TWI425203B - 高頻譜掃描裝置及其方法 - Google Patents

Description

高頻譜掃描裝置及其方法

本發明是有關於一種高頻譜裝置與測量方法，且特別是一種用於影像檢測之照相裝置與照相方法。

任何物質皆由原子分子所構成，依原子間或分子結構方式而有各種不同形式結構能量，使得各物質的光譜因其結構能量的差異而各不相同。一般而言，在物質的光譜影像中，光譜數在100以下稱為多譜段影像，而光譜數在100以上稱為高頻譜影像(hyper-spectral image)。

高頻譜儀(hyper-spectrometer)的應用範圍非常廣泛，可見光的頻譜、不可見光的頻譜、物體(動物/植物/礦物)影像光譜、近紅外光NIR光譜影像、多通道光纖光譜的照像系統、遠端感應、太空遙測、在生化醫療應用的光譜影像、顯示器色彩調校、智慧搜尋飛彈(Intelligent Missile Seeker,IMS)等應用。高頻譜儀一次可以擷取一列的光學影像，為了掃描整個目標，需要將高頻譜儀移動，或是將置於高頻譜儀前的光學系統移動，在設計上與使用上都相當地不便。而且，恣意移動高頻譜儀或光學系統，會有光程差(optical path difference)的問題，降低影像的品質。

有鑑於此，設計合適的高頻譜掃描裝置及其方法是很重要的。

本發明一方面是在提供一種高頻譜掃描裝置，無須移動目標、高頻譜儀或光學系統，即可掃描整個目標的高頻譜影像。

依照本發明一實施例，一種高頻譜掃描裝置包含光學系統、高頻譜儀以及中繼模組。光學系統係用以將一目標的光學影像聚焦於光學系統的焦點面上，其中此焦點面上所形成的此目標的光學影像包含多個列光學影像。高頻譜儀與光學系統分開設置。中繼模組係用以選擇性地傳遞這些列光學影像其中之一至高頻譜儀。藉此，在中繼模組逐一將這些列光學影像傳遞給高頻譜儀之後，高頻譜儀可分析整個目標的高頻譜影像。由於不必移動目標、高頻譜儀或光學系統，因此可改善因所述之移動而衍生之光程差的問題，進而提昇影像品質。

本發明另一方面是在提供一種高頻譜掃描方法，無須移動高頻譜儀或光學系統，即可掃描整個目標的高頻譜影像。

依照本發明另一實施例，一種高頻譜掃描方法，包含多個步驟。首先，將一目標的光學影像聚焦於焦點面上，其中此焦點面上所形成的此目標的光學影像包含多個列光學影像。接著，選擇這些列光學影像其中之一。然後，讀取被選擇的此列光學影像的光譜資訊。藉此，在逐一將這些列光學影像讀取之後，可分析整個目標的高頻譜影像。並且可改善光程差的問題，進而提昇影像品質。

以下將以各種實施例，對上述之說明以及接下來的實施方式做詳細的描述，並對本發明提供更進一步的解釋。

為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照下列之圖式及各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的光學元件與機電元件並未描述於實施例中，以避免造成本發明不必要的限制。

第1圖是依照本發明一實施例的一種高頻譜掃描裝置的示意圖。如圖所示，高頻譜掃描裝置包含光學系統110、高頻譜儀120以及中繼模組130。在構造設計上，高頻譜儀120與光學系統110分開設置，中繼模組130設置在光學系統110與高頻譜儀120之間。

在使用時，光學系統110係用以將目標140的光學影像聚焦於光學系統110中的焦點面170上，焦點面170上所形成的目標140的光學影像包含多個列光學影像，例如列光學影像171-173，其中這些列光學影像彼此平行。換言之，於焦點面170之成像可分為一連串的列影像。中繼模組130係用以選擇性地傳遞這些列光學影像其中之一至高頻譜儀120。

上述之光學系統110至少包含一個物鏡。在實際應用上，熟習此項技藝者可視目標的大小、距離目標的遠近等因素，彈性選擇光學系統110的實施方式。舉例來說，光學系統110可為顯微鏡、望遠鏡、光學鏡片組等光學元件。

