CN105928880A - 一种折返连续型多模式高光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折返连续型多模式高光谱成像系统，由固定支撑件、传送控制模块、光源模块、光谱成像模块和控制与数据处理中心模块组成。该高光谱多模式成像系统可以实现点散射、反射、透射和交互作用成像模式，从而实现待测样本多种质量与安全指标的同时获取，为试验研究和工业生产提供更加精准的决策。此外，通过更换光源可以实现荧光高光谱成像技术，结合显微成像技术还能实现折返连续型多模式高光谱显微成像系统。在该发明的基础上，采用频闪光源或半导体蚀刻多光谱芯片可以构建对应的多光谱成像系统，满足工业上高通量检测的需求。

Description

一种折返连续型多模式高光谱成像系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像检测技术，更具体地说是涉及一种新型的折返连续型多成像模式的高光谱系统。

背景技术

高光谱成像技术由于可以获得图和谱两方面的丰富信息，因此近些年在农业(Kandpal, et al., Sensors and Actuators B-chemical, 2016, 229: 534-544)、食品(Kamruzzaman, et al., Meat Science, 2016, 116: 110-117)、艺术(Mounier, et al., Color Research and Application, 2016, 41: 302-307)和医学(Nie, et al., Journal of Biomedical Optics, 2013, 18(9), 文献号: 096001)等领域得到了广泛应用。

但是，目前很多高光谱成像系统都采用单模式成像技术进行研究或应用。高光谱反射成像技术由于结构简单，现较多已申请的发明专利(申请号: 201010117612.0)和已报道的实际应用(申请号: 201310362936.4)都是基于该成像模式。其他高光谱成像模式，如(漫)透射、交互作用成像、点散射、荧光成像等模式应用较少。然而，不同的成像模式可以获得检测样本不同层次和不同层面的信息，将不同成像模式相结合进行研究或应用可以获得待检测样本更多的信息，从而提高准确率和精确率。比如，在实际应用中，结合高光谱反射和透射成像模式可以分别获取待检测样本的浅表面和内部信息，这在蓝莓的研究中已经得到应用(Leiva-Valenzuela, et al., Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2014, 24: 2-13; Hu, et al., Postharvest Biology and Technology, 2015, 106: 1-10)。同时，也已有高光谱反射、交互作用和漫透射模式相结合的成像系统，但是现报道的这个三模式结合的系统是间歇非连续式的(Hu, et al., Postharvest Biology and Technology, 2016, 115: 122-131)，这种非连续型的三模式高光谱系统在实验室使用时会带来较大的工作量，更不适用于实际生产应用。目前，将四种及四种以上的高光谱成像模式整合到一个系统中，进行连续性成像的研究还未见有报道。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种折返连续型的多成像模式高光谱成像系统，通过该系统就能实现生产流水线中的多个质量和安全指标的同时获取。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种折返连续型多模式高光谱成像系统，特点是该系统包括固定支撑件、传送控制模块、光源模块、光谱成像模块和控制与数据处理中心模块，其中：

a）所述固定支撑件包括机架、平板、支架、横梁、固定板、可调节支架和连接横梁，平板固定于机架上；支架上设有滑槽，并对称设于平板两侧；两支架顶部固定有连接横梁，连接横梁上设有固定板；横梁设于固定板上；可调节支架设于平板底部。

b）所述传送控制模块包括导轨、移动样品台和位移与光控传感器，导轨设于平板上；移动样品台设于导轨上；位移与光控传感器设于平板一侧的前后两端；

c）所述光源模块包括反射线光源、点散射光源、漫透射线光源、交互作用线光源、可移动遮光板和光源发生单元，可移动遮光板设于支架的滑槽内；光源发生单元放置于机架旁，并通过光纤分别与反射线光源、点散射光源、漫透射线光源及交互作用线光源相连；漫透射线光源固定于可调节支架上；反射线光源对称设于横梁底部；点散射光源固定于反射线光源上；交互作用线光源设于横梁底部；所述光源发生单元包括光源发生器及遮光板，遮光板设于光源发生器上；

d）所述光谱成像模块为光谱成像相机或以半导体蚀刻为核心技术的多光谱成像相机，固定于横梁上；

e）所述控制与数据处理中心模块为PC机或其他微处理芯片，通过有线传输方式与光谱成像模块进行高光谱图像数据通讯；通过无线或有线传输方式与位移与光控传感器进行数据通讯。

