一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法

1.本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法。


背景技术：

2.视频光谱成像技术是成像技术与光谱技术相结合的产物，该技术在资源调查、环境监测、农业生产、生物医学、药物分选、食品安全、刑侦和司法鉴定等多个应用领域均发挥着不可替代的作用。随着集成光学、微机电技术与精密机械加工技术的的快速发展，高分辨、微型光谱成像技术得到了快速发展。
3.针对轻小型视频光谱成像技术的研究，目前研究和应用相对较多的是基于像元镀膜的光谱成像技术路线。虽然基于该技术路线研制的光谱成像仪具有小型化、视频光谱成像的突出技术特点，但普遍存在工作波段范围窄、谱段少、图像分辨率低的技术弊端，因此在一定程度上限制了该技术的推广应用。如比利时imec公司研制了基于cmos芯片马赛克像元镀膜的方法实现了多通道谱段的集成滤光。该公司分别推出两款马赛克像元镀膜的视频光谱成像仪，可见波段光谱范围为460nm-630nm，谱段数为16个，近红外波段光谱范围为690nm-975nm，谱段数为25个。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统和方法，解决目前基于像元镀膜分光成像机理的视频光谱成像系统中存在的工作波段范围窄、谱段少及图像分辨率低的技术弊端，同时本发明提出的成像系统具有小型化和集成度高的突出优点。
5.本发明的技术方案是：
6.一种宽谱段高分辨视频光谱成像系统，其特殊之处在于：包括前置成像光学系统、分光组件、面阵探测器i、面阵探测器ii及面阵探测器iii；
7.前置成像光学系统用于对目标成像；
8.分光组件置于前置成像光学系统与各个面阵探测器之间，用于将入射光束分束，获得三束不同波段范围的光束，将波段范围为λs～λ
l
的光束定义光束i，将波段范围为λs～λm的光束定义为光束ii；将波段范围为λm～λ
l
的光束定义为光束iii；其中λs＜λm＜λ
l
，入射光束的波段范围与光束i的波段范围相同；
9.面阵探测器i的工作波段范围为λs～λ
l
，用于接收光束i，获得全色高分辨率图像；
10.面阵探测器ii的工作波段范围为λs～λm，用于接收光束ii，获得覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像；
11.面阵探测器iii的工作波段范围为λm～λ
l
，用于接收光束iii，获得覆盖λm～λ
l
工作波段范围的视频多光谱图像。
12.进一步地，上述分光组件为胶合棱镜组件，包括第一块二次反射棱镜、第二块二次反射棱镜和透射棱镜；
13.第一块二次反射棱镜的ac面与第二块二次反射棱镜的de面胶合，第二块二次反射棱镜的ef面与透射棱镜gh面胶合；第一块二次反射棱镜的ac面上镀有分光膜；第二块二次反射棱镜的ef面镀有分色膜；
14.第一块二次反射棱镜的ab面作为入射面，第一块二次反射棱镜的bc面作为光束i的出射面，第二块二次反射棱镜的df面作为光束ii的出射面，透射棱镜pk面作为光束iii的出射面；
15.工作波段范围为λs～λ
l
的入射光束，通过前置成像光学系统到达第一块二次反射棱镜，通过第一块二次反射棱镜ac面的分光膜，将入射光束按一定的分光比分成两部分光束，其中一部分光束即光束i到达第一块二次反射棱镜的ab面，再通过ab面的反射从bc面出射到达面阵探测器i靶面，得到全色高分辨率率图像；另一部分光束到达第二块二次反射棱镜的ef面,通过其上的分色膜将工作波段范围为λs～λ
l
的光束分为工作波段范围为λs～λm和λm～λ
l
的光束ii和光束iii，其中光束ii通过第二块二次反射棱镜的de面反射，从第二块二次反射棱镜的df面出射到达面阵探测器ⅱ靶面，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像；光束iii通过透射棱镜到达面阵探测器ⅲ靶面，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像。
16.进一步地，前置成像光学系统为透射式光路结构、全反射式光路结构或折返式光路结构。
17.进一步地，前置成像光学系统为照相系统、显微系统或望远系统。
18.进一步地，面阵探测器ⅰ靶面为高分辨率宽波段全色感光探测器靶面。
19.进一步地，面阵探测器ⅱ靶面及面阵探测器ⅲ靶面均为马赛克像元镀膜视频光谱成像探测器靶面。
20.本发明还提供一种宽谱段高分辨视频光谱成像方法，基于宽谱段高分辨视频光谱成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
21.步骤1、基于宽谱段高分辨视频光谱成像系统获得全色高分辨率图像、覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像及覆盖λm～λ
l
工作波段范围的视频多光谱图像；
22.步骤2、利用全色高分辨率图像对覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像及覆盖λm～λ
l
