本發(fā)明涉及高光譜成像，具體為為平面樣品優(yōu)化的高光譜成像檢測裝置及其光路折疊方法。

背景技術(shù)：

1、高光譜成像技術(shù)可以同時(shí)獲取待測物體光學(xué)和光譜信息，即可以感知光強(qiáng)空間差異形成相片，也可以獲取每個(gè)像素點(diǎn)的光譜；高光譜成像技術(shù)是一種重要的檢測手段，其光學(xué)信息可用于物體識(shí)別、鑒定等，而光譜信息則用于鑒定化學(xué)成分，判斷物質(zhì)異同等；因此，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)遙感、物證鑒定、工業(yè)檢測等很多領(lǐng)域。

2、高光譜相機(jī)是實(shí)現(xiàn)高光譜成像的裝置，其中空間掃描式(簡稱線掃式)高光譜相機(jī)是最為成熟的技術(shù)路線；線掃式通過鏡頭、狹縫、光柵等的光學(xué)調(diào)制，可以一次性獲取一條線上的空間信息和完整光譜信息；再通過在與固定軸垂直的方向上移動(dòng)相機(jī)或樣品的位置，拍攝不同位置的線的光譜圖像，即可拼組成完整的高光譜成像數(shù)據(jù)。

3、為實(shí)現(xiàn)完整的高光譜成像功能，高光譜相機(jī)通常與光源、位移臺(tái)、暗箱、控制器等組件共同組成高光譜檢測裝置；相機(jī)與光源位于暗箱頂部，樣品則位于底部的位移臺(tái)；光源發(fā)出連續(xù)波長的光，在樣品表面反射后被相機(jī)接收，形成高光譜圖像。

4、平面樣品是指樣品的待檢測區(qū)域可以近似看成二維平面的樣品，例如紙張文件、產(chǎn)品包裝、顯示屏、甚至葉片、木料板材等；平面樣品在高光譜成像檢測需求中占據(jù)了相當(dāng)主要的比重，應(yīng)用場景包括但不限于法庭科學(xué)中的文件檢測盒鑒定，產(chǎn)品包裝的色差、色一致性鑒定，顯示屏的明度、飽和度和色相校正，木料的水含量、纖維品質(zhì)等的檢測等。

5、當(dāng)前高光譜檢測裝置受制于功能和性能，難以滿足全部對(duì)平面樣品的高光譜拍攝需求。

6、首先，表面拋光的塑料、鐳射彩紙、激光防偽標(biāo)簽等常見平面樣品，其表面具有奇異反射特性；即光在這類樣品表面的反射過程不能近似為各向同性的漫反射，而是反射光的方向、強(qiáng)度都存在較明顯差異；由于高光譜檢測裝置的光源皆近似垂直的方向打在樣品上，因此會(huì)受到鏡面反射等影響。

7、另一方面，受制于高光譜相機(jī)的小視場角，現(xiàn)存裝置存在一系列問題：設(shè)備尺寸、體積龐大，不利于運(yùn)輸；光源遠(yuǎn)離樣品，也必須增加功率，導(dǎo)致能耗和散熱問題；設(shè)備必須用更精密的滑臺(tái)和防震才能拍攝足夠質(zhì)量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致價(jià)格昂貴。

8、及此，本發(fā)明提出為平面樣品優(yōu)化的高光譜成像檢測裝置及其光路折疊方法，在不影響高光譜檢測基本功能的前提下，通過對(duì)光源位置、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及光路的折疊，使設(shè)備的體積、重量、能耗和造價(jià)都大幅下降，同時(shí)使針對(duì)平面樣品的數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提升，并可以應(yīng)對(duì)奇異反射特性的樣品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供為平面樣品優(yōu)化的高光譜成像檢測裝置及其光路折疊方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：為平面樣品優(yōu)化的高光譜成像檢測裝置，包括防護(hù)殼、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和掃描盒，所述防護(hù)殼包括底殼和頂板，所述掃描盒通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)水平滑動(dòng)于底殼內(nèi)，所述掃描盒包括底盒和盒蓋，所述底盒內(nèi)分別安裝有反射鏡組和高光譜相機(jī)，所述高光譜相機(jī)工作端延伸至底盒內(nèi)；

3、其中，所述盒蓋上開設(shè)有狹縫，所述盒蓋上且位于狹縫一側(cè)或兩側(cè)安裝有光源結(jié)構(gòu)，狹縫開設(shè)寬度為2mm-20mm；

4、其中，所述反射鏡組由一序列特定位置和方向的反射鏡構(gòu)成，從而使來自樣品且通過狹縫的光在順次經(jīng)過反射鏡的反射后，進(jìn)入高光譜相機(jī)的入瞳位置；

5、其中，各反射鏡為平面鏡或有曲率的反射鏡，同時(shí)在掃描盒設(shè)計(jì)的工作波長范圍內(nèi)具有足夠的反射率，且各反射鏡材料采用玻璃鍍銀反射鏡、金屬制反射鏡或是經(jīng)過設(shè)計(jì)的全反射棱鏡。

