CN105571714B - 具独立光谱装置及观测装置的摄像系统及该光谱装置 - Google Patents

Abstract

一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，与显示处理装置电讯连接供撷取分析目标范围内的影像光谱资料，包括一维距遮蔽装置、一光谱装置及一观测装置。先由维距遮蔽装置遮蔽目标范围，再由显示处理装置操控光谱装置的光谱仪本体对目标范围的影像光谱资料进行辨识，最后将光谱资料电讯传输给显示处理装置。其中，光谱装置的范围标定单元与光谱仪本体保持一固定空间关系设置，且发光标定光谱仪本体所撷取的目标范围。使用者通过观测装置，便可观测目标范围及位于目标范围周边的发光标定；据此结构将光谱仪本体的撷取范围具体化。

Description

具独立光谱装置及观测装置的摄像系统及该光谱装置

技术领域

一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统及该光谱装置。

背景技术

近年来光学鉴识技术在各种应用场合中渐受重视，诸如污染源鉴定、材质鉴定，甚至是特殊的刑事鉴定等领域皆愈来愈依赖光学仪器进行鉴别，其中光谱装置更是关键的鉴定举证工具。例如刑事犯罪现场溅洒而出的血迹斑点，可能为人刻意抹消以混淆警调的视听，就算警方怀疑某处为犯案现场，却碍于肉眼无法辨识，在举证与申请羁押时更容易陷于被动处境。因此「科学办案」日益为警调单位所重视，所谓科学办案便是结合物理化学等相关科技与知识，探究现有调查无法触及的真相，如血迹的铁质会吸收特定波长的光(约870nm)，只是870nm已超出人肉眼能接收光的波长，若能结合光谱装置进行鉴定，对疑似案发现场的地面照射870nm的光波，如某一处反射光的能量特别低落，此处便极可能曾沾附有血液。

除此之外，光谱装置亦常见于烤漆或晶圆等污染物的侦错举证。然而光谱装置的入光通道是一点或一线，将入射的光通过分光再辨识各波长的强度，因此光谱装置一次能撷取的目标范围非常狭窄，再加上使用者无法精确得知光谱装置的撷取范围，只能以光谱装置的入光通道大略对准目标范围、凭感觉或经验目测一个相当于撷取范围的区域，让目标范围大致落入此区域，故常造成光谱装置的分析结果与目标范围存在偏差，难以精确依照使用者的预期侦测作业；此为光谱装置的第一项缺陷。

当第一线的作业员或者刑警在现场鉴定后，须将鉴定的分析与证明提交至后续部门，作为现场决策或法院审判的关键性证据。因此，鉴定作业通常需要经过更详尽的纪录，来提供具体的鉴定结果为客观的事实佐证。当第一线观察者操作光谱装置进行撷取分析后，对于同一目标范围要再以白光的影像撷取作为辅助，最后将分析数据与白光照片对照，甚至须标示分析数据分别落在相片的何处；希望据此提升鉴定的客观性。此一作法的问题在于延续了上述光谱装置的撷取范围无法具体化，且光谱装置的入光与摄影取像分两次独立取像作业，更难使两者撷取的角度、范围甚至目标物达到一致，无法提供精准客观的鉴定结果，若一线观察者素质不佳，更可能造成鉴定结果的偏差，影响尤大；此为光谱装置的第二项缺陷。

为确保鉴定结果的客观性，相关部门引进高光谱仪，可提供相片与分析的同步作业。然而，高光谱仪是将取像范围划分为多个像素(pixel)，由于高光谱仪要能辨识大量不同波段的光波，每一像素均区分为许多子像素(sub-pixel)，藉由这些子像素构成一个又一个单一的光谱仪，也就是，高光谱仪一方面是组合数百甚至数千套单一光谱仪，价格相当昂贵，依照目前价格，一台高光谱仪便需要数百万人民币；另方面，每一个像素中都必须进一步区隔为许多个子像素，每一个子像素则针对一种特定小波长范围的入射光，因此每一个像素入光区域都需要占用较大面积，整个高光谱仪无法设置太多像素，相较于一般照相机的千万像素，高光谱仪像素明显太低(通常为数百至数千)，也使整体解析度不佳。此种高价而低解析度的产品，根本无法被广泛应用于例如各地刑事警察单位或生物实验室。

