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一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法制造方法及图纸

技术编号:20543372 阅读:59 留言:0更新日期:2019-03-09 16:28
本发明专利技术公开了一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法,该装置包括照明模块、成像单元、微控制器、密封舱、微型计算机、电源模块、密封箱体、支架、人机交互模块;其中,所述成像单元包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机、延伸管、液态透镜、成像镜组,所述照明模块、成像单元、微控制器安装在密封舱内部支架上,所述液态透镜和照明模块均与微控制器相连;所述微型计算机、电源模块、人机交互模块安装在密封箱体内;所述快照式光谱相机、微控制器、人机交互模块均与微型计算机相连;本发明专利技术结构合理、体积小巧、操作方便,可由潜水员在水下动态环境下进行观测操作,具有多种工作模式可选。

An underwater micro-spectral imaging device and method based on snapshot spectral camera

The invention discloses an underwater micro-spectral imaging device and method based on a snapshot spectral camera, which comprises an illumination module, an imaging unit, a microcontroller, a sealed cabin, a microcomputer, a power module, a sealed box, a bracket and a human-computer interaction module, wherein the imaging unit comprises a snapshot spectral camera connected sequentially and arranged on the same optical axis, and an extension module. The illumination module, the imaging unit and the microcontroller are installed on the inner bracket of the sealed cabin, and the liquid lens and the illumination module are connected with the microcontroller; the microcontroller, the power module and the human-computer interaction module are installed in the sealed box; the snapshot spectral camera, the microcontroller and the human-computer interaction module are all connected with the microcomputers. The invention is reasonable in structure, compact in volume and convenient in operation, and can be observed and operated by divers in underwater dynamic environment, and has a variety of working modes.

