液晶傅立葉變換成像光譜儀的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]高光譜成像(HSI)收集且處理來(lái)自跨越電磁波譜的紫外線(xiàn)(UV)、可見(jiàn)和紅外部分的信息。高光譜成像相機(jī)獲得高光譜圖像數(shù)據(jù)或HSI數(shù)據(jù)，其由場(chǎng)景中的每個(gè)點(diǎn)處的光譜信息組成。HSI頻繁地用以增加場(chǎng)景的圖像中的信息的深度，或增加圖像的視覺(jué)對(duì)比度，可以常規(guī)單色或彩色相機(jī)記錄超出所述視覺(jué)對(duì)比度的情況。此增強(qiáng)對(duì)比度可用以檢測(cè)被視覺(jué)噪聲遮擋的難以找到或經(jīng)偽裝的對(duì)象；其還可輔助材料識(shí)別。其可用以評(píng)估關(guān)于主體的狀態(tài)的詳細(xì)信息，例如一件水果的成熟度。HSI的眾所周知的應(yīng)用充滿(mǎn)各種不同領(lǐng)域，例如工業(yè)和農(nóng)業(yè)分揀、用于農(nóng)業(yè)和國(guó)防的遠(yuǎn)程感測(cè)、威脅識(shí)別和甚至醫(yī)藥。
[0002]智能電話(huà)技術(shù)的出現(xiàn)已提供有力的移動(dòng)平臺(tái)，全世界人口的很大一部分大多數(shù)時(shí)間自身攜帶所述移動(dòng)平臺(tái)。智能電話(huà)上存在的傳感器的數(shù)目和類(lèi)型存在增加的趨勢(shì)，且這些電話(huà)的計(jì)算能力對(duì)應(yīng)地增加。智能電話(huà)已經(jīng)包含多個(gè)圖像傳感器，但它們當(dāng)前不被視為HSI相機(jī)的候選者，原因是現(xiàn)有HSI技術(shù)的過(guò)高的大小和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]實(shí)施例是一種高光譜成像系統(tǒng)，其包含:處理器，其用以接收高光譜成像參數(shù)且將所述成像參數(shù)轉(zhuǎn)換為將在一系列阻滯時(shí)間處在一系列阻滯下獲取的一系列圖像；高光譜成像組件，其具有:至少一個(gè)輸入偏振器，其中所述輸入偏振器接收且偏振傳入的光束；液晶可變阻滯器，其鄰近于所述輸入偏振器與所述傳入光束相對(duì)而布置以接收來(lái)自所述輸入偏振器的所述經(jīng)偏振光束且改變所述光的偏振以產(chǎn)生波長(zhǎng)相依偏振光；輸出偏振器，其經(jīng)布置以接收所述波長(zhǎng)相依偏振光且將所述光的偏振狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為可作為光強(qiáng)度而檢測(cè)的形式；電壓源，其電連接到所述液晶可變阻滯器；以及阻滯控制器，所述控制器用以在一系列阻滯時(shí)間處接收所述系列的阻滯且在一系列電壓時(shí)間處產(chǎn)生一系列電壓以施加于所述液晶可變阻滯器；以及焦平面陣列，其與所述阻滯控制器同步以隨所述液晶可變阻滯器的阻滯而變接收呈可作為光強(qiáng)度檢測(cè)的形式的所述光且將所述光轉(zhuǎn)換為作為一系列圖像的輸出信號(hào)，其中所述處理器執(zhí)行所述系列的圖像到高光譜圖像數(shù)據(jù)的變換。
[0004]另一實(shí)施例是一種產(chǎn)生高光譜圖像數(shù)據(jù)的方法，其包含:在處理器處接收高光譜成像參數(shù)的集合；以所述處理器在對(duì)應(yīng)于所述高光譜成像參數(shù)的一系列阻滯時(shí)間處產(chǎn)生一系列阻滯；將在所述系列的阻滯時(shí)間處的所述系列的阻滯發(fā)送到阻滯控制器；以所述阻滯控制器在一系列電壓時(shí)間處產(chǎn)生一系列電壓以施加于液晶可變阻滯器；將在所述系列的電壓時(shí)間處的所述系列的電壓施加到液晶可變阻滯器；以焦平面陣列通過(guò)所述液晶可變阻滯器俘獲一系列圖像；以及使用所述處理器以從所述系列的圖像產(chǎn)生高光譜圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1展示含有高光譜成像相機(jī)的裝置的第一視圖。
