CN108593104A - 一种小型高信噪比手持式光谱检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，该系统包括光学小孔、准直透镜、衍射光栅、成像镜头以及无线型面阵相机。光学小孔射出的光线经准直透镜照射到衍射光栅上，衍射光栅将光线经成像镜头衍射到无线型面阵相机上。在硬件模块中，使用经典的衍射光栅分光系统与无线式面阵相机组合，获取光谱图像。在程序模块中，首次使用前需要使用光谱图像校正与波长校正处理光谱图像，获取准确光谱信号。在正常使用过程中，对每一副获取图像需要采用低通滤波以及背景扣除方法提高信噪比，实现微弱光谱的检测。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种小型高信噪比手持式光谱检测系统。
背景技术
光电信号检测在工业、医疗以及生活中有着重要的应用。当前，在医疗领域，即时在线检测为偏远地区以及居住家里的患者提供了无需到医院就能诊断的可能。在工业生产领域，对荧光剂开展在线光谱检测，可以快速获取荧光剂的光谱信号，当发生产品质量问题时，可及时的通过光谱信号获知，辅助生产线提高生产质量。为了实现在线式检测，人们一直在积极研发小型化光电探测系统，并已有不少文献资料报道了相关工作。然而，许多小型化探测系统在缩小系统尺寸的同时，也不可避免的损失了系统的探测性能。因此，许多小型化系统无法以较高的信噪比探测微弱的光学信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种小型高信噪比手持式光谱检测系统。该系统采用衍射光栅作为分光元件，使用无线型相机作为主要的光电转换模块。在获取N张光谱图像后，，N为自然数，使用背景扣除方法，提高探测光谱的信噪比。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，该系统包括光学小孔1、准直透镜2、衍射光栅3、成像镜头4以及无线型面阵相机5。光学小孔1射出的光线经准直透镜2照射到衍射光栅3上，衍射光栅3将光线经成像镜头4衍射到无线型面阵相机5上。
所述光学小孔1是一种光机元件，其主体为发黑的阳极铝氧铝片，在铝片中间设有一个小孔，小孔的直径小于1mm。
所述准直透镜2是一种消色差双胶合透镜，准直透镜的前焦面与小孔位置重合，用于准直穿过小孔的光线，使光线准直传输。
所述衍射光栅3是一种周期性刻线的光学元件，其光栅周期为M线/mm，M是一个自然数，准直光线到达衍射光栅后会产生衍射，不同波长的光线具有不同的衍射角，衍射角与波长之间的关系满足经典的光栅衍射公式。
所述无线型面阵相机5，是一种光电转换元件，该无线型面阵相机5上有Xnum×Ynum个像素，Xnum与Ynum均为自然数。所有的像素分布在一个矩形空间内，矩形的纵轴方向与衍射光栅的刻线方向平行。无线型面阵相机5获取的光谱图像定义为矩阵Img，该矩阵Img的维度为Xnum×Ynum。
实现该系统检测的方法包括光谱图像校正模块、波长校正模块、低通滤波模块、背景扣除模块以及重复检测模块五个模块。
所述光谱图像校正模块是在首次使用该系统之前，在系统前放置高亮度的具有连续光谱的光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像。针对光谱图像的每一列的数值向量，使用最大值搜索算法，提取每一列上最大值出现的位置，将每一列的最大值位置依次存储在向量ValueID中，该向量的维度为Xnum×1。
所述波长校正模块是在首次使用该系统前，光谱图像校正后，在系统前放置具有线光谱的光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像。针对光谱图像的第j列的数值向量，j是一个取值范围为1到Xnum的自然数，提取第ValueID[j]个像素数值，保存到向量Spec0的第j个元素中，Spec0是一个元素数目为Xnum的向量；针对光谱图像的每一列重复上述步骤，得到一个线状光谱向量Spec0，该线状光谱向量Spec0的维度为Xnum×1。该线状光谱向量具有L个峰值，L为大于1自然数，每个峰值对应一个像素位置，记为[x0,x1,...,xL]。通过线状光谱向量，并比对标准的线光谱光源的光谱数据，手动将该向量中的局部极大值的像素位置与真实波长对应起来，得到L个峰值的真实波长，记为[λ0,λ1,...,λL]。