【技术实现步骤摘要】
一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法
本专利技术涉及一种显微光谱成像
,尤其涉及一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法。
技术介绍
光学显微镜能够将人眼不能分辨的微小物体放大成像,以提取微细结构信息,被广泛应用于现代生命科学、药物医学、检验鉴定等领域。光谱成像技术将空间维度与光谱维度相结合,可以获得直观、丰富、准确的物质光学特性,已在卫星遥感、物质分类、军事等领域得到了广泛的应用。显微光谱成像技术将显微成像技术与光谱成像技术有机结合在一起,成为一种新型光学成像技术。基于此技术研发的显微光谱成像仪多为推扫型,即利用棱镜分光或线性渐变滤光片阵列获取被拍摄物的光谱信息,成像方式为线推扫,再进行图像拼接;或者扫描型,例如基于轮转滤光片、声光可调谐滤光片或液晶可调谐滤光片进行分光,通过光谱波段时序扫描采集光谱立方体数据。然而,相关研究和应用主要还是集中在陆地,而对于水下研究及应用相对较少。随着人类对海洋研究的不断深入,人们开始关注海藻、海草床、珊瑚礁等海洋生态中发生的微米级尺度生物活动,以研究其对海洋生态健康状况及长期动态演化过程的影响,例如珊瑚白化、珊瑚虫成长、底质结构等,因此,显微光谱成像技术在水下具有广阔的应用需求。美国专利(专利公开号:US2011/0205536A1)提出了一种可以装载于水下潜器底部,用来观察水中物体的高光谱成像设备,该装置通常用来对水下环境中的水生物种、水下环境等进行成像,但未涉及到微观领域。
技术实现思路
在水下环境复杂多变、理化生物活动相互耦合、水体对光传输衰减和散射等多重干扰下,如何解决常规显微成像工作距离小、微米级景深等限制,对水下微米级尺度活动进行长期、原位、无干扰的动态观测仍然是存在诸多技术难点,例如精细对焦、反射照明、长工作距离、无侵入性布放。针对现有技术中的不足,本专利技术提供了一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置及方法。为了解决上述技术问题,本专利技术是通过以下技术方案实现的:一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,包括照明模块、成像单元、微控制器、密封舱、微型计算机、电源模块、密封箱体、支架、人机交互模块;其中,所述成像单元对目标物进行微米级显微光谱成像,它包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机、延伸管、液态透镜、成像镜组,所述照明模块照亮目标物;所述照明模块、成像单元、微控制器安装在密封舱内部支架上,所述液态透镜和照明模块均与微控制器相连,由微控制器控制照明模块的开和关;所述微型计算机、电源模块、人机交互模块安装在密封箱体内,电源模块用于给水下显微光谱成像装置提供工作电压;所述快照式光谱相机、微控制器、人机交互模块均与微型计算机相连;所述密封舱和密封箱体安装支架上。进一步的,所述成像镜组包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜,所述光学变焦镜头或长工作距离物镜的光学放大倍率大于2倍;微控制器通过电压信号控制液态镜头的透镜形状,响应速度为毫秒级,改变成像单元等效焦距,在大于5cm的显微成像工作距离下实现对焦,并具有毫米级可调工作距离范围。进一步的,所述快照式光谱相机一次成像即可获得全部目标波段的光谱图像,可用于采集画幅式光谱图像或光谱视频。进一步的,所述照明模块包括环形支架和LED组合阵列;所述环形支架与成像镜组同轴;所述LED组合阵列包括多个LED阵列单元,每个LED阵列单元包括各个与感兴趣波段对应的窄光谱LED组合;所述LED阵列单元均与聚光罩结合,所述LED阵列单元按圆周均匀安装在环形支架内;微控制器通过打开或关闭LED阵列单元内某一种工作波段的窄光谱LED来改变照明光谱。进一步的,所述密封舱的前端盖设置有光学玻璃窗口,所述成像镜组前端面贴近光学玻璃;所述密封舱的后端盖上安装水密接插件,作为实时连接成像端接口。进一步的,所述密封箱体侧面安装3个水密接插件,分别作为实时连接操控端接口、外接电源接口、数据输出接口;所述实时连接操控端接口与实时连接成像端接口相连;所述外接电源接口用于提供外接电源给电源模块充电;所述数据输出接口用于微型计算机与外部计算机连接,进行数据输出保存、程序更新修改。进一步的,所述人机交互模块包括显示屏和水下按键模块;显示屏和水下按键模块均与微型计算机相连,所述水下按键模块包括自动对焦控制按键、手动对焦控制按键、自动曝光控制按键、手动曝光控制按键、拍照控制按键、录像控制按键、照明模式控制按键。本专利技术的另一目的是提供一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像方法,该方法在上述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置中实现,该方法包括以下步骤:(1)将密封舱和密封箱安装在可调节角度的支架上,成像单元对准目标物,并且密封舱光学玻璃与目标物保持5cm以上的显微成像工作距离;(2)通过单击自动对焦控制按键,微型计算机通知微控制器通过扫描电压信号驱动液态透镜不断地改变形状,从而改变成像单元的等效焦距,微型计算机实时计算快照式光谱相机采集图像的清晰度,以自动找到最清晰的成像焦点;(3)通过手动对焦控制按键,可逐步改变微控制器施加在液态镜头上的电压信号,从而手动改变成像单元等效焦距,使焦点位置改变;(4)通过自动曝光控制按键,微型计算机自动对快照式光谱相机按曝光时间初值采集的图像进行计算,计算适合所有工作波段的曝光时间;(5)通过手动曝光控制按键,可手动调整当前曝光时间;(6)通过拍照控制按键,可采集一幅快照式光谱图像,图像既包含空间维度信息,又包含光谱维度,故微型计算机利用数据分析处理算法自动提取重建光谱立方体数据;(7)通过录像控制按键,采集一段时间内的快照式光谱视频,则视频既包含空间维度信息、光谱维度,又包含时间维度,从而可以观测目标物在时间维度的活动变化,同时也可以利用多帧图像融合算法将视频中连续多帧融合为一帧高动态范围的光谱图像;(8)通过照明模式控制按键,控制开关不同窄光谱LED,可根据实际需求改变照明模块出射的光谱分布;(9)若目标物三维表面高低变化明显,则由于微米级景深限制,图像上只有焦点位置的部分是清晰的,其余超出景深的部分是模糊的,通过双击自动对焦控制按键,微型计算机控制微控制器以来回扫描切换液态透镜的焦距,从而获得一系列不同焦点位置的图像,通过微型计算机(上的多帧图像融合算法,获得目标物表面不同部位都清晰的图像。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:本专利技术采用快照式光谱相机作为成像部件,可一次成像获得全工作波段数据的光谱图像,避免了机械结构分光限制,无需依靠推扫平台,可实现高动态高速采集光谱视像,适合水下扰动环境;本专利技术采用高放大倍率的光学变焦镜头或长工作距离物镜与液态透镜相结合的方式,实现较长工作距离的微米级显微成像,避免常规近距离显微成像方式对自然环境下目标物活动的影响,并且具有毫米级的工作距离可调范围,实现三维目标物不同距离层次的清晰对焦;本专利技术采用环形LED阵列提供均匀照明,照明光场聚焦在成像区域,并且照明光场的光谱分布可调,满足显微荧光成像等特殊需求,也可避免特定波段光照对敏感目标物的影响;本专利技术体积小巧,方便布放,可以在水下原位、长期、无侵入性的采集目标物的显微光谱图像或视频,且具有人机交互接口,可在水下实时查看成像效果,并方便手动进行操作设置,满足多种实际需求。附图说明为了更清本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,包括照明模块(25)、成像单元、微控制器(19)、密封舱、微型计算机(11)、电源模块(9)、密封箱体(8)、支架、人机交互模块等;其中,所述成像单元对目标物进行显微光谱成像,它包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机(20)、延伸管(21)、液态透镜(22)、成像镜组(24),所述照明模块(25)照亮目标物;所述照明模块(25)、成像单元、微控制器(19)安装在密封舱的内部支架上,所述液态透镜(22)和照明模块(25)均与微控制器(19)相连,由微控制器(19)控制照明模块(25)的开和关;所述微型计算机(11)、电源模块(9)、人机交互模块安装在密封箱体(8)内,电源模块(9)用于给水下显微光谱成像装置提供工作电压;所述快照式光谱相机(20)、微控制器(19)、人机交互模块均与微型计算机(11)相连;所述密封舱和密封箱体安装支架上。