工作波段范围的视频多光谱图像进行高分辨率重构，得到高分辨率多光谱图像数据。
23.进一步地，步骤2具体为：
24.步骤2.1、提取覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像及覆盖λm～λ
l
工作波段范围的视频多光谱图像中每个单谱段图像数据：
25.分别将面阵探测器ⅱ靶面和面阵探测器ⅲ靶面上中心波长为λi的像元对应的位置全部提取出来，则就可以得到中心波长为λi的单谱段低分辨率图像；
26.步骤2.2、利用每个单谱段低分辨率图像数据与全色高分辨率图像做重构，得到该谱段的高分辨率图像数据。
27.进一步地，步骤1具体为：工作波段范围为λs～λ
l
的入射光束，通过前置成像光学系统到达第一块二次反射棱镜，通过第一块二次反射棱镜ac面的分光膜，将入射光束按一定的分光比分成两部分光束，其中一部分光束即光束i到达第一块二次反射棱镜的ab面，再通过ab面的反射从bc面出射到达面阵探测器i靶面，得到全色高分辨率率图像；另一部分光束
到达第二块二次反射棱镜的ef面,通过其上的分色膜将工作波段范围为λs～λ
l
的光束分为工作波段范围为λs～λm和λm～λ
l
的光束ii和光束iii，其中光束ii通过第二块二次反射棱镜的de面反射，从第二块二次反射棱镜的df面出射到达面阵探测器ⅱ靶面，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像；光束iii通过透射棱镜到达面阵探测器ⅲ靶面，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像。
28.本发明的有益效果是：
29.1、本发明具有更宽的工作波段范围。
30.本发明通过分光组件将入射宽波段光束分成单独的两个工作波段，分别采用两块马赛克像元镀膜视频多光谱面阵探测器同时接收，可一次性得到450nm-980nm工作波段范围的多光谱图像。
31.2、本发明具有更多的谱段数。
32.本发明通过分光组件将入射宽波段光束分成单独的两个工作波段，分别采用两块马赛克像元镀膜视频多光谱面阵探测器同时接收，因此具有更多的谱段数，如本发明可一次性得到41谱段的多光谱图像。
33.3、本发明具有更高的成像分辨率。
34.本发明通过系统光路中的分光组件将入射光束按一定比例进行分成两部分光束，其中一部分光束即光束i到达高图像分辨率全色感光探测器靶面ⅰ，利用该探测器靶面上的高分辨率图像采用图像重构算法实现马赛克像元镀膜视频多光谱面阵探测器ⅱ和iii高图像分辨率的重构，最后可以得到高分辨率多光谱图像。
35.4、本发明采用共口径成像光学系统，即共用一套成像光学系统，通过位于其出射光路中的胶合棱镜组件实现分光，相对于多镜头的技术方案具有更加紧凑的体积和轻巧结构。
36.5、本发明采用1套宽谱段视频光谱成像系统，可同时获得1幅全色高分辨率图像和覆盖2个不同工作波段范围的视频多光谱图像。
附图说明
37.图1为本发明宽谱段视频光谱成像系统光路示意图；
38.图中附图标记为：1-前置成像光学系统，2-胶合棱镜组件，21-第一块二次反射棱镜，22-第二块二次反射棱镜，23-透射棱镜，3-面阵探测器ⅰ靶面，4-面阵探测器ⅱ靶面，5-面阵探测器ⅲ靶面；
39.图2为实施例中面阵探测器ⅱ靶面示意图；
40.图3为实施例中面阵探测器ⅲ靶面示意图。
具体实施方式
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
42.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以
采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
43.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
44.再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
45.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
46.本发明宽谱段高分辨视频光谱成像系统包括沿光路依次设置的前置成像光学系统1与分光组件，还包括分别位于分光组件三路出射光路中的面阵探测器i、面阵探测器ii及面阵探测器iii。其中前置成像光学系统1用于对目标成像，可以为透射式光路结构，也可为全反射式光路结构或折返式光路结构；可以是照相系统，也可以是显微系统和望远系统。分光组件用于将入射光束分束，获得三束不同波段范围的光束，将波段范围为λs～λ
l
的光束定义光束i，将波段范围为λs～λm的光束定义为光束ii；将波段范围为λm～λ
l
的光束定义为光束iii；其中λs＜λm＜λ
l
，入射光束的波段范围与光束i的波段范围相同；从图1可以看出，分光组件可以为胶合棱镜组件2，当然在其他实施例中，也可以采用其他分光结构。胶合棱镜组件2包括第一块二次反射棱镜21、第二块二次反射棱镜22和透射棱镜23；第一块二次反射棱镜21的ac面与第二块二次反射棱镜22的de面胶合，第二块二次反射棱镜22的ef面与透射棱镜23的gh面胶合；第一块二次反射棱镜21的ac面上镀有分光膜；第二块二次反射棱镜22的ef面上镀有分色膜；第一块二次反射棱镜21的ab面作为入射面，第一块二次反射棱镜21的bc面作为光束i的出射面，第二块二次反射棱镜22的df面作为光束ii的出射面，透射棱镜23的kp面作为光束iii的出射面。面阵探测器i的工作波段范围为λs～λ
