TWM568363U - Hyperspectral image detecting device and detecting device - Google Patents

Abstract

本新型提出一種高光譜影像檢測裝置與檢測設備。高光譜影像檢測裝置包含遠心光學模組、一狹縫元件、一準直色散元件及一感光元件。遠心光學模組包含掃描鏡，狹縫元件鄰近遠心光學模組之出光側，以使通過遠心光學模組之二維光的一部分穿越狹縫元件而形成一維線形光。準直色散元件將一維線形光色散為色散光束。感光元件感光色散光束而取得對應一維線形光之光譜資訊。藉此，透過連續改變掃描鏡反射角度，可將一連串的一維光光譜資訊組成二維場景光場之高光譜影像。

Description

高光譜影像檢測裝置與檢測設備

本新型是有關於一種光譜影像檢測裝置，特別是關於一種內部場景掃描之高光譜影像檢測技術與檢測設備。

目前的高光譜儀之檢測技術可大致區分成三種類型，其一是單點成像類型，一次只能探測目標物上單一點的光譜資訊，需經單點兩維掃描才能呈現光譜與目標物空間位置的對應關係。其二是線形掃描類型，利用狹縫來篩選目標物上欲探測的區域，以取得線形區的光譜資訊，再經一維掃描呈現目標物的高光譜影像。其三是快照式光譜儀，以可調式濾波片作為主要的光譜分離手段，利用快速變動濾波片穿透光波長的方式取得目標物於不同波段下的影像，但如此分光方式只能以波段作為區別。並無法得到精細的連續光譜資訊。

有鑑於此，本新型實施例提出一種高光譜影像檢測技術與設備，能快速地取得待測物高空間解析度的二維精細連續光譜資訊。

高光譜影像檢測裝置包含遠心光學模組、場景掃描模組、色散成像模組及二維感光元件。遠心光學模組包含入光側透鏡、出光側透鏡及掃描鏡。入光側透鏡接收一觀測視野之二維場景光場，掃描鏡位於入光側與出光側透鏡間之焦平面，作為抑制離軸光之光圈，並將二維光導向至出光側透鏡。場景掃描模組置於入光側透鏡與出光側透鏡之間，掃描鏡之後，以使通過遠心光學模組之二維光的一部分穿越狹縫元件而形成一維線形光，且透過改變掃描鏡反射角度，使得二維場景光場被切割成平行行進之一維線形光。色散成像模組接收切割出之一維線形光，且將之色散成像至二維感光元件，而取得對應一維光之光譜資訊。連續改變掃描鏡反射角度切割出一系列一維線形光，與對應之一維光光譜資訊，組成原二維場景光場之高光譜影像。

檢測設備包含前述之高光譜影像檢測裝置、光譜影像檢測處理單元及輸出單元。光譜影像檢測處理耦接一維場景掃描模組與二維感光元件，以取得光譜影像資訊，並根據光譜影像資訊分析結果於輸出單元輸出一判斷結果。

根據上述實施例之高光譜影像檢測裝置與設備，除能迅速取得二維場景的光譜資訊之外，還具有組件簡單、體積小、成本低等優點。

參見圖1，係為本新型一實施例之高光譜影像檢測裝置100之示意圖。高光譜影像檢測裝置100包括具內部場景掃描功能之遠心光學模組110、掃描鏡120、場景掃描準直鏡130、狹縫元件140、準直色散元件150及二維的感光元件160。高光譜影像檢測裝置100由狹縫元件140劃分為前成像系統180與後成像系統190，分述如下。

前成像系統180的功能是將待觀測對象進行二維成像，主要包含遠心光學模組110、掃描鏡120及場景掃描準直鏡130。遠心光學模組110由二消色差鏡111、112所構成，遠心光學模組110具備一入光側及一出光側；消色差鏡111位於入光側，消色差鏡112位於出光側且鄰近狹縫元件140。消色差鏡111接收一觀測視野900之光（於後稱「二維光L2」）。觀測視野900為高光譜影像裝置100能觀察到的視野範圍。二維光L2可包含觀測視野900內的物體本身發出的光，也可以包含該物體所反射之光。前成像系統180將在一定景深範圍內之待觀測對象以固定的圖像縮放倍率清晰成像於狹縫元件140的表面。掃描鏡120一方面作為抑制遠心光學模組110離軸光之光圈，另一方面將二維光L2導向至出光側。場景掃描準直鏡130位於掃描鏡120與消色差鏡112之間，用於校正因掃描鏡120所造成的圖像形變，亦使二維光L2經過掃描鏡120反射之後，在不同反射角均能垂直聚焦成像於狹縫元件140表面。垂直聚焦的二維光L2穿越狹縫元件140形成一維光L1（或稱線形光）。

