CN207976219U - 高光谱影像检测装置与检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种高光谱影像检测装置与检测设备。高光谱影像检测装置包含远心光学模块、一狭缝元件、一准直色散元件及一感光元件。远心光学模块包含扫描镜，狭缝元件邻近远心光学模块的出光侧，以使通过远心光学模块的二维光的一部分穿越狭缝元件而形成一维线形光。准直色散元件将一维线形光色散为色散光束。感光元件感光色散光束而取得对应一维线形光的光谱信息。藉此，通过连续改变扫描镜反射角度，可将一连串的一维光光谱信息组成二维场景光场的高光谱影像。

Description

高光谱影像检测装置与检测设备

技术领域

本实用新型是有关于一种光谱影像检测装置，特别是关于一种内部场景扫描的高光谱影像检测技术与检测设备。

背景技术

目前的高光谱仪的检测技术可大致区分成三种类型，其一是单点成像类型，一次只能探测目标物上单一点的光谱信息，需经单点两维扫描才能呈现光谱与目标物空间位置的对应关系。其二是线形扫描类型，利用狭缝来筛选目标物上欲探测的区域，以取得线形区的光谱信息，再经一维扫描呈现目标物的高光谱影像。其三是快照式光谱仪，以可调式滤波片作为主要的光谱分离手段，利用快速变动滤波片穿透光波长的方式取得目标物于不同波段下的影像，但如此分光方式只能以波段作为区别。并无法得到精细的连续光谱信息。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提出一种高光谱影像检测技术与设备，能快速地取得待测物高空间分辨率的二维精细连续光谱信息。

本实用新型针对上述技术问题提供一种高光谱影像检测装置，其中，包含：

一远心光学模块，包含一入光侧、一出光侧及一扫描镜，该入光侧接收一观测视野的一二维光，该扫描镜位于该入光侧与该出光侧之间，以将该二维光导向该出光侧而输出；

一狭缝元件，邻近该远心光学模块的该出光侧，以使通过该远心光学模块的该二维光的一部分穿越该狭缝元件而形成一一维光，且通过该扫描镜改变其反射角度，使得该一维光对应于该二维光的位置随之改变；

一准直色散元件，接收该一维光，且将该一维光准直色散为一色散光束；及

一感光元件，感光该色散光束而取得对应该一维光的一光谱信息。

上述的高光谱影像检测装置，其中，更包含一场景扫描准直镜，位于该远心光学模块中，并介于该扫描镜与该出光侧之间，使该二维光能垂直聚焦于该狭缝元件。

上述的高光谱影像检测装置，其中，该场景扫描准直镜为远心f-θ透镜。

上述的高光谱影像检测装置，其中，该远心光学模块还包含二消色差镜，分别位于该入光侧及该出光侧。

上述的高光谱影像检测装置，其中，位于该入光侧的该消色差镜的焦距较位于该出光侧的该消色差镜的焦距长。

上述的高光谱影像检测装置，其中，该扫描镜位于该二消色差镜的共轭焦平面上。

上述的高光谱影像检测装置，其中，更包含一消色差镜，设置于该准直色散元件与该感光元件之间，使该色散光束聚焦成像位于同一平面。

上述的高光谱影像检测装置，其中，该准直色散元件包含一穿透式绕射光栅。

上述的高光谱影像检测装置，其中，该扫描镜改变其反射角度，以使该二维光的每一个该一维光能逐次穿越该狭缝元件，其中该扫描镜的旋转轴心平行于该一维光的轴向。

本实用新型还提供一种检测设备包含上述中任一项所述的高光谱影像检测装置、处理单元及输出单元。处理单元耦接感光元件，以取得光谱信息，并根据光谱信息分析结果于输出单元输出一判断结果。

本实用新型针对于现有技术其功效在于，根据上述实施例的高光谱影像检测装置与设备，除能迅速取得二维场景的光谱信息之外，还具有组件简单、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的高光谱影像检测装置的示意图。