所述光源模块可以是荧光或激光光源，从而实现荧光多模式高光谱成像系统。

本发明的多模式高光谱成像系统，可以结合显微成像技术，实现微观尺度上的多模式高光谱成像；

本发明的多模式高光谱成像系统，通过采用频闪光源或半导体蚀刻技术可以构建相应的多光谱成像系统。

本发明的有益效果是：1) 一种折返连续型多模式高光谱成像系统，为实验室研究和生产实际应用中多指标信息获取的高光谱成像系统的建立提供了一种解决思路，这是以往科技报道和相关文献中没有涉及的；2) 本发明采用折返路径的方式实现了多模式高光谱成像系统，只需要采用一个高光谱成像系统模块，可以较大程度地降低仪器购买的成本，从而扩大该技术的使用范围；3) 除点散射模式不适用于颗粒和小块固体样品外，本发明适用于所有生物和非生物样品；4) 在该折返式连续型多模式高光谱成像系统的基础上，采用频闪光源或半导体蚀刻多光谱芯片可以构建对应的多高光谱成像系统，从而可以满足高通量的工业在线实时监测需求；5) 在该系统的基础上，采用紫外或激光光源，可以实现荧光成像，满足大多数基础研究的需要；6) 在该系统的基础上，缩小系统尺寸并配合显微成像技术，可以搭建出折返型多模式高光谱显微成像系统，实现微观尺度的研究和应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为本发明移动样品台位移路径图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

参阅图1-4，本发明包括固定支撑件、传送控制模块、光源模块、光谱成像模块、控制与数据处理中心；所述固定支撑件包括机架1、平板2、支架5、横梁7、固定板8、连接横梁18和可调节支架13，机架1表面涂有黑色的亚光涂层；平板2的四周为不锈钢材质并涂有黑色亚光材料，当中与移动样品台4等宽处为透明亚克力玻璃材质；支架5、横梁7、固定板8和连接横梁18用于支撑光谱成像模块和光源模块，可调节支架13用于漫反射线光源的位置和角度的调节，为不锈钢材质并涂有黑色亚光材料。

传送控制模块包括导轨3、移动样品台4和位移与光控传感器15，导轨3为不锈钢材质并涂有黑色亚光材料；移动样品台4为透明亚克力玻璃材质；位移与光控传感器15可以控制移动样品台4的折返路径和切换光源模块的开启与关闭；传送控制模块的控制由控制与数据处理中心执行。

光源模块包括反射线光源10、点散射光源12、交互作用线光源11、可移动遮光板16、漫透射线光源14和光源发生单元，光源发生单元包括光源发生器19和遮光板20；所有的光源都在发射处加装一块聚光板，来增强发射光的强度。反射线光源10安装在横梁7上，其角度和位置都可沿着横梁7调节；点散射光源12安装于右侧的反射线光源10上，其反射口有圆形聚光器；交互作用线光源11装于横梁7，其光源发射出口垂直于移动样品台4，可移动遮光板6置于支架5上，可阻挡大部分交互作用成像模式中所产生的多余反射光，使交互作用光占据主导；漫透射线光源14安装于可调节支架13上，其角度和位置都可沿着该支架调节；所有成像模式的光源模块通过光纤与光源发生单元相连，该单元中的遮光板20由控制与数据处理中心16进行协调，从而实现不同高光谱成像模式的单独执行。

成像方式采用线扫描，获取的图和谱信息通过无线或有线方式传输到控制与数据处理中心16从而实现数据重建，再进行数据分析处理，得出最终决策。

控制与数据处理中心16用于调节各模块功能的正常运行。

折返移动路径为三次：第一次移动可进行点散射和交互作用两个成像模式，第二次移动可进行反射成像模式，第三次移动可进行漫透射成像模式。成像次序及折返移动路径可以根据实际用途调整。

