CN101726360B - 高频谱扫描装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频谱扫描装置，包含光学系统、高频谱仪以及中继模块。光学系统是用以将目标的光学影像聚焦在光学系统的焦点面上，在该焦点面的成像可分为一连串的列影像。高频谱仪与光学系统分开设置。中继模块是用以选择性地传递这些列光学影像其中之一至高频谱仪。

Description

高频谱扫描装置及其方法

技术领域

本发明是有关于一种高光谱装置与测量方法，且特别是一种用于影像检测的照相装置与照相方法。

背景技术

任何物质都由原子分子所构成，依原子间或分子结构方式而有各种不同形式结构能量，使得各物质的光谱因其结构能量的差异而各不相同。一般而言，在物质的光谱影像中，光谱数在100以下称为多谱段影像，而光谱数在100以上称为高频谱影像(hyper-spectral image)。

高频谱仪(hyper-spectrometer)的应用范围非常广泛，可见光的频谱、不可见光的频谱、物体(动物/植物/矿物)影像光谱、近红外光NIR光谱影像、多通道光纤光谱的照像系统、远程感应、太空遥测、在生化医疗应用的光谱影像、显示器色彩调校、智能搜寻飞弹(Intelligent Missile Seeker，IMS)等应用。高频谱仪一次可以获取一列的光学影像，为了扫描整个目标，需要将高频谱仪移动，或是将置于高频谱仪前的光学系统移动，在设计上与使用上都相当地不便。而且，恣意移动高频谱仪或光学系统，会有光程差(opticalpath difference)的问题，降低影像的质量。

有鉴于此，设计合适的高频谱扫描装置及其方法是很重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高频谱扫描装置，无须移动目标、高频谱仪或光学系统，即可扫描整个目标的高频谱影像。

本发明另一方面是在提供一种高频谱扫描方法，无须移动高频谱仪或光学系统，即可扫描整个目标的高频谱影像。

为了实现上述目的，本发明一实施例中提出一种高频谱扫描装置，包含光学系统、高频谱仪以及中继模块。光学系统是用以将一目标的光学影像聚焦在光学系统的焦点面上，其中该焦点面上所形成的该目标的光学影像包含多个列光学影像。高频谱仪与光学系统分开设置。中继模块是用以选择性地传递这些列光学影像其中之一至高频谱仪。以此，在中继模块逐一将这些列光学影像传递给高频谱仪之后，高频谱仪可分析整个目标的高频谱影像。

为了实现上述目的，本发明另一实施例中提出一种高频谱扫描方法，包含多个步骤。首先，将一目标的光学影像聚焦在焦点面上，其中该焦点面上所形成的该目标的光学影像包含多个列光学影像。接着，选择这些列光学影像其中之一。然后，读取被选择的该列光学影像的光谱信息。以此，在逐一将这些列光学影像读取之后，可分析整个目标的高频谱影像。

根据本发明高频谱扫描装置，由于不必移动目标、高频谱仪或光学系统，因此可改善因所述的移动而衍生的光程差的问题，进而提升影像质量。根据本发明的高频谱扫描方法可改善光程差的问题，进而提升影像质量。

以下将以各种实施例，对上述的说明以及接下来的实施方式做详细的描述，并对本发明提供更进一步的解释。

附图说明

为使本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下：

图1是依照本发明一实施例的一种高频谱扫描装置的示意图；

图2是图1中的中继模块的侧视图；

图3是图1中的高频谱仪的示意图；

图4是图3中依照本发明一实施例的分光器的示意图；

图5是图3中依照本发明另一实施例的分光器的示意图；

图6是图3中依照本发明又一实施例的分光器的示意图；

图7是依照本发明一实施例的一种高频谱扫描方法的流程图；

图8是图7中步骤730的流程图。

【主要组件符号说明】

110：光学系统

120：高频谱仪       130：中继模块

131：位置                     132：位置

140：目标                     210：中继透镜

222：滑轨                     224：步进马达

310：空间窗                   315：狭缝

320：分光器                   330：感光器

340：处理器                   410：准直透镜

420：第一棱镜                 430：透射光栅

440：第二棱镜                 450：聚焦透镜

510：第一凹面镜               520：反射光栅

530：第二凹面镜               610：凹光栅

710—750：步骤                731—734：子步骤

133：位置

170：焦点面

172：列光学影像

173：列光学影像

226：计算机

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照下列的附图及各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的组件。另一方面，众所周知的光学元件与机电元件并未描述在实施例中，以避免造成本发明不必要的限制。

图1是依照本发明一实施例的一种高频谱扫描装置的示意图。如图所示，高频谱扫描装置包含光学系统110、高频谱仪120以及中继模块130。在构造设计上，高频谱仪120与光学系统110分开设置，中继模块130设置在光学系统110与高频谱仪120之间。