在一實施例中狹縫元件140為單一狹縫，狹縫高度為10毫米（mm），寬度0.1毫米。如圖1所示之互為垂直的方向X、Y、Z，所述高度為方向Y的長度，所述寬度為方向Z的長度。

於一實施例中，場景掃描準直鏡130為一遠心f-θ透鏡，具正負19.2度的掃描角度功能，但本新型實施例並不限制於此掃描角度。

於一實施例中，掃描鏡120為邊長10毫米之平面反射鏡，位於二消色差鏡111、112的共軛焦平面上，以起到孔徑欄的作用，且具正負10度轉動範圍，但本新型實施例並不限制於此轉動範圍。配合場景掃描準直鏡130能提供90毫米x90毫米場景掃描能力。

在一實施例中，位於入光側之消色差鏡111之焦距較位於出光側之消色差鏡112之焦距長，以提供適當的工作距離容納掃描鏡120和場景掃描準直鏡130。

於一實施例中，消色差鏡111選用球面透鏡焦距200毫米，提供180毫米的工作距離。消色差鏡112選用非球面透鏡焦距50毫米，以縮小前成像系統之體積，但本新型實施例並不限制於此焦距組合。

在一實施例中，為了縮小後成像系統的體積，遠心光學模組110的放大率為0.1。

參照圖2，係為本新型一實施例之前成像系統180之作動示意圖。當掃描鏡120轉動時，將改變二維光L2的反射角度，使得投射至狹縫元件140上的位置不同。因此，透過掃描鏡120改變其反射角度，可使得一維光L1對應於二維光L2的位置隨之改變。例如，原本一維光L1是對應於二維光L2的中心軸位置，當掃描鏡120朝上偏轉，將使得反射角變大，進而使得二維光L2投射至狹縫元件140上的位置朝上位移，此時，一維光L1對應於二維光L2偏向下方的位置。反之，當掃描鏡120朝下偏轉，將使得反射角變小，進而使得二維光L2投射至狹縫元件140上的位置朝下位移，一維光L1對應於二維光L2偏向上方的位置。

復參照圖1，後成像系統190可將一維光L1色散分離成不同波長，以擷取其光譜資訊。後成像系統190包含準直色散元件150、消色差鏡170和感光元件160。準直色散元件150接收一維光L1，且將一維光L1準直並色散為一色散光束L3。消色差鏡170設置於色散元件150與感光元件160之間，可將色散光束L3之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而取得對應一維光L1之一光譜資訊。在此，感光元件160可以為感光耦合元件（CCD）、互補式金屬氧化物半導體（CMOS）等影像感應器。

如圖1所示，準直色散元件150由一色散元件151及準直鏡152構成。在一實施例中，色散元件151為穿透式繞射光柵，準直鏡152為非球面透鏡，兩者相貼合所構成。非球面透鏡的焦距可為25毫米，光柵的光柵密度可為600刻槽/毫米（grooves/mm），一級繞射角23度，涵蓋光譜波段為400奈米（nm）~1000奈米。

在一實施例中，配合光路設計，色散元件151可改為採用反射式繞射光柵。

在一實施例中，消色差鏡170可為焦距為30毫米，數值孔徑為50毫米，色散值為0.16的複合玻璃材質非球面消色差透鏡，可將波長為400奈米（nm）~1000奈米的光聚焦成像於感光元件160表面。

透過上述的方式，掃描鏡120以平行於一維光L1的軸向（即方向Y）為旋轉軸心旋轉而改變其反射角度，以使二維光L2的每一個一維光L1能逐次穿越狹縫元件140，藉此能夠取得整個二維光L2的光譜資訊。