图2为本实用新型一实施例的前成像***的作动示意图。

图3为本实用新型一实施例的检测设备的示意图。

其中，附图标记

高光谱影像装置100

远心光学模块110

消色差镜111、112

扫描镜120

场景扫描准直镜130

狭缝元件140

准直色散元件150

色散元件151

准直镜152

消色差镜170

感光元件160

前成像***180

后成像***190

检测设备200

处理单元210

输出单元220

观测视野900

一维光L1

二维光L2

色散光束L3

方向X

方向Y

方向Z

具体实施方式

参见图1，为本实用新型一实施例的高光谱影像检测装置100的示意图。高光谱影像检测装置100包括具内部场景扫描功能的远心光学模块110、扫描镜120、场景扫描准直镜130、狭缝元件140、准直色散元件150及二维的感光元件160。高光谱影像检测装置100由狭缝元件140划分为前成像***180与后成像***190，分述如下。

前成像***180的功能是将待观测对象进行二维成像，主要包含远心光学模块110、扫描镜120及场景扫描准直镜130。远心光学模块110由二消色差镜111、112所构成，远心光学模块110具备一入光侧及一出光侧；消色差镜111位于入光侧，消色差镜112位于出光侧且邻近狭缝元件140。消色差镜111接收一观测视野900的光(于后称“二维光L2”)。观测视野900为高光谱影像装置100能观察到的视野范围。二维光L2可包含观测视野900内的物体本身发出的光，也可以包含该物体所反射的光。前成像***180将在一定景深范围内的待观测对象以固定的图像缩放倍率清晰成像于狭缝元件140的表面。扫描镜120一方面作为抑制远心光学模块110离轴光的光圈，另一方面将二维光L2导向至出光侧。场景扫描准直镜130位于扫描镜120与消色差镜112之间，用于校正因扫描镜120所造成的图像形变，亦使二维光L2经过扫描镜120反射之后，在不同反射角均能垂直聚焦成像于狭缝元件140表面。垂直聚焦的二维光L2穿越狭缝元件140形成一维光L1(或称线形光)。

在一实施例中狭缝元件140为单一狭缝，狭缝高度为10毫米(mm)，宽度0.1毫米。如图1所示的互为垂直的方向X、Y、Z，所述高度为方向Y的长度，所述宽度为方向Z的长度。

于一实施例中，场景扫描准直镜130为一远心f-θ透镜，具正负19.2度的扫描角度功能，但本实用新型实施例并不限制于此扫描角度。

于一实施例中，扫描镜120为边长10毫米的平面反射镜，位于二消色差镜111、112的共轭焦平面上，以起到孔径栏的作用，且具正负10度转动范围，但本实用新型实施例并不限制于此转动范围。配合场景扫描准直镜130能提供90毫米x90毫米场景扫描能力。

在一实施例中，位于入光侧的消色差镜111的焦距较位于出光侧的消色差镜112的焦距长，以提供适当的工作距离容纳扫描镜120和场景扫描准直镜130。

于一实施例中，消色差镜111选用球面透镜焦距200毫米，提供180毫米的工作距离。消色差镜112选用非球面透镜焦距50毫米，以缩小前成像***的体积，但本实用新型实施例并不限制于此焦距组合。

在一实施例中，为了缩小后成像***的体积，远心光学模块110的放大率为0.1。

参照图2，为本实用新型一实施例的前成像***180的作动示意图。当扫描镜120转动时，将改变二维光L2的反射角度，使得投射至狭缝元件140上的位置不同。因此，通过扫描镜120改变其反射角度，可使得一维光L1对应于二维光L2的位置随之改变。例如，原本一维光L1是对应于二维光L2的中心轴位置，当扫描镜120朝上偏转，将使得反射角变大，进而使得二维光L2投射至狭缝元件140上的位置朝上位移，此时，一维光L1对应于二维光L2偏向下方的位置。反之，当扫描镜120朝下偏转，将使得反射角变小，进而使得二维光L2投射至狭缝元件140上的位置朝下位移，一维光L1对应于二维光L2偏向上方的位置。

复参照图1，后成像***190可将一维光L1色散分离成不同波长，以撷取其光谱信息。后成像***190包含准直色散元件150、消色差镜170和感光元件160。准直色散元件150接收一维光L1，且将一维光L1准直并色散为一色散光束L3。消色差镜170设置于色散元件150与感光元件160之间，可将色散光束L3的聚焦成像至同一平面，而落在感光元件160上。感光元件160感光色散光束L3而取得对应一维光L1的一光谱信息。在此，感光元件160可以为感光耦合元件(CCD)、互补式金属氧化物半导体(CMOS)等影像传感器。

