[發明專利]一種小型化光譜成像系統及成像方法

有效

• 申請號: 201711336782.6
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108061600B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 陶淑蘋;張續嚴;金光;徐偉;曲宏松;吳勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 張偉

一種小型化光譜成像系統及成像方法，涉及光電成像技術領域，解決現有CMOS的高光譜成像技術存在提升信噪比的同時，降低了目標的空間分辨率的問題，包括鏡頭、分光元件和成像系統電子學，入射光線經鏡頭聚焦投影到分光元件，經過分光元件后光線被分為n個窄波譜段，成像系統電子學接收n個譜段光線并將其轉化為電信號，成像方法包括光譜位置快速標定和高光譜成像兩個過程；標定過程用于成像系統裝配完成后對n個波長光譜在傳感器焦面投影位置的快速標定，標定結束后根據標定結果成像系統進行高光譜成像；本發明采用具有行向多開窗功能的CMOS圖像傳感器，不僅功耗小、成本低，而且系統集成度高，從而滿足了高光譜成像向輕小型化發展的需求。

技術領域

本發明涉及光電成像技術領域，具體涉及一種小型化光譜成像系統及成像方法。

背景技術

光譜成像技術在獲取目標的二維空間特征信息的同時，可以獲取目標的光譜信息，因此在軍事偵查、農林觀察、環境監測、災害調查以及地質勘探等領域具有廣闊的應用空間并發揮著重要作用。其中高光譜成像系統在自然科學的大部分領域以及人民生活的部分領域，比如農作物產量預估、土壤質量評估、水體污染檢測、空氣污染檢測等，起著重要作用。然而目前絕大多數國內高光譜成像系統存在著體積重量大、功耗高、成本高昂，而且對應用環境有相對較高要求的問題。輕小型化高光譜成像系統成為近年來的迫切發展需求。

由于高光譜成像系統需采用濾光片、棱鏡或光柵等分光元件，導致入射到傳感器焦面的能量較微弱，因此為了獲取高成像質量的圖像對傳感器的靈敏度提出了苛刻要求，傳統的高光譜成像系統普遍采用CCD圖像傳感器。但在系統集成度、體積、功耗、價格方面，CCD傳感器較CMOS傳感器存在明顯劣勢。近年來隨著CMOS制造工藝的提升，基于CMOS的高光譜成像技術浮出水面，為了提高靈敏度，現有方法采取在光譜維方向進行同譜段M像素合并的措施，雖然信噪比得以提升倍，但是目標的空間分辨率也相應下降了M倍。

發明內容

本發明為解決現有CMOS的高光譜成像技術存在提升信噪比的同時，降低了目標的空間分辨率的問題，提供一種小型化光譜成像系統及成像方法。

一種小型化光譜成像系統，包括鏡頭、分光元件和成像系統電子學，入射光線經鏡頭聚焦投影到分光元件，經過分光元件后光線被分為n個窄波譜段，成像系統電子學接收n個譜段光線并將其轉化為電信號；

所述成像系統電子學包括面陣CMOS圖像傳感器和成像處理單元；所述成像處理單元包括FPGA，所述FPGA包括時鐘管理模塊、通信模塊、焦面模組驅動控制模塊、圖像數據接收模塊、多譜段獨立時間延遲積分算法模塊、數據整合模塊和存儲控制模塊；

所述時鐘管理模塊負責成像系統中所有模塊的時鐘分配；

通信模塊用于接收外部設備發送的控制指令，并將控制指令解碼獲得成像參數后發送至焦面模組驅動控制模塊，所述焦面模組驅動控制模塊根據解碼后的成像參數生成傳感器驅動時序，實現n個譜段對應窗口的曝光成像；

CMOS圖像傳感器輸出的高速串行差分圖像信號輸出至FPGA內部的圖像數據接收模塊，所述圖像數據接收模塊按照傳感器圖像編碼算法解碼串行圖像為并行數據，并用于多譜段獨立時間延遲積分算法模塊的調用；

所述多譜段獨立時間延遲積分算法模塊根據各譜段的積分級數，分別對n個譜段進行獨立時間延遲積分操作，一個行周期每個譜段輸出一行圖像，累計共n行積分圖像，其他未輸出圖像通過存儲控制模塊控制緩存于片內或片外存儲器；

所述數據整合模塊將n行積分圖像進行行流水編號和譜段編號，同一行n個譜段數據行流水號相同，經過一個行周期行流水號自動加1，所述譜段編號按照CMOS圖像傳感器開窗位置依次編號，增加行流水和譜段編號后通過數傳接將所有譜段數據輸出。