值得注意的是，在第1圖中，中繼模組130可包含中繼透鏡210。如圖所示，若中繼透鏡210在位置132，則中繼透鏡210可傳遞一列光學影像172至高頻譜儀120；若中 繼透鏡210移動至位置131時，中繼透鏡210可傳遞另一列光學影像171至高頻譜儀120；若中繼透鏡210移動至位置133時，中繼透鏡210可傳遞又一列光學影像173至高頻譜儀120。藉此，在中繼模組130逐一將這些列光學影像傳遞給高頻譜儀120之後，高頻譜儀120可擷取整個目標140的影像並解析整個目標140的光譜資訊。為了使上述之中繼模組130之敘述更加詳盡與完備，請參照第2圖，第2圖是依照本發明一實施例的一種中繼模組的側視圖。如圖所示，中繼模組130包含中繼透鏡210以及微動設備，其中微動設備包含滑軌222、歨進馬達224以及計算機226。中繼透鏡210係用以將上述之焦點面上的多個列光學影像其中之一傳遞到高頻譜儀120。微動設備係用以移動中繼透鏡210。

在本實施例中，中繼透鏡210可將列光學影像從一處轉播放到另一處，而不改變列光學影像本身的大小。因此，可大幅降低光程差的問題，進而提昇光學影像的品質。

為了使上述之微動設備之敘述更加詳盡與完備，請繼續參照第2圖，如圖所示，滑軌222連結中繼透鏡210，滑軌222的長度方向與上述之列光學影像平行。計算機226係用以控制歨進馬達224。歨進馬達224係用以驅動中繼透鏡210沿著該滑軌移動。

在本實施例中，藉由歨進馬達224來掌控中繼透鏡210的移動速度以及位移量。另外，中繼透鏡210係沿著平行滑軌222的長度方向上往復移動。藉此，中繼透鏡210在平行於這些列光學影像的方向上的不同位置可傳遞焦點面 上不同的列光學影像至高頻譜儀120。

應瞭解到，以上關於微動設備之敘述僅為例示，並非用以限制本發明，熟習此項技藝者可視實際需要彈性選擇微動設備的具體實施方式，例如像是採用壓電材料、微機電系統或其他移動裝置來移動中繼透鏡210。

為了使上述之高頻譜儀120之敘述更加詳盡與完備，請參照第3圖，第3圖是依照本發明一實施例的一種高頻譜儀的示意圖。如圖所示，高頻譜儀120包含空間窗(spatial window)310、分光器320、感光器330以及處理器340，空間窗310具有狹縫315。本實施例中，空間窗310係用以讓中繼模組130所傳遞的列光學影像經由空間窗310的狹縫315通過空間窗310。分光器320係用以將通過狹縫315的列光學影像衍射成二維高頻譜影像(hyper-spectral image)。感光器330係用以將此高頻譜影像轉換成電子訊號，其中感光器330可至少包含電荷藕合元件以及互補式金氧半導體其中之一。處理器340係用以根據此電子訊號分析高頻譜影像。

如此，高頻譜儀120將列光學影像全數擷取之後，高頻譜儀120可解析整個目標140的高頻譜影像。

上述之分光器320可依照不同波長的光具有不同的折射率的特性來分光。為了使上述之分光器320之敘述更加詳盡與完備，以下將搭配第4-6圖，來具體說明分光器320的三種實施方式。

第4圖是依照本發明一實施例的一種分光器的示意圖。如圖所示，分光器320包含準直透鏡410、第一稜鏡 420、透射光柵430、第二稜鏡440以及聚焦透鏡450。準直透鏡410係用以準直狹縫315所通過的列光學影像。第一稜鏡420係用以折射準直透鏡410所準直的列光學影像。透射光柵430係用以將第一稜鏡420所折射的列光學影像衍射成高頻譜影像。第二稜鏡440係用以折射此高頻譜影像。聚焦透鏡450係用以聚焦第二稜鏡440所折射的高頻譜影像於感光器330上。