延续前面的例子，当地板上有被擦拭过的数滴细微血迹残留，若拿解析度不足的高光谱仪进行大范围的鉴识，就有可能因为解析度不佳，恰好忽略小面积的血迹残留。因此，要将例如犯罪现场客厅地板进一步分成数十块小面积，再以更小范围、近距离分别拍摄才有可能将细微血滴完全找出。意味着原先一个步骤的作业需切割成数个作业才能弥补解析度的缺陷，大幅增加一线观察者的工作量与仪器的使用时间，让原本就稀有的昂贵仪器被长时间占用；何况，由于每个像素包含众多子像素；也使得高光谱仪的每一个像素所转换出的资讯量都很庞大，因此易在传输或资料处理方面也会造成困难。这也使得想要将这类昂贵仪器配发至基层单位的可能性进一步降低。

所以，本发明提出一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统及该光谱装置，既能解决一般光谱装置的分析与照片不同步，又能精确化、具体化光谱装置的撷取范围，以便使用者可以轻易且准确地操作光谱装置，瞄准适当的目标范围，大幅提高使用的便利性与精确度；还能避免高光谱仪解析度差与昂贵不易普及的缺点，提升携带的便利性；尤其成本大幅降低，让产品可以普及到最前线的实验室、半导体工厂、和基层刑事单位。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光谱装置，通过一组范围标定单元发光标定目标范围，确保光谱分析结果完整对应至目标范围，提升使用者操作的便利性、以及提升分析结果的可靠度。

本发明另一目的在于提供一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，通过一组范围标定单元将光谱装置的撷取范围具体化，以供同步作业的摄影机拍摄入镜，确保照片与光谱分析的连结关系，提升鉴定结果的客观性。

本发明再一目的在于提供一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，大幅降低制造成本，藉以取代极端昂贵的高光谱仪，使本发明系统可普及至最基层的观察者和各实验室、工厂，达到最佳的使用弹性。

为达上述目的，本发明提供一种具范围标定单元的光谱装置，供撷取并分析至少一目标范围的影像光谱资料，是与一显示处理装置电讯连接、并架设于一维距遮蔽装置之上，该维距遮蔽装置是供阻光遮蔽包括至少一个前述目标范围的一特定区域，该光谱装置包括：至少一形成有一入光通道的光谱仪本体，供撷取辨识该目标范围的影像光谱资料、并电讯连接传输至上述显示处理装置；一组范围标定单元，是与该光谱仪本体保持一固定空间关系设置，且供发光标定上述目标范围。

将上述具范围标定单元的光谱装置接合观测装置，并搭配显示处理装置一起使用，即为本发明具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，是与一显示处理装置电讯连接，供撷取并分析一目标范围的影像光谱资料，该摄像系统包括：一维距遮蔽装置，供阻光遮蔽一特定区域，该特定区域至少包括上述目标范围；及一光谱装置，包括：至少一架设于上述维距遮蔽装置的光谱仪本体，使其与上述至少一目标范围保持一固定操作距离；该光谱仪本体形成有一入光通道，供撷取辨识该目标范围的影像光谱资料、并电讯连接传输至上述显示处理装置；至少一组范围标定单元，是对应上述至少一光谱仪本体且与该对应光谱仪本体保持一固定空间关系设置，且供发光标定上述目标范围；及一观测装置，是设置于该维距遮蔽装置，使其与上述目标范围保持一固定观测距离，并供观测上述目标范围。

本发明揭示具独立光谱装置及观测装置的摄像系统及该光谱装置，通过一组范围标定单元将光谱装置的撷取范围具体化，确保分析结果对应至欲分析的目标范围，并搭配观测装置进行影像撷取，可提供同步拍摄、提升分析客观性的效果同时大幅降低成本，使得产品普及成为可能，并且因为影像撷取范围特定，避免高光谱仪低解析度的缺陷。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的示意图，用以说明光谱装置的运作情形；

图2为本发明第一较佳实施例的示意图，用以说明光谱装置内部的结构与光束分光的情形；

图3为本发明第二较佳实施例的剖面图，用以说明维距遮蔽装置、光谱装置与观测装置间的结构关系；

图4为本发明第二较佳实施例特定区域的俯视图，用以说明特定区域与位于特定区域内的目标范围的情形；

图5为本发明第三较佳实施例的侧视图，用以说明释例为观察架的维距遮蔽装置的结构；

图6为本发明第三较佳实施例的示意图，用以说明加装四个光谱仪本体以扩大撷取范围的情形。

符号说明

光谱装置 1、1’ 光谱仪本体 11、11’、11”

