CN106996915A - 一种拍照式智能光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱分析技术领域，一种拍照式智能光谱分析系统。它包括同时置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并分别与系统控制器电连接的光谱传感器和图像传感器、置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并与成像和光线压缩透镜组同轴分布的准直透镜组、置于准直透镜组的出光侧的全反射镜组、置于全反射镜组的反光侧的光谱分离镜、置于光谱分离镜与光谱传感器的感光面之间并与光谱分离镜同轴分布的成像压缩透镜组。本发明的系统在对目标物进行拍照的同时，可对目标物的物质成分及含量进行精确快速的分析，而且，利用各个组成部件之间的配合，可有效提高系统的灵敏度及检测精度，系统的方向性也得到了有效的提升，能够对准被检测物。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，一种拍照式智能光谱分析系统。
背景技术
在物质条件极大满足现代生活需要的今天，人们对健康的关注越来越重视了。由于物质条件的优越，人们吃的东西越来越丰富，很多以前从来不敢想象的生活都得以实现。虽然这样，但人们的健康状况却没有得到大的提高，各种疾病(如癌症等)使很多生活富足的人们承受着前所未有的病痛折磨。究其原因，主要是在追求高效及高利益等因素的驱使下，我们所食用的食品中的农药残留量过大，我们的药品加工环境受到了污染而造成了药效的下降及毒副作用的增加；我们的疾病痛苦大多是吃出来的，不管是吃的食物还是药品，大量的有毒物质进入人体后，使得人体不堪承受。
因此，为了能够高效、快捷地检测出有毒物质，如蔬菜水果中的残留农药、农副产品中所打入的保鲜剂、食物中被过量添加的食用或工业添加剂以及过期、毒副作用过大、受污染及药效过低等药品，通常会采用化学检测法和光谱分析法。其中，化学检测法主要存在如下缺陷：1、对被检测物质的成分和含量的检测是一个非常复杂的过程，时间周期一般是以天来计；2、对每一种想要分析鉴定的物质成分和含量都要进行一系列的化学试验，如果没有进行针对性的检验，就不能确定是否存在此物质成分及其含量；3、化学检测法一定会产生化学反应，这就需要一定数量的原物质样品，产生化学反应后，原物质样品就会损失掉，且任何化学反应都是需要物质接触和器械接触的，所以容易造成物质成分被沾染。
相较于化学检测法，光谱分析法因其所具有的检测速度快、被检测物无损耗且不易被污染、检测结果准确等诸多特点而逐渐被广泛应用。然而，光谱分析法一般需要一束比较细的平行光，传统的做法是用狭缝产生一束厚度比较小、宽度较宽的平行光；此种做法虽然简单易行，但也存在很多缺点，如：1、平行光的平行度不够，容易造成光谱弥散及影响特征频点，进而导致检测结果误差大、检测精度低；2、散射光亮度低，细的光束本来亮度就弱，分成不同的色光后，单色光的亮度就更低了，最终会因传感器的灵敏度不够而出现检测误差；3、方向性差，不易对准被检测的物质。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种拍照式智能光谱分析系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种拍照式智能光谱分析系统，它包括图像传感器、光谱传感器、用于控制图像传感器对目标物的图像进行读取并控制光谱传感器对目标物的光谱特征数据进行读取的系统控制器、通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上并同时将成像光线中的部分相互平行的光线压缩成复色光束的成像和光线压缩透镜组、用于将成像和光线压缩透镜组压缩成型的复色光束准直为复色平行光束的准直透镜组、用于对复色平行光束进行光路角度调整的全反射镜组、用于将经由全反射镜组反射的复色平行光束分离成平行光彩带的光谱分离镜以及用于将平行光彩带聚焦成彩色光斑后投射到光谱传感器的感光面上的成像压缩透镜组；
所述光谱传感器和图像传感器均置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并分别与系统控制器电连接，所述准直透镜组置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并与成像和光线压缩透镜组同轴分布，所述全反射镜组置于准直透镜组的出光侧，所述光谱分离镜置于全反射镜组的反光侧，所述成像压缩透镜组置于光谱分离镜与光谱传感器的感光面之间并与光谱分离镜同轴分布。