以光學的觀點而言，準直透鏡410把通過狹縫315的入射光轉為平行光，接著第一稜鏡420將平行光折射後進入透射光柵430之後產生繞射光，接著第二稜鏡440將繞射光轉為平行光，然後聚焦透鏡450將平行光匯聚到感光器330上。另外，透射光柵430是一種可讓光線透射的光柵，有著良好的極化光效率。

第5圖是依照本發明另一實施例的一種分光器的示意圖。如圖所示，分光器320包含第一凹面鏡510、反射光柵520以及第二凹面鏡530。第一凹面鏡510係用以反射並準直狹縫315所通過的列光學影像。反射光柵520係用以將第一凹面鏡510所反射的列光學影像衍射成高頻譜影像。第二凹面鏡530係用以反射此高頻譜影像於感光器330上。

以光學的觀點而言，反射光柵520係為一種平面的反射光柵。因此，需要先由透鏡或是凹面鏡(如第一凹面鏡510)來將通過狹縫315的入射光轉為平行光。在反射光柵520將平行光分解成繞射光之後，接著由透鏡組或凹面鏡(如第二凹面鏡530)來將平面的反射光柵520所分解的繞射光匯聚到感光器330上。

第6圖是依照本發明又一實施例的一種分光器的示意圖。如圖所示，分光器320包含凹光柵610。凹光柵610係用以將狹縫315所通過的列光學影像衍射成高頻譜影像並反射至感光器330上。

以光學的觀點而言，凹光柵610同時具有分光以及匯聚光的性能，因此可以有效的減少分光器320中所需的光學元件，藉此縮減高頻譜儀120的體積。

根據以上揭露的實施例，於使用本發明一實施態樣之高頻譜掃描裝置100時，無須移動目標、高頻譜儀或光學系統，即可掃描整個目標的高頻譜影像，大幅地提高使用上的便利性。另一方面，由於不必移動高頻譜儀或光學系統，因此可改善光程差的問題，進而提昇影像品質。

本發明另一實施態樣係為一種高頻譜掃描方法。此高頻譜掃描方法可適用於高頻譜掃描裝置100，除此之外，此高頻譜掃描方法還可以廣泛地應用於攝影測量術之照相裝置或相似的技術環節。以下將搭配第7-8圖，來具體說明此高頻譜掃描方法的實施方式。

第7圖是依照本發明一實施例的一種高頻譜掃描方法的流程圖。如圖所示，此高頻譜掃描方法包含下列步驟(應瞭解到，在本實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：步驟710：將目標的光學影像聚焦於焦點面上，其中此焦點面上所形成的此目標的光學影像包含多個列光學影像。

步驟720：選擇這些列光學影像其中之一。

步驟730：擷取被選擇的此列光學影像。

步驟740：判斷是否掃描完全部的列光學影像。

步驟750：完成高頻譜影像掃描。

值得注意的是，於步驟720中，可沿著平行這些列光學影像的方向來移動中繼透鏡，藉此選擇這些列光學影像其中之一。值得注意的是，中繼透鏡可將列光學影像從一處轉播放到另一處，而不改變列光學影像本身的大小，而且中繼透鏡在平行於這些列光學影像的方向上的不同位置可將此焦點面上不同的列光學影像傳遞至另一處。因此，可改善光程差的問題，進而提昇影像品質。

接著，於步驟730中，可擷取由上述之中繼透鏡所傳遞的列光學影像，並且分析列光學影像。藉此，把中繼透鏡逐一傳遞的這些列光學影像全數擷取之後，可得到整個目標的影像並可解析整個目標的光譜資訊。

為了使步驟730之敘述更加詳盡與完備，請參照第8圖是步驟730的流程圖。如圖所示，步驟730包含下列多個子步驟(應瞭解到，在本實施例中所提及的子步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)：子步驟731：讓被選擇的列光學影像通過狹縫。

子步驟732：將通過此狹縫的此列光學影像衍射成高頻譜影像。

子步驟733：將高頻譜影像經由感光器轉換成電子訊號，其中感光器可至少包含電荷藕合元件以及互補式金氧 半導體其中之一。

子步驟734：根據此電子訊號讀取高頻譜影像。

如此，可重複子步驟731-734，將列光學影像全數擷取之後，可解析整個目標140的高頻譜影像。

上述之子步驟732係為一種分光的過程，其係依照不同波長的光具有不同的折射率的特性來分光。為了使子步驟732之敘述更加詳盡與完備，以下將以實施例來具體說明子步驟732的三種實施方式。