[0006]圖2展示含有高光譜成像相機(jī)的裝置的第二視圖。
[0007]圖3展示包含高光譜成像相機(jī)的裝置的示意圖。
[0008]圖4展示高光譜成像系統(tǒng)光學(xué)路徑的射線(xiàn)圖。
[0009]圖5展示平衡相位延遲對(duì)液晶電壓的曲線(xiàn)圖。
[0010]圖6展示檢測(cè)強(qiáng)度對(duì)路徑延遲的曲線(xiàn)圖。
[0011]圖7展示在每一圖像像素處的檢測(cè)強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng)的曲線(xiàn)圖。
[0012]圖8展示由多個(gè)堆疊液晶單元組成的液晶可變阻滯器的實(shí)施例。
[0013]圖9展示液晶可變阻滯器的一個(gè)實(shí)施例的電極面板的俯視圖，其在單個(gè)液晶層的每一側(cè)上具有一對(duì)電極。
[0014]圖1OA和1B展示標(biāo)準(zhǔn)反平行對(duì)準(zhǔn)液晶單元與光學(xué)補(bǔ)償彎曲型單元的實(shí)施例之間的比較。
[0015]圖11展示光學(xué)補(bǔ)償彎曲型單元的射線(xiàn)圖。
[0016]圖12展示操作高光譜成像系統(tǒng)的方法的實(shí)施例的流程圖。
[0017]圖13展示校準(zhǔn)高光譜成像系統(tǒng)的方法的實(shí)施例的流程圖。
[0018]圖14展示校準(zhǔn)高光譜成像系統(tǒng)的方法的替代實(shí)施例的流程圖。
[0019]圖15展示阻滯的閉環(huán)控制的流程圖。
[0020]圖16展示具有液晶可變阻滯器的高光譜成像系統(tǒng)的一部分的實(shí)施例，在所述成像系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)具有間隔件。
[0021]圖17展示具有間隔件的液晶可變阻滯器的實(shí)施例，其中所述間隔件處于焦平面陣列的像素之間。
[0022]圖18展示具有彎曲液晶可變阻滯器的成像系統(tǒng)的一部分的實(shí)施例。
[0023]圖19展示使用偏振光束分光器以在校準(zhǔn)光源中耦合的高光譜成像相機(jī)的實(shí)施例。
[0024]圖20展示跨越全視場(chǎng)以校準(zhǔn)光源執(zhí)行成像序列的方法的實(shí)施例的流程圖。
[0025]圖21展示二分量電場(chǎng)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]高光譜成像具有許多有前景的使用情況，例如用于分揀、遠(yuǎn)程感測(cè)和醫(yī)療應(yīng)用。此技術(shù)的成本、大小和可用性已經(jīng)限制了應(yīng)用。如果可將高光譜成像相機(jī)包含到許多常見(jiàn)系統(tǒng)中，那么高光譜成像(HSI)可變得分布更為廣泛。舉例來(lái)說(shuō)，智能電話(huà)是用于HSI相機(jī)的容易可用的技術(shù)平臺(tái)。在智能電話(huà)上的包含可擴(kuò)大通過(guò)HSI可能實(shí)現(xiàn)的能力的范圍，因?yàn)橹悄茈娫?huà)是大多數(shù)人攜帶的通用平臺(tái)，其中開(kāi)發(fā)新應(yīng)用的容易的。
[0027]當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)HSI相機(jī)可能通過(guò)跨越場(chǎng)景掃描縫隙且分散經(jīng)由光柵透射穿過(guò)所述縫隙的光而工作?；蛘?，其可能通過(guò)將液晶可調(diào)諧濾波器放置在焦平面陣列的前方而工作，所述焦平面陣列允許在一個(gè)波長(zhǎng)帶處的瞬時(shí)成像。如此論述中所使用，術(shù)語(yǔ)焦平面陣列或FPA是布置成陣列的一個(gè)或多個(gè)光感測(cè)元件，其中陣列可為一個(gè)光感測(cè)元件的陣列。FPA的實(shí)例包含電荷耦合裝置(CCD)、CMOS圖像傳感器等。從場(chǎng)景發(fā)射的光落在FPA上且產(chǎn)生信號(hào)，所述信號(hào)經(jīng)處理以產(chǎn)生場(chǎng)景的圖像。較低成本高光譜成像相機(jī)可能在焦平面陣列自身上平鋪有光學(xué)帶通濾波器，類(lèi)似于現(xiàn)有的紅-綠-藍(lán)相機(jī)但具有更離散的光學(xué)帶，其折中了空間分辨率以得到更大的頻譜分辨率。雖然液晶可調(diào)諧濾波器和光學(xué)帶通濾波器允許立即獲得給定波長(zhǎng)帶中的圖像，但它們是以丟棄所有帶外波長(zhǎng)為代價(jià)實(shí)現(xiàn)此目的。