【技术特征摘要】
1.一种基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,包括照明模块(25)、成像单元、微控制器(19)、密封舱、微型计算机(11)、电源模块(9)、密封箱体(8)、支架、人机交互模块等;其中,所述成像单元对目标物进行显微光谱成像,它包括依次连接且布置在同一光轴上的快照式光谱相机(20)、延伸管(21)、液态透镜(22)、成像镜组(24),所述照明模块(25)照亮目标物;所述照明模块(25)、成像单元、微控制器(19)安装在密封舱的内部支架上,所述液态透镜(22)和照明模块(25)均与微控制器(19)相连,由微控制器(19)控制照明模块(25)的开和关;所述微型计算机(11)、电源模块(9)、人机交互模块安装在密封箱体(8)内,电源模块(9)用于给水下显微光谱成像装置提供工作电压;所述快照式光谱相机(20)、微控制器(19)、人机交互模块均与微型计算机(11)相连;所述密封舱和密封箱体安装支架上。2.根据权利要求1所述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,所述成像镜组(24)包括光学变焦镜头或长工作距离成像物镜,所述光学变焦镜头或长工作距离物镜的光学放大倍率大于2倍;微控制器(19)通过电压信号控制液态镜头(22)的透镜形状,响应速度为毫秒级,改变成像单元等效焦距,在大于5cm的显微成像工作距离下实现对焦,并具有毫米级可调工作距离范围。3.根据权利要求1所述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,所述快照式光谱相机(20)一次成像即可获得全部目标波段的光谱图像,可用于采集画幅式光谱图像或光谱视频。4.根据权利要求1所述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,所述照明模块(25)包括环形支架和LED组合阵列;所述环形支架与成像镜组(24)同轴;所述LED组合阵列包括多个LED阵列单元,每个LED阵列单元包括各个与感兴趣波段对应的窄光谱LED组合;所述LED阵列单元均与聚光罩结合,所述LED阵列单元按圆周均匀安装在环形支架内;微控制器通过打开或关闭LED阵列单元内某一种工作波段的窄光谱LED来改变照明光谱。5.根据权利要求1所述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,所述密封舱的前端盖(18)设置有光学玻璃窗口,所述成像镜组(24)前端面贴近光学玻璃;所述密封舱的后端盖(16)上安装水密接插件,作为实时连接成像端接口(15)。6.根据权利要求5所述的基于快照式光谱相机的水下显微光谱成像装置,其特征在于,所述密封箱体(8)侧面安装3个水密接插件,分别作为实时连接操控端接口(12)、外接电源接口(13)、数据输出接口(14);所述实时连接操控端接口(12)与实时连...

【专利技术属性】
技术研发人员:宋宏吴超鹏吴超钒万启新王文鑫杨萍方美芬
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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