於一實施例中，子步驟732可依序進行下列階段：

(1a)準直狹縫所通過的列光學影像。

(1b)折射被準直的列光學影像。

(1c)將被折射的此列光學影像衍射成高頻譜影像。

(1d)折射此高頻譜影像。

(1e)聚焦被折射的此高頻譜影像於感光器上。

在本實施例中，以光學的觀點而言，需要先把通過狹縫的入射光轉為平行光，接著將平行光折射之後，將折射過的平行光分解成繞射光，接著將繞射光轉為平行光，然後將平行光匯聚到感光器上。

於另一實施例中，子步驟732可依序進行下列階段：

(2a)反射並準直狹縫所通過的此列光學影像。

(2b)將被反射且被準直的此列光學影像衍射成高頻譜影像。

(2c)反射此高頻譜影像於感光器上。

在本實施例中，以光學的觀點而言，需要先把通過狹縫的入射光轉為平行光，接著將反射過的平行光分解成繞 射光，然後將繞射光匯聚到感光器上。

於又一實施例中，子步驟732可進行下列階段：

(3a)將狹縫所通過的列光學影像衍射成高頻譜影像並反射至感光器上。

在本實施例中，以光學的觀點而言，可同時把通過狹縫的入射光進行分光與匯聚光，藉此減少子步驟732的所需進行的階段。

根據以上揭露的實施例，於使用本發明另一實施態樣之高頻譜掃描方法時，藉由中繼透鏡往復移動的機制，即可掃描整個目標的高頻譜影像，大幅地提高使用上的便利性。另一方面，由於不必移動目標、高頻譜儀或光學系統，因此可改善光程差的問題，進而提昇影像品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

120‧‧‧高頻譜儀

110‧‧‧光學系統

131‧‧‧位置

130‧‧‧中繼模組

140‧‧‧目標

132‧‧‧位置

222‧‧‧滑軌

210‧‧‧中繼透鏡

310‧‧‧空間窗

224‧‧‧歨進馬達

320‧‧‧分光器

315‧‧‧狹縫

340‧‧‧處理器

330‧‧‧感光器

420‧‧‧第一稜鏡

410‧‧‧準直透鏡

440‧‧‧第二稜鏡

430‧‧‧透射光柵

510‧‧‧第一凹面鏡

450‧‧‧聚焦透鏡

530‧‧‧第二凹面鏡

520‧‧‧反射光柵

710-750‧‧‧步驟

610‧‧‧凹光柵

133‧‧‧位置

731-734‧‧‧子步驟

170‧‧‧焦點面

171‧‧‧列光學影像

172‧‧‧列光學影像

173‧‧‧列光學影像

226‧‧‧計算機

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖是依照本發明一實施例的一種高頻譜掃描裝置的示意圖。

第2圖是第1圖中的中繼模組的側視圖。

第3圖是第1圖中的高頻譜儀的示意圖。

第4圖是第3圖中依照本發明一實施例的分光器的示意圖。

第5圖是第3圖中依照本發明另一實施例的分光器的示意圖。

第6圖是第3圖中依照本發明又一實施例的分光器的示意圖。

第7圖係繪示依照本發明一實施例的一種高頻譜掃描方法的流程圖。

第8圖是第7圖中步驟730的流程圖。

120‧‧‧高頻譜儀

110‧‧‧光學系統

131‧‧‧位置

130‧‧‧中繼模組

133‧‧‧位置

132‧‧‧位置

170‧‧‧焦點面

140‧‧‧目標

171‧‧‧列光學影像

210‧‧‧中繼透鏡

173‧‧‧列光學影像

172‧‧‧列光學影像

Claims (12)