參照圖3，係為本新型一實施例之檢測設備200之示意圖。檢測設備200包含前述之高光譜影像裝置100之外，還包含處理單元210及輸出單元220。處理單元210耦接感光元件160，以取得光譜資訊，並根據光譜資訊於輸出單元220輸出一判斷結果。在此，處理單元210可為微處理器、嵌入式控制器等具有運算能力之運算單元，係可透過軟體或可程式化邏輯來處理光譜資料並產生該判斷結果。所述判斷係可依據應用之需要適應性的調整，例如，於判斷食材的新鮮度的應用中，根據光譜資料可設定與食材新鮮度有關的特定波長光的強度門檻值，以判斷食材為新鮮或不新鮮。輸出單元220可為螢幕、燈、揚聲器等能夠輸出如視覺、聽覺等感官訊息的裝置。

在一些實施例中，若觀測視野900的範圍較小，或者欲觀察的物體佔觀測視野900的範圍較小，高光譜影像裝置100亦可不具有場景掃描準直鏡130與消色差鏡170，使得光譜資訊有些微可容忍程度的像差，同樣能達到符合需求的判斷結果。

在一實施例中，掃描鏡120之轉動是由處理單元210來控制。

根據上述實施例之高光譜影像裝置100與檢測設備200，除能一次性的取得二維光L2的光譜資訊之外，還具有組件簡單、體積小、成本低等優點。

100‧‧‧高光譜影像裝置

110‧‧‧遠心光學模組

111、112‧‧‧消色差鏡

120‧‧‧掃描鏡

130‧‧‧場景掃描準直鏡

140‧‧‧狹縫元件

150‧‧‧準直色散元件

151‧‧‧色散元件

152‧‧‧準直鏡

170‧‧‧消色差鏡

160‧‧‧感光元件

180‧‧‧前成像系統

190‧‧‧後成像系統

200‧‧‧檢測設備

210‧‧‧處理單元

220‧‧‧輸出單元

900‧‧‧觀測視野

L1‧‧‧一維光

L2‧‧‧二維光

L3‧‧‧色散光束

X‧‧‧方向

Y‧‧‧方向

Z‧‧‧方向

[圖1]為本新型一實施例之高光譜影像檢測裝置之示意圖。 [圖2]為本新型一實施例之前成像系統之作動示意圖。 [圖3]為本新型一實施例之檢測設備之示意圖。

Claims (10)

1. 一種高光譜影像檢測裝置，包含： 一遠心光學模組，包含一入光側、一出光側及一掃描鏡，該入光側接收一觀測視野之一二維光，該掃描鏡位於該入光側與該出光側之間，以將該二維光導向該出光側而輸出； 一狹縫元件，鄰近該遠心光學模組之該出光側，以使通過該遠心光學模組之該二維光的一部分穿越該狹縫元件而形成一一維光，且透過該掃描鏡改變其反射角度，使得該一維光對應於該二維光的位置隨之改變； 一準直色散元件，接收該一維光，且將該一維光準直色散為一色散光束；及 一感光元件，感光該色散光束而取得對應該一維光之一光譜資訊。
2. 如請求項1所述之高光譜影像檢測裝置，更包含一場景掃描準直鏡，位於該遠心光學模組中，並介於該掃描鏡與該出光側之間，使該二維光能垂直聚焦於該狹縫元件。
3. 如請求項2所述之高光譜影像檢測裝置，其中該場景掃描準直鏡為遠心f-θ透鏡。
4. 如請求項1所述之高光譜影像檢測裝置，其中該遠心光學模組還包含二消色差鏡，分別位於該入光側及該出光側。
5. 如請求項4所述之高光譜影像檢測裝置，其中位於該入光側之該消色差鏡之焦距較位於該出光側之該消色差鏡之焦距長。
6. 如請求項5所述之高光譜影像檢測裝置，其中該掃描鏡位於該二消色差鏡的共軛焦平面上。
7. 如請求項1所述之高光譜影像檢測裝置，更包含一消色差鏡，設置於該準直色散元件與該感光元件之間，使該色散光束聚焦成像位於同一平面。
8. 如請求項1所述之高光譜影像檢測裝置，其中該準直色散元件包含一穿透式繞射光柵。
9. 如請求項1所述之高光譜影像檢測裝置，其中該掃描鏡改變其反射角度，以使該二維光的每一個該一維光能逐次穿越該狹縫元件，其中該掃描鏡的旋轉軸心平行於該一維光的軸向。
10. 一種檢測設備，包含如請求項1至9中任一項所述之高光譜影像檢測裝置、一處理單元及一輸出單元，該處理單元耦接該感光元件，以取得該光譜資訊，並根據該光譜資訊於該輸出單元輸出一判斷結果。