向量的像素位置与波长的关系式如下：
wavelength(λ)＝a0+a1x+a2x2+a3x3
其中x表示像素位置。该关系式为多项式，a0,a1,a2,a3为多项式的拟合参数，在获取了L对像素位置与波长数值后，将xi代入该关系式的等号右边，等号左边的数值等于λi，i为取值范围1到L的自然数。L个等式中，a0,a1,a2,a3为未知参数。针对这L个等式，利用最优化算法，求解未知的拟合参数a0,a1,a2,a3。
所述低通滤波模块是在使用该系统时，在获取光谱图像后，针对图像矩阵Img的每一列，使用低通滤波算法，去除其高频噪声，得到新的图像矩阵FImg，新的图像矩阵FImg的维度为Xnum×Ynum。
所述背景扣除模块，是在低通滤波步骤后，针对图像矩阵FImg的第j列，去除该列向量中第ValueID[j]-k到第ValueID[j]+k的数值，k为自然数，对剩余的向量取平均值，得到结果avg，然后将FImg第j列的每一个数值减去avg，实现背景扣除。
所述重复检测模块，是在完成低通滤波和背景扣除后，如果光谱数据的信噪比依然不佳，重复拍摄光谱图像Img，并重复低通滤波和背景扣除步骤，将新的处理结果与之前的处理结果相加。从重复检测的处理结果中可以得到高信噪比的光谱曲线。
通过本发明具体的有益效果如下所述：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出小型高信噪比手持式光谱检测系统。该系统分为硬件模块与程序模块。在硬件模块中，使用经典的衍射光栅分光系统与无线式面阵相机组合，获取光谱图像。在程序模块中，首次使用前需要使用光谱图像校正与波长校正处理光谱图像，获取准确光谱信号。在正常使用过程中，对每一副获取图像需要采用低通滤波、背景扣除以及重复检测方法提高信噪比，实现微弱光谱的检测。
附图说明
图1为小型高信噪比手持式光谱检测系统硬件模块示意图。
图2为小型高信噪比手持式光谱检测系统程序模块示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例
一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，如图1所示，硬件系统包括如下模块：光学小孔1、准直透镜2、衍射光栅3、成像镜头4以及无线型面阵相机5。
所述光学小孔，是一种光机元件，其主体为发黑的阳极铝氧铝片，在铝片中间有一个小孔，孔的直径小于1mm。
所述准直透镜，是一种消色差双胶合透镜，准直透镜的前焦面与小孔位置重合，用于准直穿过小孔的光线，使光线准直传输。
所述衍射光栅，是一种周期性刻线的光学元件，其光栅周期为M线/mm(M是一个自然数)，准直光线到达衍射光栅后会产生衍射，不同波长的光线具有不同的衍射角，衍射角与波长之间的关系满足经典的光栅衍射公式。
所述无线式面阵相机，是一种光电转换元件，该器件上有Xnum×Ynum(Xnum与Ynum为自然数)个像素，所有的像素分布在一个矩形空间内，矩形的纵轴方向与衍射光栅的刻线方向平行。无线式面阵相机获取的光谱图像定义为矩阵Img，该矩阵的维度为Xnum×Ynum。
一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，如图2所示，在获取图像后，其算法模块包括光谱图像校正模块、波长校正模块、低通滤波模块、背景扣除模块以及重复检测模块五个模块。
所述光谱图像校正模块，是在首次使用该系统之前，在系统前放置高亮度的具有卤素光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像。针对光谱图像的第j列(j是一个取值范围为1到Xnum的自然数)的数值向量，定义为ImgArray，该向量的维度为Ynum×1，使用最大值搜索算法，提取每一列上最大值出现的位置，具体算法阐述如下：