其中，优选方案为：所述成像和光线压缩透镜组为一成像透镜组，所述成像透镜组通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上并同时将部分成像光线压缩成复色光束，所述准直透镜组置于成像透镜组的出光侧并与成像透镜组同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；
所述全反射镜组包括前级全反射镜和后级全反射镜，所述前级全反射镜置于准直透镜组与图像传感器之间以将经由准直透镜组准直后形成的复色平行光束作90°的光路转向，所述后级全反射镜置于前级全反射镜的反光侧并将复色平行光束作光路转向后投射到光谱分离镜上，所述光谱分离镜置于后级全反射镜的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。
其中，优选方案为：所述成像和光线压缩透镜组包括一置于图像传感器的感光面侧的成像透镜组和一置于光谱传感器的感光面侧并与成像透镜组并行分布的光线压缩透镜组，所述成像透镜组通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上，所述光线压缩透镜组将目标物反射的光线进行压缩后形成复色光束，所述准直透镜组置于光线压缩透镜组的出光侧并与光线压缩透镜组同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；
所述全反射镜组包括前级全反射镜和后级全反射镜，所述前级全反射镜置于准直透镜组的出光侧并将复色平行光束作90°的光路转向，所述后级全反射镜置于前级全反射镜的反光侧并将复色平行光束光路转向后投射到光谱分离镜上，所述光谱分离镜置于后级全反射镜的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。
其中，优选方案为：它还包括一用于向目标物投射光线的辅助光源，所述辅助光源与系统控制器电连接并受控于系统控制器。
其中，优选方案为：所述光谱分离镜为色散棱镜或衍射光栅。
其中，优选方案为：它还包括分别与系统控制器相连并受控于系统控制器的用于对光谱分析数据和目标物成像数据进行显示的系统显示器、用于接收外部控制指令并将控制指令传递给系统控制器的控制按键以及分别向系统显示器、系统控制器和辅助光源提供工作电压的电源管理器。
由于采用了上述方案，本发明的系统在对目标物进行拍照的同时，可对目标物的物质成分及含量进行精确快速的分析，而且，利用各个组成部件之间的配合，可有效提高系统的灵敏度及检测精度，系统的方向性也得到了有效的提升，能够对准被检测物；其系统结构简单、功能集成度高，不但可以集成于智能手机上，也可单独作成小巧的拍照检测设备，极大地提高了成型设备的集成度及携带使用的便利性，具有很强的实用价值和市场推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例的控制原理框图；
图2是本发明实施例的第一种系统部件结构布局及系统光路示意图；
图3是本发明实施例的第二种系统部件结构布局及系统光路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2和图3所示，本实施例提供的一种拍照式智能光谱分析系统，它包括图像传感器1、以对可见光和近红外光敏感的高分辨率CCD器件或CMOS器件为主要组成元件的光谱传感器2、用于控制图像传感器1对目标物A的图像进行读取并控制光谱传感器2对目标物A的光谱特征数据进行读取的系统控制器3、通过目标物A反射的光线对目标物A进行成像后将成像光线投射到图像传感器1上并同时将成像光线中的部分相互平行的光线压缩成复色光束的成像和光线压缩透镜组、用于将成像和光线压缩透镜组压缩成型的复色光束准直为复色平行光束的准直透镜组4、用于对复色平行光束进行光路角度调整的全反射镜组、用于将经由全反射镜组反射的复色平行光束分离成平行光彩带的光谱分离镜5以及用于将平行光彩带聚焦成彩色光斑后投射到光谱传感器2的感光面上的成像压缩透镜组6；其中，光谱传感器2和图像传感器1均置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并分别与系统控制器3电连接，准直透镜组4置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并与成像和光线压缩透镜组同轴分布，全反射镜组置于准直透镜组4的出光侧，光谱分离镜5置于全反射镜组的反光侧，成像压缩透镜组6置于光谱分离镜5与光谱传感器2的感光面之间并与光谱分离镜5同轴分布。