在使用时，光学系统110是用以将目标140的光学影像聚焦在光学系统110中的焦点面170上，焦点面170上所形成的目标140的光学影像包含多个列光学影像，例如列光学影像171—173，其中这些列光学影像彼此平行。换言之，在焦点面170的成像可分为一连串的列影像。中继模块130是用以选择性地传递这些列光学影像其中之一至高频谱仪120。

上述的光学系统110至少包含一个物镜。在实际应用上，熟悉本领域的技术人员可视目标的大小、距离目标的远近等因素，弹性选择光学系统110的实施方式。举例来说，光学系统110可为显微镜、望远镜、光学镜片组等光学元件。

值得注意的是，在图1中，中继模块130可包含中继透镜210。如图所示，若中继透镜210在位置132，则中继透镜210可传递一列光学影像172至高频谱仪120；若中继透镜210移动至位置131时，中继透镜210可传递另一列光学影像171至高频谱仪120；若中继透镜210移动至位置133时，中继透镜210可传递又一列光学影像173至高频谱仪120。以此，在中继模块130逐一将这些列光学影像传递给高频谱仪120之后，高频谱仪120可获取整个目标140的影像并解析整个目标140的光谱信息。为了使上述的中继模块130的叙述更加详尽与完备，请参照图2，图2是依照本发明一实施例的一种中继模块的侧视图。如图所示，中继模块130包含中继透镜210以及微动设备，其中微动设备包含滑轨222、步进马达224以及计算机226。中继透镜210是用以将上述的焦点面上的多个列光学影像其中之一传递到高频谱仪120。微动设备用以移动中继透镜210。

在本实施例中，中继透镜210可将列光学影像从一处转播放到另一处，而不改变列光学影像本身的大小。因此，可大幅降低光程差的问题，进而提升光学影像的质量。

为了使上述的微动设备的叙述更加详尽与完备，请继续参照图2，如图所示，滑轨222连接中继透镜210，滑轨222的长度方向与上述的列光学影像平行。计算机226是用以控制步进马达224。步进马达224是用以驱动中继透镜210沿着该滑轨移动。

在本实施例中，通过步进马达224来掌控中继透镜210的移动速度以及位移量。另外，中继透镜210沿着平行滑轨222的长度方向上往复移动。以此，中继透镜210在平行于这些列光学影像的方向上的不同位置可传递焦点面上不同的列光学影像至高频谱仪120。

应了解到，以上关于微动设备的叙述仅为例示，并非用以限制本发明，熟悉本领域的技术人员可视实际需要弹性选择微动设备的具体实施方式，例如像是采用压电材料、微机电系统或其它移动装置来移动中继透镜210。

为了使上述的高频谱仪120的叙述更加详尽与完备，请参照图3，图3是依照本发明一实施例的一种高频谱仪的示意图。如图所示，高频谱仪120包含空间窗(spatial window)310、分光器320、感光器330以及处理器340，空间窗310具有狭缝315。本实施例中，空间窗310是用以让中继模块130所传递的列光学影像经由空间窗310的狭缝315通过空间窗310。分光器320是用以将通过狭缝315的列光学影像衍射成二维高频谱影像(hyper-spectralimage)。感光器330是用以将该高频谱影像转换成电子信号，其中感光器330可至少包含电荷藕合元件以及互补式金属氧化物半导体其中之一。处理器340是用以根据该电子信号分析高频谱影像。

如此，高频谱仪120将列光学影像全数获取之后，高频谱仪120可解析整个目标140的高频谱影像。

上述的分光器320可依照不同波长的光具有不同的折射率的特性来分光。为了使上述的分光器320的叙述更加详尽与完备，以下将搭配图4—6，来具体说明分光器320的三种实施方式。

图4是依照本发明一实施例的一种分光器的示意图。如图所示，分光器320包含准直透镜410、第一棱镜420、透射光栅430、第二棱镜440以及聚焦透镜450。准直透镜410是用以准直狭缝315所通过的列光学影像。第一棱镜420是用以折射准直透镜410所准直的列光学影像。透射光栅430是用以将第一棱镜420所折射的列光学影像衍射成高频谱影像。第二棱镜440是用以折射该高频谱影像。聚焦透镜450是用以聚焦第二棱镜440所折射的高频谱影像在感光器330上。

以光学的观点而言，准直透镜410把通过狭缝315的入射光转为平行光，接着第一棱镜420将平行光折射后进入透射光栅430之后产生绕射光，接着第二棱镜440将绕射光转为平行光，然后聚焦透镜450将平行光汇聚到感光器330上。另外，透射光栅430是一种可让光线透射的光栅，有着良好的极化光效率。