入光通道 110、110’ 光学镜片 111

凹面镜 112 光栅 113

聚焦镜 114 光感装置 115

范围标定单元 13、13’ 晶圆 8

激发光源装置 2’ 维距遮蔽装置 3’、3”

遮罩 31” 培养皿 90”

基座 32” 观测装置 5’、5”

光学镜头 51’ 显示处理装置 7

特定区域 9’、9” 目标范围 91、91’、91”

具体实施方式

下文将搭配说明书附图的较佳实施例进行详细说明，使有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效得以清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件或步骤将以相似的标号表示。

请参考图1，本发明第一较佳实施例具范围标定单元的光谱装置对一受污染的晶圆进行光学鉴定，晶圆8受污染的区域则为鉴定辨识的目标范围91，在本例中，是将相机设定拍摄一个预定焦距处的影像，将一个金属材质的遮罩固定在相机镜头处，再把一个本发明所述的光谱仪设置在金属遮罩上，并且对准相机的焦距位置。操作者先将释例为金属遮罩的维距遮蔽装置(图未示)概括晶圆8及其周边，以阻光遮蔽包括晶圆8受污染区域在内的一特定区域9(图未示)。架设于维距遮蔽装置(图未示)上的光谱装置1通过光谱仪本体11正对晶圆8受污染的一面，并使光谱仪本体11的入光通道正对目标范围91。光谱装置1还包括一组对应、并与光谱仪本体11维持固定空间关系设置的范围标定单元13，范围标定单元13的目的是利用如激光元件等光投射元件，在晶圆8上投射光束以达到发光标定目标范围91的效果。其中，本发明所谓「固定空间关系设置」是指对应光谱仪本体11的入光通道的撷取范围、角度与范围标定单元13保持协同作业的设置关系。

举例而言，本例中光谱仪本体11的入光通道为线条状入光的态样，范围标定单元13便可打出两束激光光束，分别标定目标范围91中对应入光通道的线型撷取范围的首尾两点。光束于光谱仪本体11内部的行经路线请一并参考图2所示，一旦操作者点击释例为平板电脑的显示处理装置7，让平板电脑以通讯装置发出撷取影像指令，则来自目标范围91的光束经由一光学镜片111集光，光束集中穿经入光通道110后由凹面镜112将入射的光束反射至光栅113或经由三棱镜等光调制器，依照不同波长进行分光照射至聚焦镜114，由聚焦镜114将不同波长的光束分别集中，投射到光感装置115，以分别感测各波长光的强度比例；同时，通过同设于维距遮蔽装置(图未示)上的观测装置5(如相机)对同一目标范围91同步拍照。最后由光谱装置1与观测装置5分别将目标范围的影像光谱资料、与同步拍摄的影像资讯传输给电讯连接的显示处理装置7，由于观测装置5所拍摄的影像，不仅包括半导体晶圆上的污染处，还包括标记光谱资料目标范围两端的激光光点，故可经由显示处理装置7进行关联或进一步分析比对。

其中，本例的范围标定单元是设置在光谱仪本体之上，而光谱装置与观测装置又分别设置于维距遮蔽装置上，一来让光谱装置与观测装置与目标范围保持固定观测距离，同时使观察者可通过观测装置从目标范围上看见光谱仪本体的撷取范围，并依照范围标定单元的投射位置来校准光谱装置的角度与距离。如此一来，可确保撷取范围完全落入目标范围内，亦即光谱仪本体所撷取的影像光谱资料可完整对应至目标范围，降低错位的机率；避免过往凭借感觉与经验在模拟撷取范围的尴尬。需再次强调的是，光谱仪本体与范围标定单元的固定空间关系设置是着重于将光谱仪本体的撷取范围具体投射这一效果关系，前述的结构连结关系只是方便说明，两者的具体结构连结并非本发明的限制。

本发明第二较佳实施例的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统是将前述的光谱装置结合相关组件而成，请一并参考图3、4，本例假设本发明系统是应用在刑事现场，用以鉴定地板上被擦拭的血迹，前述血迹便是本例待鉴定的目标范围91’，而包括血迹(目标范围91’)的周边地板区域则释例为特定区域9’。观察者将一个释例为相机加装镜筒的维距遮蔽装置3’放置于地板上、以便将指定的特定区域9’阻光遮蔽。本例的光谱装置1’是架设在维距遮蔽装置3’上，由于光谱装置1’与地板间隔有维距遮蔽装置3’，使光谱仪本体11’能与目标范围91’保持一个固定的操作距离。