6、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：反射鏡組的目的是將入射光線在掃描盒內(nèi)部進(jìn)行多次反射，以達(dá)到將光路折疊至掃描盒內(nèi)部的目的，并最終將光學(xué)信號(hào)送入高光譜相機(jī)；

7、其中，反射鏡組由多個(gè)反射鏡，按符合幾何光學(xué)特性的方式，以特定角度和順序進(jìn)行安裝，從而引導(dǎo)從狹縫的入射光按順序反射后進(jìn)入后續(xù)光學(xué)結(jié)構(gòu)。

8、本實(shí)施例中，具體的：反射鏡組內(nèi)折疊的等效光路長度，以及各反射鏡面的長度和寬度，應(yīng)當(dāng)由分光裝置的視場角、工作距離決定，而反射鏡的位置、角度和反射次數(shù)，則應(yīng)與掃描盒預(yù)計(jì)的空間尺寸進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)。

9、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述反射鏡組中一個(gè)反射鏡用于接收來自樣品本體的反射，并將該部分漫反射光引導(dǎo)進(jìn)光路折疊路徑，所述反射鏡組中另一個(gè)反射鏡用于將反射后的光送入高光譜相機(jī)進(jìn)行分光；

10、其中，所述反射鏡組實(shí)現(xiàn)的光路折疊距離，等于從樣品本體表面到高光譜相機(jī)入瞳的距離等于高光譜相機(jī)的工作距離，以此實(shí)現(xiàn)清晰的成像效果，同時(shí)在出射時(shí)，光的固定軸與高光譜相機(jī)的固定軸方向平行。

11、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述反射鏡組中的各反射鏡，其長度都大于或等于入射光固定軸在鏡面反射時(shí)的折合長度，且折合長度為固定軸在鏡面處的長度乘以鏡面與光傳播方向夾角的正割乘積，計(jì)算公式為：

12、l＝l0,dsecθ?(1)

13、其公式(1)中：l為折合長度,即鏡面在固定軸方向上所允許的最小長度,l0，d為鏡面表面處的固定軸長度，即垂直于光路傳播方向時(shí)的鏡面最小長度，d為鏡面表面到高光譜相機(jī)鏡頭入瞳之間的距離，θ為鏡面與光路傳播方向之間的夾角；

14、其中，對(duì)于垂直于光路傳播方向的鏡面，其長度最小不應(yīng)小于此處的固定軸長度，而對(duì)于45°斜向的鏡面，其長度則不應(yīng)小于此處固定軸長度的根號(hào)2倍，反射鏡組中各處的固定軸長度，可以通過簡單求解相似三角形求得：

15、

16、其公式(2)中：l0為固定軸長度(樣品本體可以被拍攝的區(qū)域長度)，d0為折疊光路的長度，即高光譜相機(jī)的工作距離。

17、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述頂板內(nèi)安裝有用于放置樣本本體的樣品放置臺(tái)，所述頂板上通過銷軸鉸接有蓋板；

18、其中，所述樣品放置臺(tái)在裝置整體的工作波長范圍內(nèi)透明，無明顯吸收，所述樣品放置臺(tái)的制作材料采用玻璃、石英玻璃、藍(lán)寶石、亞克力。

19、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)和絲桿，所述絲桿一端安裝于步進(jìn)電機(jī)輸出端，且所述絲桿另一端通過軸承連接于底殼內(nèi)；

20、其中，所述絲桿外側(cè)安裝有配合使用的滾動(dòng)螺母，所述掃描盒安裝于滾動(dòng)螺母上。

21、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述底殼內(nèi)兩側(cè)對(duì)稱固定連接有兩個(gè)定位桿，兩個(gè)所述定位桿均貫穿于掃描盒內(nèi)。

22、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述底殼與頂板固定連接，所述盒底與盒蓋固定連接，所述盒底與盒蓋構(gòu)成“黑箱結(jié)構(gòu)”，所述“黑箱結(jié)構(gòu)”用于阻擋外界光和雜散光，從而確保只有樣品本體的漫反射光，且經(jīng)狹縫后進(jìn)入，避免沒有其他的光源光進(jìn)入到“黑箱結(jié)構(gòu)”中，以及用于承接安裝其上或其內(nèi)部的構(gòu)件。

23、為平面樣品優(yōu)化的高光譜成像檢測裝置的光路折疊方法，包括以下步驟：

24、s1、設(shè)置的光源結(jié)構(gòu)光源透過樣品放置臺(tái)照射到樣本本體上；

25、s2、樣本本體將所受光源透過樣品放置臺(tái)漫反射到狹縫內(nèi)；

26、s3、進(jìn)入狹縫的光源照射到反射鏡組中的一個(gè)反射鏡上；

27、s4、光路通過多個(gè)反射鏡依次反射；

28、s5、最后，通過反射鏡組中另一個(gè)反射鏡將光源反射進(jìn)高光譜相機(jī)的入瞳位置。

29、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：所述光源結(jié)構(gòu)的作用是對(duì)樣品本體進(jìn)行特定角度分布、特定光譜波長特點(diǎn)的照明，使其產(chǎn)生反射光或熒光，而反射光或熒光會(huì)根據(jù)樣品本體化學(xué)成分組成的不同，在不同波長下表現(xiàn)出不同的反射率和熒光強(qiáng)度，即反射光譜或熒光光譜；