图5是依照本发明另一实施例的一种分光器的示意图。如图所示，分光器320包含第一凹面镜510、反射光栅520以及第二凹面镜530。第一凹面镜510是用以反射并准直狭缝315所通过的列光学影像。反射光栅520是用以将第一凹面镜510所反射的列光学影像衍射成高频谱影像。第二凹面镜530是用以反射该高频谱影像在感光器330上。

以光学的观点而言，反射光栅520为一种平面的反射光栅。因此，需要先由透镜或是凹面镜(如第一凹面镜510)来将通过狭缝315的入射光转为平行光。在反射光栅520将平行光分解成绕射光之后，接着由透镜组或凹面镜(如第二凹面镜530)来将平面的反射光栅520所分解的绕射光汇聚到感光器330上。

图6是依照本发明又一实施例的一种分光器的示意图。如图所示，分光器320包含凹光栅610。凹光栅610是用以将狭缝315所通过的列光学影像衍射成高频谱影像并反射至感光器330上。

以光学的观点而言，凹光栅610同时具有分光以及汇聚光的性能，因此可以有效的减少分光器320中所需的光学元件，以此缩减高频谱仪120的体积。

根据以上揭露的实施例，在使用本发明一实施态样的高频谱扫描装置时，无须移动目标、高频谱仪或光学系统，即可扫描整个目标的高频谱影像，大幅地提高使用上的便利性。另一方面，由于不必移动高频谱仪或光学系统，因此可改善光程差的问题，进而提升影像质量。

本发明另一实施态样为一种高频谱扫描方法。该高频谱扫描方法可适用于高频谱扫描装置，除此之外，该高频谱扫描方法还可以广泛地应用于摄影测量术的照相装置或相似的技术环节。以下将搭配图7—8，来具体说明该高频谱扫描方法的实施方式。

图7是依照本发明一实施例的一种高频谱扫描方法的流程图。如图所示，该高频谱扫描方法包含下列步骤(应了解到，在本实施例中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)：

步骤710：将目标的光学影像聚焦在焦点面上，其中该焦点面上所形成的该目标的光学影像包含多个列光学影像。

步骤720：选择这些列光学影像其中之一。

步骤730：获取被选择的该列光学影像。

步骤740：判断是否扫描完全部的列光学影像。

步骤750：完成高频谱影像扫描。

值得注意的是，在步骤720中，可沿着平行这些列光学影像的方向来移动中继透镜，以此选择这些列光学影像其中之一。值得注意的是，中继透镜可将列光学影像从一处转播放到另一处，而不改变列光学影像本身的大小，而且中继透镜在平行于这些列光学影像的方向上的不同位置可将该焦点面上不同的列光学影像传递至另一处。因此，可改善光程差的问题，进而提升影像质量。

接着，在步骤730中，可获取由上述的中继透镜所传递的列光学影像，并且分析列光学影像。以此，把中继透镜逐一传递的这些列光学影像全数获取之后，可得到整个目标的影像并可解析整个目标的光谱信息。

为了使步骤730的叙述更加详尽与完备，请参照图8，是步骤730的流程图。如图所示，步骤730包含下列多个子步骤(应了解到，在本实施例中所提及的子步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)：

子步骤731：让被选择的列光学影像通过狭缝。

子步骤732：将通过该狭缝的该列光学影像衍射成高频谱影像。

子步骤733：将高频谱影像经由感光器转换成电子信号，其中感光器可至少包含电荷藕合元件以及互补式金属氧化物半导体其中之一。

子步骤734：根据该电子信号读取高频谱影像。

如此，可重复子步骤731—734，将列光学影像全数获取之后，可解析整个目标140的高频谱影像。

上述的子步骤732为一种分光的过程，其是依照不同波长的光具有不同的折射率的特性来分光。为了使子步骤732的叙述更加详尽与完备，以下将以实施例来具体说明子步骤732的三种实施方式。

在一实施例中，子步骤732可依序进行下列阶段：

(1a)准直狭缝所通过的列光学影像。

(1b)折射被准直的列光学影像。

(1c)将被折射的该列光学影像衍射成高频谱影像。

(1d)折射该高频谱影像。

(1e)聚焦被折射的该高频谱影像在感光器上。

在本实施例中，以光学的观点而言，需要先把通过狭缝的入射光转为平行光，接着将平行光折射之后，将折射过的平行光分解成绕射光，接着将绕射光转为平行光，然后将平行光汇聚到感光器上。