除此之外，在本例中释例为摄影机的观测装置5’也设置于维距遮蔽装置3’上，同样通过维距遮蔽装置3’与目标范围91’保持固定观测距离，且在摄影机上设置有一组对应光学镜头51’并释例为一组抽换式发光二极管的激发光源装置2’，所谓抽换式发光二极管是为因应不同的使用需求提供弹性调整的空间，例如供观测装置5’拍摄照片时换上肉眼可见光的发光二极管，用光谱仪本体11’针对血迹拍摄时则更换成870nm的发光二极管。在本例中，光谱仪本体11’供撷取影像的入光通道110’为孔型，而范围标定单元13’是以激光光束通过释例为全相片(Hologram)等绕射元件的光调制器在目标范围91’上发光标定出一个方框状的撷取范围。

实际操作时，由于血迹中的铁质会吸收870nm波长的光能，利用此一特性首先由显示处理装置指令激发光源装置2’对特定区域9’照射波长870nm的光能，同时指令光谱仪本体11’对疑似血迹残留处的目标范围91’进行撷取，于撷取影像光谱资料的瞬间再指令观测装置5’将发光标定有方框状撷取范围的特定区域9’拍摄成照片。最后，由光谱仪本体11’从孔型的入光通道110’撷取方框内的影像光谱资料，随后进行分光、辨识的作业并回传至显示处理装置。若目标范围91’内所撷取到的光能远低于激发光源装置2’所激发光束的正常反射值，便可确认曾有血迹落入目标范围91’内；反过来说若光能正常，则代表前一次目标范围91’可能有误，需转换目标范围91’再次鉴定。

此外，当刑事鉴定人员还要找寻地板上的指纹，亦可更换抽换式发光二极管，改为可以因应特殊颜色指纹粉的发光二极管，使得本例中的摄影机可以针对同一区域进行多种不同检验测试纪录。并且藉由激光光束和全相片将光谱影像和目标范围区域同步精确纪录。

综上所述，本系统光谱装置的撷取与观测装置的拍摄两者作业时机趋近于同步，后续作业得以对照影像光谱资料与照片中被发光标定的目标范围进行相互检证，提高鉴定结果的客观性。而上述的特定区域受到维距遮蔽装置的阻光遮蔽，隔绝外来光的干扰以利光谱装置作业，此外更可以加装专供870nm光波穿透的滤片于光谱装置的入光通道处，藉此压抑影像光谱资料中870nm波长以外的其余波长的透光率，使得波长870nm的光相对凸显、容易辨识。另外，前述的观测装置与光谱仪本体无须通过显示处理装置下达双边指令，可由两者彼此电讯连接，使观测装置与光谱仪本体任一者拍摄时通知另一者进行连动拍摄；而前述的光谱仪本体亦可另撷取特定区域内的非目标范围，以取得与目标范围相互比较、对照的影像光谱资料。

本发明第三较佳实施例的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统请一并参考图5、6所示，本系统亦可应用于荧光生物等观测领域，为因应此领域人士的操作习惯，本例中的维距遮蔽装置3”采用常见的显微镜架以及一个遮罩整合作为一个观察架，让观察者可轻易握持携带显微镜架移动和更换位置，观察架的基座32”处有一特定区域9”，供被观测物例如玻璃材质的培养皿90”摆放，遮罩31”则可环绕遮蔽培养皿90”，藉以隔绝由四面透入的背景杂光，而目标范围91”则释例为培养皿90”中的更小范围，本例中的观测装置5”就是显微镜的镜头部分，包括物镜和目镜。

当设置在遮罩内的激发光源装置(图未示)，针对实验观察的荧光生物如斑马鱼从侧边照光时，观察者便可以肉眼经由观测装置5”观察受维距遮蔽装置3”阻光遮蔽的培养皿内的斑马鱼；最后再由光谱仪本体撷取、辨识培养皿内斑马鱼所发出的荧光影像光谱资料。其中为发光标定若只须配合观察者的肉眼，则范围标定单元便只需发出一道光束，通过释例为一组振镜(Mirror Positioning System)的光调制器，将光束以高速反射至数个点上，藉由观察者的视觉暂留(Persistence of Vision)，便可以标示出本例中的特定区域9”和目标范围91”。