1. 一種高頻譜掃描裝置，包含：一光學系統，用以將一目標的光學影像聚焦於該光學系統中的一焦點面上，其中該焦點面上所形成的該目標的光學影像包含複數個列光學影像；一高頻譜儀，與該光學系統分開設置；以及一中繼模組，用以選擇性地傳遞該些列光學影像其中之一至該高頻譜儀，其中該中繼模組包含一中繼透鏡與一微動設備，該微動設備用以移動該中繼透鏡，使該中繼透鏡將該焦點面上的該些列光學影像逐一傳遞到該高頻譜儀，而不改變該些列光學影像本身的大小，其中該高頻譜儀包含：一空間窗，用以讓該中繼透鏡所傳遞的該列光學影像經由該空間窗的一狹縫通過該空間窗，其中該高頻譜儀及該狹縫無須移動；一分光器，用以將通過該狹縫的該列光學影像衍射成一高頻譜影像；一感光器，用以將該高頻譜影像轉換成一電子訊號；以及一處理器，用以根據該電子訊號分析該高頻譜影像。
2. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該微動設 備包含：一滑軌，連結該中繼透鏡，其中該滑軌的長度方向與該些列光學影像平行；一歨進馬達，用以驅動該中繼透鏡沿著該滑軌移動；以及一計算機，用以控制該歨進馬達。
3. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該分光器包含：一準直透鏡，用以準直該狹縫所通過的該列光學影像；一第一稜鏡，用以折射該準直透鏡所準直的該列光學影像；一透射光柵，用以將該第一稜鏡所折射的該列光學影像衍射成該高頻譜影像；一第二稜鏡，用以折射該高頻譜影像；以及一聚焦透鏡，用以聚焦該第二稜鏡所折射的該高頻譜影像於該感光器上。
4. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該分光器包含：一第一凹面鏡，用以反射並準直該狹縫所通過的該列光學影像；一反射光柵，用以將該第一凹面鏡所反射的該列光學影像衍射成該高頻譜影像；以及一第二凹面鏡，用以反射該高頻譜影像於該感光器上。
5. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該分光器包含：一凹光柵，用以將該狹縫所通過的該列光學影像衍射成該高頻譜影像並反射至該感光器上。
6. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該感光器至少包含一電荷藕合元件以及一互補式金氧半導體其中之一。
7. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該光學系統至少包含一物鏡。
8. 如請求項1所述之高頻譜掃描裝置，其中該光學系統係為一顯微鏡或一望遠鏡。
9. 一種高頻譜掃描方法，包含：將一目標的光學影像聚焦於一焦點面上，其中該焦點面上所形成的該目標的光學影像包含複數個列光學影像；選擇該些列光學影像其中之一，其中選擇該些列光學影像其中之一的步驟包含：沿著平行該些列光學影像的方向，移動一中繼透鏡，使該中繼透鏡逐一將該些列光學影像從一處轉播放到另一處，而不改變該些列光學影像本身的大小；以及擷取被選擇的該列光學影像，其中擷取被選擇的該列 光學影像的光譜資訊的步驟包含：讓該中繼透鏡所傳遞的該列光學影像通過該高頻譜儀的一空間窗的一狹縫，而無須移動該高頻譜儀及該狹縫；將通過該狹縫的該列光學影像衍射成一高頻譜影像；將該高頻譜影像經由一感光器轉換成一電子訊號；以及，根據該電子訊號分析該高頻譜影像。
10. 如請求項9所述之高頻譜掃描方法，其中將通過該狹縫的該列光學影像衍射成該高頻譜影像，包含：準直該狹縫所通過的該列光學影像；折射被準直的該列光學影像；將被折射的該列光學影像衍射成該高頻譜影像；折射該高頻譜影像；以及聚焦被折射的該高頻譜影像於該感光器上。
11. 如請求項9所述之高頻譜掃描方法，其中將通過該狹縫的該列光學影像衍射成該高頻譜影像，包含：反射並準直該狹縫所通過的該列光學影像；將被反射且被準直的該列光學影像衍射成該高頻譜影像；以及反射該高頻譜影像於該感光器上。
12. 如請求項9所述之高頻譜掃描方法，其中將通過該狹縫的該列光學影像衍射成該高頻譜影像，包含：將該狹縫所通過的該列光學影像衍射成該高頻譜影像 並反射至該感光器上。