[0028]通常希望在某一范圍的波長(zhǎng)上對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行成像。因此一次性從所有波長(zhǎng)記錄光是合意的，而不是一次僅僅從一個(gè)頻帶記錄。這可使用高光譜成像的光學(xué)多路復(fù)用形式實(shí)現(xiàn)，例如傅立葉變換高光譜成像，其將波長(zhǎng)信息編碼為由檢測(cè)器記錄的時(shí)間信號(hào)。例如在當(dāng)前實(shí)施例中例示的那些任何光學(xué)多路復(fù)用技術(shù)具有光學(xué)通過(guò)量的增益，其為被稱(chēng)為費(fèi)爾格(Fellgett)優(yōu)點(diǎn)的特征。
[0029]使用光柵和二維焦平面陣列的系統(tǒng)，也被稱(chēng)作分散性系統(tǒng)，可記錄來(lái)自給定譜帶內(nèi)的所有波長(zhǎng)且同時(shí)沿著一個(gè)空間軸線(xiàn)的光。沿著另一空間軸線(xiàn)的空間信息是通過(guò)以推掃式方式在待成像對(duì)象上方掃描縫隙而建立?？臻g信息在所述縫隙的長(zhǎng)方向中瞬時(shí)獲得且短方向在波長(zhǎng)中以光柵或棱鏡分散因此FPA可一次性記錄所有波長(zhǎng)。在跨越對(duì)象及時(shí)掃描縫隙時(shí)，收集所述縫隙的短方向中的空間信息。分散性系統(tǒng)常常成本、大小或復(fù)雜性較高。此處的實(shí)施例并不存在這些代價(jià)，因?yàn)樗鼈儍H在FPA之前的光學(xué)路徑中增加可控液晶可變阻滯器。另外，分散性系統(tǒng)中的縫隙的使用對(duì)通過(guò)縫隙的光限制了在任何給定時(shí)間的總體光學(xué)通過(guò)量。通過(guò)縫隙的前述使用，傅立葉變換高光譜成像系統(tǒng)和其它多路復(fù)用系統(tǒng)獲得被稱(chēng)為扎克諾(Jacquinot)優(yōu)點(diǎn)的通過(guò)量?jī)?yōu)點(diǎn)。
[0030]執(zhí)行傅立葉變換高光譜成像的常規(guī)方式是使用成像邁克爾遜干涉儀，其是將成像路徑分裂為兩個(gè)臂且改變所述臂中的一者的長(zhǎng)度同時(shí)記錄FPA上的重組光的裝置。此種類(lèi)的HSI獲得費(fèi)爾格和扎克諾優(yōu)點(diǎn)兩者，但其體積大、昂貴且對(duì)振動(dòng)和未對(duì)準(zhǔn)敏感。當(dāng)前實(shí)施例不存在這些缺點(diǎn)。
[0031]此處的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)新一類(lèi)的HSI相機(jī)，其具有極其小且低成本的可能，且能夠在當(dāng)前使用相機(jī)的任何地方集成，包含在智能電話(huà)上。實(shí)施例在例如智能電話(huà)的通用主機(jī)平臺(tái)中具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槔绮ㄩL(zhǎng)分辨率、成像速度和空間分辨率等性能參數(shù)可以軟件選擇且不被硬件配置固定。此處的實(shí)施例中描述的HSI組件可與主機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)有相機(jī)組件(例如FPA、光學(xué)器件和處理器)結(jié)合以組合形成HSI相機(jī)。主機(jī)系統(tǒng)的HSI組件和相機(jī)組件可以同一相機(jī)按鈕觸發(fā)，且HSI組件可以軟件配置以允許主機(jī)系統(tǒng)的相機(jī)組件拍攝正常非高光譜圖像。實(shí)施例通過(guò)將大部分系統(tǒng)復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到電子/軟件側(cè)而利用計(jì)算能力的增加流行性，因此保持整個(gè)系統(tǒng)成本低。