且本例中的光谱装置可以包括多个架设于遮罩31”上的光谱仪本体11”，分别搭配对应的范围标定单元，可将撷取的范围大幅扩展。本例中四个光谱仪本体11”分别撷取培养皿90”的四个相邻区域作为各自的目标范围91”，图式中为便于理解，是将各目标范围91”彼此间隔绘示，但在实际设置时，最好是让各目标范围彼此无间隙相邻，使其辨识范围增大为原来单一光谱仪的四倍，形成一个大范围撷取区域，可防范斑马鱼在培养皿90”内四处游走而增加光谱仪本体的撷取难度，亦可使辨识的像素由单一像素增为四个。

本实施例不但可增加撷取的范围，搭配多台光谱仪本体11”作业还可搜集到更丰富的影像光谱资料；如有需要，甚至让四台光谱仪本体11”分别加装不同的滤片，针对同一目标范围91”分别感测对应不同滤片的波长光束，据此取得更精准详尽的影像光谱资料，并简化作业流程提升使用效率。尤其为因应实验需求，亦可让激发光源装置同时设置有例如紫外光发光二极管、蓝绿光发光二极管、以及白光发光二极管，分别用以激发例如蓝色荧光蛋白、红色荧光蛋白、以及照射白光供操作使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，是与一显示处理装置电讯连接，供撷取并分析一目标范围的影像光谱资料，该摄像系统包括：

一维距遮蔽装置，供阻光遮蔽一特定区域，该特定区域至少包括上述目标范围；及

一光谱装置，包括：

至少一架设于上述维距遮蔽装置的光谱仪本体，使其与上述至少一目标范围保持一固定操作距离；该光谱仪本体形成有一入光通道，供撷取辨识该目标范围的影像光谱资料、并电讯连接传输至上述显示处理装置；

至少一组范围标定单元，是对应上述至少一光谱仪本体且与该对应光谱仪本体保持一固定空间关系设置，且供发光标定上述目标范围；及

一观测装置，是设置于该维距遮蔽装置，使其与上述目标范围保持一固定观测距离，并供同步拍摄上述目标范围的影像资讯传输给上述显示处理装置，与上述目标范围的上述影像光谱资料进行关联。

2.如权利要求1所述的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，更包括一组供照射上述目标范围的激发光源装置。

3.如权利要求2所述的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，其中该观测装置为一电讯连接上述显示处理装置的摄影机，该摄影机具有一组光学镜头，且上述激发光源装置是一组对应前述光学镜头设置的抽换式发光二极管。

4.如权利要求1、2或3所述的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，其中上述光谱装置更包括至少一滤片，是设置于上述入光通道，供改变来自上述目标范围影像资料中，至少一特定波长相较于其余波长的透光率。

5.如权利要求1、2或3所述的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，其中上述范围标定单元包括至少一激光元件。

6.如权利要求5所述的具独立光谱装置及观测装置的摄像系统，其中该范围标定单元更包括一光调制器，供调制上述激光元件所发光束在上述特定区域的成像。

7.一种具范围标定单元的光谱装置，供撷取并分析至少一目标范围的影像光谱资料，是与一显示处理装置电讯连接、并架设于一维距遮蔽装置之上，该维距遮蔽装置是供阻光遮蔽包括至少一个前述目标范围的一特定区域，以及该维距遮蔽装置更设置有一观测装置，使该观测装置与上述目标范围保持一固定观测距离，并供观测上述目标范围，该光谱装置包括：

至少一形成有一入光通道的光谱仪本体，供撷取辨识该目标范围的影像光谱资料、并电讯连接传输至上述显示处理装置；

一组范围标定单元，系与该光谱仪本体保持一固定空间关系设置，且供发光标定上述目标范围，供上述观测装置同步拍摄该目标范围的影像资讯传输给上述显示处理装置，与上述目标范围的上述影像光谱资料进行关联。

8.如权利要求7所述的具范围标定单元的光谱装置，更包括至少一滤片，系设置于上述入光通道，供改变来自上述目标范围影像资料中，至少一特定波长相较于其余波长的透光率。

9.如权利要求7所述的具范围标定单元的光谱装置，其中上述范围标定单元包括至少一激光元件。

10.如权利要求9所述的具范围标定单元的光谱装置，其中该范围标定单元更包括一光调制器，供调制上述激光元件所发光束在上述特定区域的成像。