由此，可利用成像和光线压缩透镜组在与图像传感器1的配合下完成对目标物拍照的同时，通过成像和光线压缩透镜组将目标物A反射的部分光线直接由毫米级的光束压缩成微米级的光束以形成复色光束(在此过程中也同时提高了复色光束的光线的能量照度，避免光谱传感器2因灵敏度的问题而影响最终的检测精度)，而后利用准直透镜组4在对复色光束进行准直的同时将有一定夹角的不平行光去除，从而形成复色平行光束，再利用全反射镜组将复色平行光束的光路进行调整、通过光谱分离镜5将复色平行光束按波长分离成色散光束(即：平行光彩带)以及利用成像压缩透镜组6将平行光彩带聚焦成彩色光斑后，以最终被光谱传感器2所接收；而光谱传感器2则会在系统控制器3的控制下依次读出各个彩色光斑的亮度值，利用系统控制器3的硬件载体以及对其功能的设计，使其能够对光谱传感器2所读取到的数据进行分析计算，以最终得出目标物A的光谱特征数据，从而判定目标物A的组成成分及含量；与此同时，系统控制器2可通过图像传感器1获取目标物A的图像，使得整个系统在运作时可同时将光谱分析结果与目标物A的成像结果相对应。
基于此，本实施例的系统可具有以下有益效果：1、在对目标物A进行拍照的同时，可对目标物A的物质成分及含量进行精确快速的分析，基于系统的结构形式，可将整个系统集成于智能手机上，也可单独作成小巧的拍照检测设备，极大地提高了成型设备的集成度以及携带使用的便利性；2、利用各个组成部件之间的配合，可有效提高系统的灵敏度及检测精度，系统的方向性也得到了有效的提升，使其能够对准被检测物(即：目标物A)。
为最大限度地丰富整个系统的结构形式，本实施例的成像和光线压缩透镜组可根据具体情况采用不同的形式，具体为：
实施例一，如图2所示，成像和光线压缩透镜组为一成像透镜组7，成像透镜组7通过目标物A反射的光线对目标物A进行成像后将成像光线投射到图像传感器1上并同时将部分成像光线压缩成复色光束，准直透镜组4则置于成像透镜组7的出光侧并与成像透镜组7同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；而全反射镜组则包括前级全反射镜8和后级全反射镜9，前级全反射镜8置于准直透镜组4与图像传感器2之间以将经由准直透镜组4准直后形成的复色平行光束作90°的光路转向，后级全反射镜9置于前级全反射镜8的反光侧并将复色平行光束作特定角度(如：30°-45°)的光路转向后投射到光谱分离镜5上，光谱分离镜5置于后级全反射镜9的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。由此，可使得整个系统中供光谱检测分析用的光路和目标物A成像用的光路呈同轴分布的形式，不但有利于降低整个系统的结构复杂性、提高整个系统的部件集成度，而且能够使系统在拍照时能够更为准确地对准目标物A；当然，本实施例中的全反射镜对光路转向的角度可依据图像传感器1和光谱传感器2相互间的布置方位来作具体的调整。
实施例二，如图3所示，成像和光线压缩透镜组包括一置于图像传感器1的感光面侧的成像透镜组7和一置于光谱传感器2的感光面侧并与成像透镜组7并行分布的光线压缩透镜组10(其与成像透镜组7共用)，成像透镜组7通过目标物A反射的光线对目标物A进行成像后将成像光线投射到图像传感器2上，而光线压缩透镜组10则将目标物A反射的光线进行压缩后形成复色光束，准直透镜组4置于光线压缩透镜组10的出光侧并与光线压缩透镜组10同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；全反射镜组包括前级全反射镜8和后级全反射镜9，前级全反射镜8置于准直透镜组4的出光侧并将复色平行光束作90°的光路转向，后级全反射镜9置于前级全反射镜8的反光侧并将复色平行光束作特定角度(如：45°)的光路转向后投射到光谱分离镜5上，光谱分离镜5置于后级全反射镜9的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。由此，可使得整个系统中供光谱检测分析用的光路和目标物A成像用的光路呈平行分立式的形式，利用设置的光线压缩透镜组10专门对目标物A反射的光线进行压缩以形成复色光束，从而有利于提高最终投射到光谱传感器2上的光斑的亮度，且成像光路和光谱光路独立分开，相互间互不影响，能够为系统的安装、调试及维护提供极大地便利。
为保证系统在夜间等黑暗环境中依然能够对目标物A进行检测和拍照，同时避免光谱传感器2在此环境中出现光学灵敏度不足的问题；本实施例的系统还包括一用于向目标物A投射光线的辅助光源11，辅助光源11与系统控制器3电连接并受控于系统控制器3。由此，在环境亮度不足时，可通过系统控制器3控制开启辅助光源11，以将目标物A照亮，从而不但有利于提高系统的检测精度和效率，同时也提高了对目标物A进行拍照后的图像质量，使整个系统能够全天候地进行拍照和检测。
为保证光谱分离镜5的色散分离性能，作为优选方案，光谱分离镜5可采用具有高色散性能的色散棱镜或高色散性能的衍射光栅。