如图1所示，准直色散元件150由一色散元件151及准直镜152构成。在一实施例中，色散元件151为穿透式绕射光栅，准直镜152为非球面透镜，两者相贴合所构成。非球面透镜的焦距可为25毫米，光栅的光栅密度可为600刻槽/毫米(grooves/mm)，一级绕射角23度，涵盖光谱波段为400纳米(nm)～1000纳米。

在一实施例中，配合光路设计，色散元件151可改为采用反射式绕射光栅。

在一实施例中，消色差镜170可为焦距为30毫米，数值孔径为50毫米，色散值为0.16的复合玻璃材质非球面消色差透镜，可将波长为400纳米(nm)～1000纳米的光聚焦成像于感光元件160表面。

通过上述的方式，扫描镜120以平行于一维光L1的轴向(即方向Y)为旋转轴心旋转而改变其反射角度，以使二维光L2的每一个一维光L1能逐次穿越狭缝元件140，藉此能够取得整个二维光L2的光谱信息。

参照图3，为本实用新型一实施例的检测设备200的示意图。检测设备200包含前述的高光谱影像装置100之外，还包含处理单元210及输出单元220。处理单元210耦接感光元件160，以取得光谱信息，并根据光谱信息于输出单元220输出一判断结果。在此，处理单元210可为微处理器、嵌入式控制器等具有运算能力的运算单元，可通过软件或可程序化逻辑来处理光谱数据并产生该判断结果。所述判断可依据应用的需要适应性的调整，例如，于判断食材的新鲜度的应用中，根据光谱资料可设定与食材新鲜度有关的特定波长光的强度门坎值，以判断食材为新鲜或不新鲜。输出单元220可为屏幕、灯、扬声器等能够输出如视觉、听觉等感官信息的装置。

在一些实施例中，若观测视野900的范围较小，或者欲观察的物体占观测视野900的范围较小，高光谱影像装置100亦可不具有场景扫描准直镜130与消色差镜170，使得光谱信息有些微可容忍程度的像差，同样能达到符合需求的判断结果。

在一实施例中，扫描镜120的转动是由处理单元210来控制。

根据上述实施例的高光谱影像装置100与检测设备200，除能一次性的取得二维光L2的光谱信息之外，还具有组件简单、体积小、成本低等优点。

虽然本实用新型已以上述实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，在本实用新型所属技术领域中的相关技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高光谱影像检测装置，其特征在于，包含：

一远心光学模块，包含一入光侧、一出光侧及一扫描镜，该入光侧接收一观测视野的一二维光，该扫描镜位于该入光侧与该出光侧之间，以将该二维光导向该出光侧而输出；

一狭缝元件，邻近该远心光学模块的该出光侧，以使通过该远心光学模块的该二维光的一部分穿越该狭缝元件而形成一一维光，且通过该扫描镜改变其反射角度，使得该一维光对应于该二维光的位置随之改变；

一准直色散元件，接收该一维光，且将该一维光准直色散为一色散光束；及

一感光元件，感光该色散光束而取得对应该一维光的一光谱信息。

2.如权利要求1所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，更包含一场景扫描准直镜，位于该远心光学模块中，并介于该扫描镜与该出光侧之间，使该二维光能垂直聚焦于该狭缝元件。

3.如权利要求2所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，该场景扫描准直镜为远心f-θ透镜。

4.如权利要求1所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，该远心光学模块还包含二消色差镜，分别位于该入光侧及该出光侧。

5.如权利要求4所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，位于该入光侧的该消色差镜的焦距较位于该出光侧的该消色差镜的焦距长。

6.如权利要求5所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，该扫描镜位于该二消色差镜的共轭焦平面上。

7.如权利要求1所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，更包含一消色差镜，设置于该准直色散元件与该感光元件之间，使该色散光束聚焦成像位于同一平面。

8.如权利要求1所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，该准直色散元件包含一穿透式绕射光栅。

9.如权利要求1所述的高光谱影像检测装置，其特征在于，该扫描镜改变其反射角度，以使该二维光的每一个该一维光能逐次穿越该狭缝元件，其中该扫描镜的旋转轴心平行于该一维光的轴向。

10.一种检测设备，其特征在于，包含如权利要求1至9中任一项所述的高光谱影像检测装置、一处理单元及一输出单元，该处理单元耦接该感光元件，以取得该光谱信息，并根据该光谱信息于该输出单元输出一判断结果。