基于液晶可调谐滤光片的便携式多光谱成像仪

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1、万方数据第39卷第1期2010年1月光子学报ACTAPHOT()NICASINICAV01．39No．1January2010文章编号：1004—4213(2010)01—0071—5基于液晶可调谐滤光片的便携式多光谱成像仪*王新全1’2，黄昊1，高晓惠1，肖相国1(1中国科学院西安光学精密机械研究所。西安710119)(2中国科学院研究生院，北京100049)摘要：选用商品化照相机镜头、液晶可调谐滤光片和单色面阵CCD相机，将液晶可调谐滤光片置于由镜头和CCD相机组成的照相光路中构成便携式多光谱成像仪．该多光谱成像仪能够在被动和主动光源下进行多光谱图像数据采集，工作波长范围是400～

2、720am，光谱分辨率为10nm．建立了多光谱成像仪系统多光谱图像采集数值模型，分析了误差源，为系统定标提供了理论依据．在自然光照条件下进行了盆景植物的多光谱图像采集试验，重建出多光谱数据立方体，绘制了典型目标点的光谱曲线．关键词：多光谱成像；液晶可调谐滤光片；数值模型；数据立方体中图分类号：TP73文献标识码：Adoi：10．3788／gzXb20103901．00710引言多光谱成像技术是当前图像获取及处理的前沿技术．由于能够获得同一景物多个光谱通道的图像，并利用多个通道的图像数据组成多光谱图像数据立方体，为图像处理提供更多的信息量，在遥感、环境监测、食品安全、生物医疗、颜色信息处

3、理等方面具有广泛的应用．目前，按照分光方式的不同，多光谱成像技术主要有色散型、干涉型和滤光片型等．色散型多光谱成像技术以棱镜或光栅作为色散元件，将通过狭缝的入射光按波长分散开来，再由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上；干涉型以干涉仪作为色散元件，利用双光束干涉原理获得入射狭缝的干涉图，然后通过傅里叶变换从干涉图中复原出狭缝的光谱．色散型和干涉型多光谱成像技术都是通过推扫或摆扫方式获得二维目标的三维光谱图像信息，对平台的稳定性要求很高，且在同一次曝光中获取所有谱段光谱信息．采用滤光片的多光谱成像系统是在照相系统光路中加入滤光片，主要采用两种方式：第一种是将多个相同的相机放置在一

4、起，镜头前分别放置不同波长的滤光片，这种方式能够并行获取多个波长图像。但是给图像配准带来困难，且体积庞大；第二种方式是将不同种滤光片安装在一个转轮上，通过转轮来切换滤光片，这种方式体积较大，且需要机械结构，比较耗时，对结构稳定性要求“西部之光”项目资助Tel：029—88887632Email：wangxinquan@opt．ac．cn收稿日期：2009-02—26修回日期：2009-06-23较高．这两种采用滤光片的方式都可以根据系统的光谱响应来设置合适的曝光时间，从而获得最大的信噪比，但体积较大，不易携带．采用电调谐的液晶可调谐滤光片代替机械转轮，可实现快速调谐波长，相对于传统的滤

5、光片，具有体积小、重量轻、功耗小、调谐时间短且无运动部件的特点[1。7]．文中采用液晶可调谐滤光片(LiquidCrystalTunableFilter，LCTF)作为分光元件，制作了多光谱成像仪，具有体积小、便携的突出优点，能够满足实验室及野外的多光谱图像采集工作．1系统设计1．1系统原理滤光片型多光谱成像仪的工作原理为，在照相光路中加入滤光片作为分光元件，通过更换滤光片来获得不同的光谱通道．以LCTF作为分光元件置于照相系统中，以电调谐的方式改变通过中心波长，每调整一次波长后相机曝光一次，系统记录下该波段的二维图像数据，然后再设定下一透过中心波长，如此循环，直到完成所有预定波长的图

6、像采集任务，将上述数据按照波长顺序组合起来即可获得目标的包括二维图像信息和一维光谱信息的光谱图像数据立方体．1．2系统结构基于LCTF的便携式多光谱成像仪由光学镜头、LCTF和单色CCD相机三部分组成．光学镜头和CCD相机组成照相系统，LCTF作为分光元件与照相系统的组合有两种可能的方式[引，一种是将LCTF置于镜头的前方，如图1(a)，另一种是将万方数据光子学报39卷图1基于LCTF的多光谱成像仪结构Fig．1Layoutofthemulti—spectralimagerbasedonLCTFLCTF置于镜头和CCD相机之间，如图1(b)．这两种连接方式各有优缺点．将LCTF置于镜头

7、的前方的优点是：镜头直接与CCD相机连接，能够准确调焦使成像清晰；缺点是：由于LCTF有一定的厚度，当镜头的通光口径大于LCTF的孑L径时会有光能损失并产生渐晕，LCTF的重量也会影响成像系统的设计，为保证光路共轴，必要的情况下需要对LCTF加上支撑机构．将LCTF置于镜头和相机之间的优点是：LCTF的重量与相机直接相连，不会对机械结构产生影响，由于镜头和焦平面之间的光束口径通常小于镜头的入瞳口径，LCTF的口径可以稍微小一些；缺点是：由于商品