[0032]另外，具有無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)通信能力的智能電話(huà)或其它便攜式裝置的使用允許裝置傳送原始HSI數(shù)據(jù)。替代地，裝置將發(fā)射適用于例如醫(yī)療設(shè)備等較大裝置或作為診斷例程的部分的經(jīng)分析或經(jīng)處理HSI數(shù)據(jù)。
[0033]基于便攜式裝置的HSI相機(jī)實(shí)現(xiàn)HSI在消費(fèi)者層級(jí)的當(dāng)前應(yīng)用。更重要的是，隨著HSI變得廣泛部署于移動(dòng)平臺(tái)上且隨著移動(dòng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者學(xué)習(xí)采用HSI的能力，它們無(wú)疑將展現(xiàn)對(duì)HSI的新穎且令人感興趣的用途。
[0034]以下論述使用具有以下定義的若干術(shù)語(yǔ)。“液晶可變阻滯器”指代至少一個(gè)液晶(LC)單元，包括夾在兩個(gè)透明的、通常玻璃襯底之間的液晶材料。通常由例如氧化銦錫或ITO等透明導(dǎo)體制成的沉積在玻璃襯底上的透明的電極層提供液晶單元內(nèi)的電場(chǎng)的產(chǎn)生，所述電場(chǎng)用以改變液晶分子的定向且因此改變液晶可變阻滯器的光學(xué)阻滯。在單元內(nèi)部可提供額外層，例如沉積在電極層上的聚酰亞胺對(duì)準(zhǔn)層，其在優(yōu)選對(duì)準(zhǔn)方向中摩擦以定向液晶分子。替代于包括液晶可變阻滯器的單個(gè)LC單元，可存在若干單元。
[0035]“高光譜成像組件”或“HSI組件”指代具有輸入偏振器或偏振裝置、液晶可變阻滯器、輸出偏振器或分析器、阻滯控制器和電壓源的組件。輸入偏振器在LC可變阻滯器與光源之間。輸出偏振器駐留在LC可變阻滯器的與第一偏振器相對(duì)的側(cè)面上。阻滯控制器控制施加于LC可變阻滯器的電壓以實(shí)現(xiàn)穿過(guò)LC阻滯器的光的所要阻滯。
[0036]“高光譜成像系統(tǒng)”或“HSI系統(tǒng)”指代HSI組件、如上定義的焦平面陣列和處理器的組合。處理器可駐留在單獨(dú)裝置中，意味著含有包含處理器和FPA的系統(tǒng)的所有元件且獨(dú)立于主機(jī)起作用的裝置。替代地，處理器和/或FPA可為主機(jī)系統(tǒng)的組件，具有所有相關(guān)聯(lián)組合?！爸鳈C(jī)系統(tǒng)”或“主機(jī)”是將HSI參數(shù)發(fā)送到HSI相機(jī)或HSI系統(tǒng)且接收返回的HSI數(shù)據(jù)的任選的裝置?！癏SI相機(jī)”是具有記錄圖像的必要光學(xué)器件的HSI系統(tǒng)。
[0037]圖1和2中展示作為具有HSI組件(LC可變阻滯器、阻滯控制器和電壓源)的主機(jī)系統(tǒng)的裝置的實(shí)例。在圖1中，智能電話(huà)裝置10展示為主機(jī)裝置。必須注意，雖然展示且可論述此特定裝置，但不既定或不應(yīng)暗示限于此類(lèi)型的裝置?？刹捎肏SI組件的其它類(lèi)型的裝置包含潛望鏡、光學(xué)熒光檢測(cè)系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、內(nèi)窺鏡、光纖束成像系統(tǒng)、光場(chǎng)成像系統(tǒng)以及靜態(tài)相機(jī)、線(xiàn)條相機(jī)和視頻相機(jī)。在圖1中，HSI組件將在光圈12的路徑中，且可以光14照射成像場(chǎng)景。
[0038]圖2展示智能電話(huà)10的顯示側(cè)。所