另外，为最大限度地丰富整个系统的实用功能，本实施例的系统还包括分别与系统控制器3相连并受控于系统控制器3的系统显示器12、控制按键13和电源管理器14；其中，利用系统显示器12可用于显示系统的工作状态以及光谱分析数据和目标物A成像数据等等，利用控制按键13可接收外部的控制指令并将控制指令传递给系统控制器3，以满足用户对系统操作的需求，而电源管理器14则可为系统的各个用电元器件提供稳定的工作电源，保证系统的各个组成部分能够协调有效地工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：它包括图像传感器、光谱传感器、用于控制图像传感器对目标物的图像进行读取并控制光谱传感器对目标物的光谱特征数据进行读取的系统控制器、通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上并同时将成像光线中的部分相互平行的光线压缩成复色光束的成像和光线压缩透镜组、用于将成像和光线压缩透镜组压缩成型的复色光束准直为复色平行光束的准直透镜组、用于对复色平行光束进行光路角度调整的全反射镜组、用于将经由全反射镜组反射的复色平行光束分离成平行光彩带的光谱分离镜以及用于将平行光彩带聚焦成彩色光斑后投射到光谱传感器的感光面上的成像压缩透镜组；
所述光谱传感器和图像传感器均置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并分别与系统控制器电连接，所述准直透镜组置于成像和光线压缩透镜组的出光侧并与成像和光线压缩透镜组同轴分布，所述全反射镜组置于准直透镜组的出光侧，所述光谱分离镜置于全反射镜组的反光侧，所述成像压缩透镜组置于光谱分离镜与光谱传感器的感光面之间并与光谱分离镜同轴分布。
2.如权利要求1所述的一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：所述成像和光线压缩透镜组为一成像透镜组，所述成像透镜组通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上并同时将部分成像光线压缩成复色光束，所述准直透镜组置于成像透镜组的出光侧并与成像透镜组同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；
所述全反射镜组包括前级全反射镜和后级全反射镜，所述前级全反射镜置于准直透镜组与图像传感器之间以将经由准直透镜组准直后形成的复色平行光束作90°的光路转向，所述后级全反射镜置于前级全反射镜的反光侧并将复色平行光束作光路转向后投射到光谱分离镜上，所述光谱分离镜置于后级全反射镜的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。
3.如权利要求1所述的一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：所述成像和光线压缩透镜组包括一置于图像传感器的感光面侧的成像透镜组和一置于光谱传感器的感光面侧并与成像透镜组并行分布的光线压缩透镜组，所述成像透镜组通过目标物反射的光线对目标物进行成像后将成像光线投射到图像传感器上，所述光线压缩透镜组将目标物反射的光线进行压缩后形成复色光束，所述准直透镜组置于光线压缩透镜组的出光侧并与光线压缩透镜组同轴分布以将复色光束准直为复色平行光束；
所述全反射镜组包括前级全反射镜和后级全反射镜，所述前级全反射镜置于准直透镜组的出光侧并将复色平行光束作90°的光路转向，所述后级全反射镜置于前级全反射镜的反光侧并将复色平行光束作光路转向后投射到光谱分离镜上，所述光谱分离镜置于后级全反射镜的反光侧以将复色平行光束分离成平行光彩带。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：它还包括一用于向目标物投射光线的辅助光源，所述辅助光源与系统控制器电连接并受控于系统控制器。
5.如权利要求4所述的一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：所述光谱分离镜为色散棱镜或衍射光栅。
6.如权利要求4所述的一种拍照式智能光谱分析系统，其特征在于：它还包括分别与系统控制器相连并受控于系统控制器的用于对光谱分析数据和目标物成像数据进行显示的系统显示器、用于接收外部控制指令并将控制指令传递给系统控制器的控制按键以及分别向系统显示器、系统控制器和辅助光源提供工作电压的电源管理器。
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2017
- 2017-05-19 CN CN201710358818.4A patent/CN106996915A/zh active Pending
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