l
，面阵探测器ⅰ靶面3为高分辨率宽波段全色感光探测器靶，置于第一块二次反射棱镜21出射光路中，用于接收接收光束i，获得全色高分辨率图像；面阵探测器ii的工作波段范围为λs～λm，面阵探测器ⅱ靶面4为马赛克像元镀膜视频成像探测器靶面，置于第二块二次反射棱镜22出射光路中，用于接收光束ii，获得覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像；面阵探测器iii的工作波段范围为λm～λ
l
，面阵探测器iii靶面为马赛克像元镀膜视频成像探测器靶面，置于透射棱镜23出射光路中，用于接收光束iii，获得覆盖λm～λ
l
工作波段范围的视频多光谱图像。
47.工作波段范围为λs～λ
l
的入射光束，通过前置成像光学系统1到达第一块二次反射棱镜21，通过第一块二次反射棱镜21ac面上的分光膜，将入射光束按一定的分光比分成两部分光束，其中一部分光束即光束i到达第一块二次反射棱镜21的ab面，再通过ab面的反射从bc面出射到达面阵探测器i靶面，得到全色高分辨率率图像；另一部分光束到达第二块二次反射棱镜22的ef面,通过其上的分色膜将工作波段范围为λs～λ
l
的光束分为工作波段范围为λs～λm和λm～λ
l
的光束ii和光束iii，其中光束ii通过第二块二次反射棱镜22的de面反射，从第二块二次反射棱镜22的df面出射到达面阵探测器ⅱ靶面4，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像；光束iii通过透射棱镜23到达面阵探测器ⅲ靶面5，得到覆盖λs～λm工作波段范围的视频多光谱图像。
48.由于采用马赛克像元镀膜技术，因此面阵探测器ⅱ靶面4和面阵探测器ⅲ靶面5上得到的是覆盖宽工作波段范围的多光谱图像，而图像分辨率有一定的损失。但是面阵探测器ⅰ靶面3接收到的图像为全色高分辨率图像，成像分辨率没有任何的损失，因此可以利用面阵探测器ⅰ得到全色高分辨率率图像对面阵探测器ⅱ和面阵探测器ⅲ分别得到的多光谱图像进行高分辨率重构，从而得到高分辨率多光谱图像数据。
49.实施例
50.本实施例公开一种覆盖可见近红外波段的视频光谱成系统，具体实施途径如下：
51.入射光束工作波段范围为450nm-980nm，覆盖可见近红外波段。通过前置成像光学系统1达到胶合棱镜组件2。第一块二次反射棱镜21的ac面上镀的分光膜分光比为3:7，即反射30％，透射70％，分光比也不限于该比例，可根据实际情况进行调整。反射30％的入射光束能量到达第一块二次反射棱镜21的ab面，再通过ab面的反射从bc面出射到达面阵探测器ⅰ靶面3，得到全色高分辨率率图像；透射70％的入射光束能量到达第二块二次反射棱镜22的ef面，第二块二次反射棱镜22的ef面上镀的分色膜将入射光束波段范围450nm-980nm分成450nm-600nm和690nm-980nm两个波段范围，分色波段也不限于该波段划分方式，可根据实际情况进行调整。其中450nm-600nm波段范围的光束通过第二块二次反射棱镜22的de面反射从df面出射到达16谱段马赛克像元镀膜面阵探测器ⅱ靶面4，得到450nm-600nm工作波段范围内的16谱段多光谱图像。16谱段马赛克像元镀膜面阵探测器ⅱ靶面4示意图如图2所示，其中4
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4像元为一组，中心波长分别为450nm、460nm、470nm、480nm、490nm、500nm、510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm、590nm、600nm共16个光谱通道，每一个通道对应一个单谱段图像，中心波长位置也不限此，可根据实际情况进行调整。其中690nm-980nm波段范围的光束通过透射棱镜23到达25谱段马赛克像元镀膜面阵探测器ⅲ靶面5，得到690nm-980nm工作波段范围内的25谱段多光谱图像。25谱段马赛克像元镀膜面阵探测器ⅲ靶面5示意图如图3所示，其中5
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5像元为一组，中心波长分别为690nm、702nm、714nm、726nm、738nm、750nm、762nm、774nm、786nm、798nm、810nm、822nm、834nm、846nm、858nm、870nm、882nm、896nm、908mn、920nm、932nm、944nm、956nm、968nm、980nm共25个光谱通道，每一个通道对应一个单谱段图像，中心波长位置也不限此，可根据实际情况进行调整。
52.将面阵探测器ⅱ靶面4和面阵探测器ⅲ靶面5上中心波长为λi的像元对应的位置全部提取出来，则就可以得到中心波长为λi的单谱段低分辨率图像，再与面阵探测器靶面ⅰ接收到的全色高分辨率图像做重构，就可以得到该谱段的高分辨率图像数据。