实施例1

以里脊肉(猪肉)的质量与安全指标检测为例，根据所得的综合性品质指标将里脊肉进行分级。

参阅图1-3，系统开始工作前，结合待测样本的特征，手动调节可移动遮光板6、光谱成像相机9、点散射光源12、交互作用线光源11、可调节漫透射光源支架13、漫透射线光源14、位移与光控传感器15、反射线光源10的位置及角度，使之达到最优测试条件；检查控制与数据处理中心16，使之能够正确运行；开启光源发生器19进行预热，使之工作时有稳定的光源输出。此处，光源模块的光源可以是卤素灯、荧光和激光光源。

参阅图1及图4，里脊肉置于移动样品台4，当移动样品台4移动至左边的位移与光控传感器15处，位移与光控传感器15通过有线或无线传输方式将触发信号输送至控制与数据处理中心16，控制与数据处理中心16发送指令至光源发生器19和遮光片20，使之按照图4所示的序列依次控制点散射光源12、交互作用线光源11、反射线光源10和漫透射线光源14的开启和关闭；右边的位移与光控传感器15控制移动样品台4的折返。

参阅图1，右边的位移与光控传感器15感应到该里脊肉完成四种高光谱数据的获取后，由控制与数据处理中心16发送放行指令，使之进入后续加工或分级包装流水线17，进行分级和产品的最后包装。

在实际操作过程中，当生产流水线系统对检测的准确率要求不高或需要满足更快的检测速度时，可以通过相关的光谱特性提取算法获得几个特征相应的波长，然后采用频闪光源或以半导体蚀刻为核心技术的光谱成像相机，构建相应的多模式高光谱成像系统。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种折返连续型多模式高光谱成像系统，其特征在于该系统包括固定支撑件、传送控制模块、光源模块、光谱成像模块和控制与数据处理中心模块，其中：

a）所述固定支撑件包括机架(1)、平板(2)、支架(5)、横梁(7)、固定板(8)、可调节支架(13)和连接横梁(18)，平板(2)固定于机架（1）上；支架（5）上设有滑槽，并对称设于平板（2）两侧；两支架（5）顶部固定有连接横梁(18)，连接横梁(18)上设有固定板（8）；横梁(7)设于固定板（8）上；可调节支架(13)设于平板（2）底部；

b）所述传送控制模块包括导轨(3)、移动样品台(4)和位移与光控传感器(15)，导轨（3）设于平板（2）上；移动样品台（4）设于导轨（3）上；位移与光控传感器(15) 设于平板（2）前后两端；

c）所述光源模块包括反射线光源(10)、点散射光源(12)、漫透射线光源(14)、交互作用线光源(11)、可移动遮光板(6)和光源发生单元，可移动遮光板(6)设于支架(5)的滑槽内；光源发生单元放置于机架（1）旁，并通过光纤分别与反射线光源(10)、点散射光源(12)、漫透射线光源(14)及交互作用线光源(11)相连；漫透射线光源(14)固定于可调节支架(13)上；反射线光源(10)对称设于横梁(7)底部；点散射光源(12)固定于反射线光源(10)上；交互作用线光源(11)设于横梁(7)底部；所述光源发生单元包括光源发生器（19）及遮光板(20)，遮光板(20)设于光源发生器（19）上；

d）所述光谱成像模块为光谱成像相机或以半导体蚀刻为核心技术的多光谱成像相机（9），固定于横梁(7)上；

e）所述控制与数据处理中心模块（16）为PC机或其他微处理芯片，通过有线传输方式与光谱成像模块进行高光谱图像数据通讯；通过无线或有线传输方式与位移与光控传感器(15)进行数据通讯。

2.根据权利要求1所述的折返连续型多模式高光谱成像系统，其特征在于：所述光源模块为卤素光、荧光、激光或频闪光源。