在另一实施例中，子步骤732可依序进行下列阶段：

(2a)反射并准直狭缝所通过的该列光学影像。

(2b)将被反射且被准直的该列光学影像衍射成高频谱影像。

(2c)反射该高频谱影像在感光器上。

在本实施例中，以光学的观点而言，需要先把通过狭缝的入射光转为平行光，接着将反射过的平行光分解成绕射光，然后将绕射光汇聚到感光器上。

在又一实施例中，子步骤732可进行下列阶段：

(3a)将狭缝所通过的列光学影像衍射成高频谱影像并反射至感光器上。

在本实施例中，以光学的观点而言，可同时把通过狭缝的入射光进行分光与汇聚光，以此减少子步骤732的所需进行的阶段。

根据以上揭露的实施例，在使用本发明另一实施态样的高频谱扫描方法时，通过中继透镜往复移动的机制，即可扫描整个目标的高频谱影像，大幅地提高使用上的便利性。另一方面，由于不必移动目标、高频谱仪或光学系统，因此可改善光程差的问题，进而提升影像质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种高频谱扫描装置，其特征在于，包含：

一光学系统，用以将一目标的光学影像聚焦在该光学系统中的一焦点面上，其中该焦点面上所形成的该目标的光学影像包含多个列光学影像；

一高频谱仪，与该光学系统分开设置；以及

一中继模块，用以选择性地传递所述多个列光学影像其中之一至该高频谱仪。

2.根据权利要求1所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该中继模块包含：

一中继透镜；以及

一微动设备，用以移动该中继透镜。

3.根据权利要求2所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该微动设备包含：

一滑轨，连接该中继透镜，其中该滑轨的长度方向与所述多个列光学影像平行；

一步进马达，用以驱动该中继透镜沿着该滑轨移动；以及

一计算机，用以控制该步进马达。

4.根据权利要求1所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该高频谱仪包含：

一空间窗，用以让该中继模块所传递的该列光学影像经由该空间窗的一狭缝通过该空间窗；

一分光器，用以将通过该狭缝的该列光学影像衍射成一高频谱影像；

一感光器，用以将该高频谱影像转换成一电子信号；以及

一处理器，用以根据该电子信号分析该高频谱影像。

5.根据权利要求4所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该分光器包含：

一准直透镜，用以准直该狭缝所通过的该列光学影像；

一第一棱镜，用以折射该准直透镜所准直的该列光学影像；

一透射光栅，用以将该第一棱镜所折射的该列光学影像衍射成该高频谱影像；

一第二棱镜，用以折射该高频谱影像；以及

一聚焦透镜，用以聚焦该第二棱镜所折射的该高频谱影像在该感光器上。

6.根据权利要求4所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该分光器包含：

一第一凹面镜，用以反射并准直该狭缝所通过的该列光学影像；

一反射光栅，用以将该第一凹面镜所反射的该列光学影像衍射成该高频谱影像；以及

一第二凹面镜，用以反射该高频谱影像在该感光器上。

7.根据权利要求4所述的高频谱扫描装置，其特征在于，该分光器包含：

一凹光栅，用以将该狭缝所通过的该列光学影像衍射成该高频谱影像并反射至该感光器上。

8.一种高频谱扫描方法，其特征在于，包含：

将一目标的光学影像聚焦在一光学系统中的一焦点面上，其中该焦点面上所形成的该目标的光学影像包含多个列光学影像；

选择所述多个列光学影像其中之一；以及

利用一高频谱仪获取被选择的该列光学影像。

9.根据权利要求8所述的高频谱扫描方法，其特征在于，选择所述多个列光学影像其中之一，包含：

沿着平行所述多个列光学影像的方向，移动一中继透镜。

10.根据权利要求8所述的高频谱扫描方法，其特征在于，获取被选择的该列光学影像的光谱信息，包含：

获取由该中继透镜所传递的该列光学影像；以及

分析该列光学影像。

11.根据权利要求8所述的高频谱扫描方法，其特征在于，获取被选择的该列光学影像的光谱信息，包含：

让该列光学影像通过一狭缝；

将通过该狭缝的该列光学影像衍射成一高频谱影像；

将该高频谱影像经由一感光器转换成一电子信号；以及

根据该电子信号分析该高频谱影像。

12.根据权利要求11所述的高频谱扫描方法，其特征在于，将通过该狭缝的该列光学影像衍射成该高频谱影像，包含：

准直该狭缝所通过的该列光学影像；

折射被准直的该列光学影像；

将被折射的该列光学影像衍射成该高频谱影像；

折射该高频谱影像；以及

聚焦被折射的该高频谱影像在该感光器上。

13.根据权利要求11所述的高频谱扫描方法，其特征在于，将通过该狭缝的该列光学影像衍射成该高频谱影像，包含：

反射并准直该狭缝所通过的该列光学影像；

将被反射且被准直的该列光学影像衍射成该高频谱影像；以及

反射该高频谱影像在该感光器上。

14.根据权利要求11所述的高频谱扫描方法，其特征在于，将通过该狭缝的该列光学影像衍射成该高频谱影像，包含：

将该狭缝所通过的该列光学影像衍射成该高频谱影像并反射至该感光器上。

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