem迭代之后针对每个波长的重建图进行tv正则化，其目的是使每个波长的图像具有合理的梯度值。
[0061]
对每个波长下的重建图进行引导图滤波，其目的是使每个波长的图像有相似的结构。
[0062]
设置两个终止条件：
[0063]
(1)两次迭代结果的2-范数小于10-6
；
[0064]
(2)迭代次数大于200次。
[0065]
两个条件有一个满足时，终止重建过程，迭代收敛之后的重建值即为探测到的高光谱数据。图3为重建后各波长的图像，图4为测量出来的光谱。
[0066]
通过重复执行步骤3至步骤4可以实现对高光谱图像的动态测量。
[0067]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。