30、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：光源結(jié)構(gòu)在樣品表面投射各點(diǎn)特性高度相似的光照，并且根據(jù)樣品需求呈現(xiàn)特定的光照空間分布特征，而為了實(shí)現(xiàn)更高效且更可控的照明，光源結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能貼近樣品本體，從而距離樣品本體表面距離為0.5cm-5cm。

31、其中，所述光源結(jié)構(gòu)包含結(jié)構(gòu)槽、燈組和物理調(diào)節(jié)裝置，所述物理調(diào)節(jié)裝置包括柔光片或?yàn)V光片，柔光主要作用是對(duì)光進(jìn)行高斯模糊，使原本不均勻的空間光照變得均勻，常見的包括柔光板、毛玻璃片和導(dǎo)光管，而濾光則是對(duì)光源的光譜特性進(jìn)行修正，濾除不需要的發(fā)射波長，以此獲得更好的光源發(fā)射光譜；

32、其中，所述燈組中光源類型為白光光源和熒光光源，其中白光光源可以覆蓋工作波長范圍的寬光譜光源，即要求光源在探測的波長范圍內(nèi)的任意波長上有足夠的光強(qiáng)密度，而白光光源采用寬光譜白光led、弧光燈或鹵鎢燈；

33、其中，熒光光源提供樣品熒光激發(fā)的光源，為一組或多組窄半峰寬的單波長紫外光源，采用紫外led或低壓汞燈。

34、作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選的：折疊光路將來自樣品本體的漫反射光，經(jīng)過多次光學(xué)反射之后，送入到高光譜相機(jī)中進(jìn)行成像，同時(shí)，在光學(xué)反射過程中對(duì)光進(jìn)行調(diào)制和折疊，從而減小設(shè)備整體的尺寸、減少雜散光和振動(dòng)的干擾，以此獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

36、1、本發(fā)明通過對(duì)光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行折疊，在降低裝置體積和重量的同時(shí)獲取高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化高光譜技術(shù)對(duì)于文件、字畫或屏幕等平面樣品的檢測效果，同時(shí)，借由本發(fā)明的運(yùn)行方法可以根據(jù)樣品的特殊反射特性進(jìn)行優(yōu)化，填補(bǔ)或補(bǔ)償現(xiàn)有高光譜成像解決方案無法有效拍攝奇異反射特性樣品的不足；

37、2、本發(fā)明可以對(duì)平面樣品進(jìn)行不同類型的高光譜檢測，并根據(jù)樣品表面反射特性而優(yōu)化照明方案，通過適當(dāng)替換設(shè)備內(nèi)部的組件，方案可以適用目前常見的高光譜設(shè)備工作波長范圍，從400nm至25μm，與此同時(shí)，通過改變光源的類型，可以實(shí)現(xiàn)包括反射光譜、熒光光譜甚至拉曼光譜在內(nèi)的高光譜成像檢測功能，進(jìn)一步通過改變光源組件的照射方式，可以實(shí)現(xiàn)頂光、側(cè)光、高斯光等多種照明；

38、3、本發(fā)明因?yàn)閷?duì)樣品至高光譜相機(jī)之間的光路進(jìn)行折疊，使設(shè)備體積和重量下降數(shù)倍，從而有效實(shí)現(xiàn)裝置整體體積與重量的大幅下降，且由于傳統(tǒng)技術(shù)方案的設(shè)備光源因?yàn)檫h(yuǎn)離樣品，通常需要數(shù)十甚至數(shù)百瓦，而本發(fā)明使用的光源因?yàn)橘N近樣品表面，因此功率需求僅為傳統(tǒng)技術(shù)的約10％，以此大大降低設(shè)備的能耗；

39、4、本發(fā)明裝置內(nèi)置的“黑箱結(jié)構(gòu)”隔絕了環(huán)境光的干擾，光源更為均勻且更明亮，緊湊的設(shè)備體積降低了拍攝中震動(dòng)的影響，因而綜合提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量；

40、5、本發(fā)明可以對(duì)奇異反射性質(zhì)的樣品進(jìn)行分析，相較于傳統(tǒng)方案的光源只能安裝在設(shè)備頂部，因此只能保證光強(qiáng)分布均勻，而無法對(duì)入射光的角度及其分布進(jìn)行調(diào)整，本技術(shù)中可以根據(jù)樣品的不同需求，調(diào)整光源的入射角度分布，因此可以對(duì)光柵紙、激光防偽標(biāo)簽等奇異反射特性的樣品進(jìn)行檢測。