通过上述程序，得到光谱图像的第j列的数值向量的最大值出现在maxID位置，将maxID的数值存储在向量ValueID的第j个元素中。上述算法依次作用于矩阵Img的第一列到第Xnum列，最后得到向量ValueID，该向量的维度为Xnum×1。在获取每一副光谱图像后，可在第j列数据中的第ValueID[j]号像素中提取光谱数据向量，定义为Spec，该向量的维度为Xnum×1。
所述波长校正模块，是在首次使用该系统前，光谱图像校正后，在系统前放置汞灯光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像。针对光谱图像的第j列的数值向量，提取第ValueID[j]号像素数值，保存到向量Spec的第j个元素中(Spec是一个向量的维度为Xnum×1的向量)。针对光谱图像的每一列重复上述步骤，得到一个线状光谱向量Spec。通过线状光谱向量，并比对标准的线光谱光源的光谱数据，分别找出汞灯的特征线光谱404nm，435nm，546nm，576nm，623nm对应的像素位置，分别将像素位置定义为Id404,Id435,Id546,Id576,Id623,上述参数均为数值范围在1到Xnum的自然数。利用上述5个线光谱波长与像素位置对，结合最小二乘法，可求解关系式为wavelength(λ)＝a0+a1x+a2x2+a3x3表示，中的参数a0,a1,a2,a3。在获得参数a0,a1,a2,a3后，依次将1到Xnum的自然数代入关系式的x中，得到Xnum个光谱数值，保存在向量wave中，该向量的维度为Xnum×1。在正常工作时，每次采集光谱图像后，可利用前面所说明的方法提取向量Spec以及wave，其中wave为光谱数据横坐标数值，Spec为光谱数据纵坐标数值。
所述低通滤波模块，是在正常使用该系统时，在获取光谱图像后，针对图像矩阵Img的第j列，定义为ImgArray，利用FFT算法处理该向量，得到新向量FFTImgArray，该向量的维度为Xnum×1。在向量FFTImgArray中，低频向量位于中间位置，将向量FFTImgArray的第1号到第Xnum/2-Low号数值设置为0，第Xnum/2+Low号数值设置为0，实现低通滤波。Low为取值范围在1-Xnum/2-1内的自然数。再对处理过的向量FFTImgArray使用逆FFT算法，得到新的向量iImgArray，替换Img的第j列。上述方法依次作用于Img的第1列到第Xnum列，得到新的图像矩阵FImg，该矩阵的维度为Xnum×Ynum。
所述背景扣除模块，是在低通滤波步骤后，针对图像矩阵FImg的第j列，定义为FImgArray，去除该列向量中第ValueID[j]-k到第ValueID[j]+k的数值(k为自然数)，对剩余的向量取平均值，得到结果avg，然后将FImgArray中的每一个数值减去avg。上述算法依次作用于FImgArray的第1列到第Xnum列，实现背景扣除，背景扣除后的图像矩阵定义为FImg2，该矩阵的维度为Xnum×Ynum。
所述重复检测模块，是在完成低通滤波和背景扣除后，如果光谱数据的信噪比依然不佳，可以拍摄P张光谱图像Img1,Img2,…Imgp，其中P为大于1的自然数，对每一张光谱图像使用低通滤波和背景扣除步骤，得到FImg21,FImg22,…,FImg2p。使用式子FImg2A＝(FImg21+FImg22+…+FImg2p)/P，得到加权平均的光谱图像FImg2A，该矩阵的维度为Xnum×Ynum。针对光谱图像FImg2A的第j列的数值向量，提取第ValueID[j]号像素数值，保存到向量Spec的第j个元素中(Spec是一个向量的维度为Xnum×1的向量)。针对光谱图像的每一列重复上述步骤，得到一个线状光谱向量Spec，该向量为最终的高信噪比光谱曲线的纵坐标数据，其横坐标数据为向量wave。
Claims (3)
1.一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，其特征在于：该系统包括光学小孔(1)、准直透镜(2)、衍射光栅(3)、成像镜头(4)以及无线型面阵相机(5)；光学小孔(1)射出的光线经准直透镜(2)照射到衍射光栅(3)上，衍射光栅(3)将光线经成像镜头(4)衍射到无线型面阵相机(5)上；
所述光学小孔(1)是一种光机元件，其主体为发黑的阳极铝氧铝片，在铝片中间设有一个小孔，小孔的直径小于1mm；
所述准直透镜(2)是一种消色差双胶合透镜，准直透镜的前焦面与小孔位置重合，用于准直穿过小孔的光线，使光线准直传输；
所述衍射光栅(3)是一种周期性刻线的光学元件，其光栅周期为M线/mm，M是一个自然数，准直光线到达衍射光栅后会产生衍射，不同波长的光线具有不同的衍射角，衍射角与波长之间的关系满足经典的光栅衍射公式；
所述无线型面阵相机(5)，是一种光电转换元件，该无线型面阵相机(5)上有Xnum×Ynum个像素，Xnum与Ynum均为自然数；所有的像素分布在一个矩形空间内，矩形的纵轴方向与衍射光栅的刻线方向平行；无线型面阵相机(5)获取的光谱图像定义为矩阵Img，该矩阵Img的维度为Xnum×Ynum。
2.根据权利要求1所述的一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，其特征在于：实现该系统检测的方法包括光谱图像校正模块、波长校正模块、低通滤波模块、背景扣除模块以及重复检测模块五个模块；
所述光谱图像校正模块是在首次使用该系统之前，在系统前放置高亮度的具有连续光谱的光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像；针对光谱图像的每一列的数值向量，使用最大值搜索算法，提取每一列上最大值出现的位置，将每一列的最大值位置依次存储在向量ValueID中，该向量的维度为Xnum×1；
所述波长校正模块是在首次使用该系统前，光谱图像校正后，在系统前放置具有线光谱的光源，探测一个具有高信噪比的光谱图像；针对光谱图像的第j列的数值向量，j是一个取值范围为1到Xnum的自然数，提取第ValueID[j]个像素数值，保存到向量Spec0的第j个元素中，Spec0是一个元素数目为Xnum的向量；针对光谱图像的每一列重复上述步骤，得到一个线状光谱向量Spec0，该线状光谱向量Spec0的维度为Xnum×1；该线状光谱向量具有L个峰值，L为大于1自然数，每个峰值对应一个像素位置，记为[x0,x1,...,xL]；通过线状光谱向量，并比对标准的线光谱光源的光谱数据，手动将该向量中的局部极大值的像素位置与真实波长对应起来，得到L个峰值的真实波长，记为[λ0,λ1,...,λL]；
所述低通滤波模块是在使用该系统时，在获取光谱图像后，针对图像矩阵Img的每一列，使用低通滤波算法，去除其高频噪声，得到新的图像矩阵FImg，新的图像矩阵FImg的维度为Xnum×Ynum；
所述背景扣除模块，是在低通滤波步骤后，针对图像矩阵FImg的第j列，去除该列向量中第ValueID[j]-k到第ValueID[j]+k的数值，k为自然数，对剩余的向量取平均值，得到结果avg，然后将FImg第j列的每一个数值减去avg，实现背景扣除；
所述重复检测模块，是在完成低通滤波和背景扣除后，如果光谱数据的信噪比依然不佳，重复拍摄光谱图像Img，并重复低通滤波和背景扣除步骤，将新的处理结果与之前的处理结果相加；从重复检测的处理结果中得到高信噪比的光谱曲线。
3.根据权利要求2所述的一种小型高信噪比手持式光谱检测系统，其特征在于：向量的像素位置与波长的关系式如下：
wavelength(λ)＝a0+a1x+a2x2+a3x3
其中x表示像素位置；该关系式为多项式，a0,a1,a2,a3为多项式的拟合参数，在获取了L对像素位置与波长数值后，将xi代入该关系式的等号右边，等号左边的数值等于λi，i为取值范围1到L的自然数；L个等式中，a0,a1,a2,a3为未知参数；针对这L个等式，利用最优化算法，求解未知的拟合参数a0,a1,a2,a3。
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