CN111089649A - 多光谱光源及多光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多光谱光源及多光谱成像系统，涉及光学技术领域，该多光谱光源包括灯头和滤镜转换器；灯头与滤镜转换器连接，且灯头的出光口与滤镜转换器的出光口对齐；灯头包括灯箱和设置在灯箱内的闪光灯泡，闪光灯泡用于发出全光谱的光；滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同滤镜的透射光谱不同。该多光谱光源采用了能够发出全光谱光的闪光灯泡，通过滤镜转换器上的不同滤镜的滤光作用，能够输出不同光谱范围的辐射光。与现有技术相比，本发明提供的多光谱光源及多光谱成像系统提高了辐射光源的便携性、可操控性、工作的灵活性和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种多光谱光源及多光谱成像系统。
背景技术
多光谱摄影图像分析方法，是将物质对不同波段光谱的反射、吸收或荧光辐射等特性通过图像方式展现并分析物质表层材料信息的一种无损分析方法。基于多光谱成像系统的成像结果，该方法可以对古代壁画文物和彩绘文物的表层进行绘画信息提取、对表层分布材料的分布类别及状态做初步的判断。在整个多光谱分析中，多光谱成像系统的辐射光源的作用至关重要，不同波段的辐射光源下，配合不同波段的低通滤镜或带通滤镜可侦测不同波段下壁画表层颜料的类别及分布情况。
目前多光谱成像系统中的辐射光源通常包括多种光源，例如采用摄影灯拍摄可见光图像和红外图像，采用356nm的黑光灯拍摄紫外反射图像和紫外荧光图像，辐射光源的体积较大，导致便携性较差。在实际操作中，需要不断切换光源来完成可见光图像、红外图像和紫外图像的拍摄，用户的操作难度较大，导致工作的灵活性较差、工作效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光谱光源及多光谱成像系统，以提高辐射光源的便携性、可操控性、工作的灵活性和工作效率。
本发明实施例提供了一种多光谱光源，包括灯头和滤镜转换器；所述灯头与所述滤镜转换器连接，且所述灯头的出光口与所述滤镜转换器的出光口对齐；所述灯头包括灯箱和设置在所述灯箱内的闪光灯泡，所述闪光灯泡用于发出全光谱的光；所述滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同所述滤镜的透射光谱不同。
进一步地，所述灯头包括设置在所述灯箱上的连接轴，所述灯头通过所述连接轴与所述滤镜转换器可拆卸连接。
进一步地，所述滤镜转换器包括滤镜轮箱和分别设置在所述滤镜轮箱两侧的两片滤镜轮；所述滤镜轮箱上设置有与所述灯头的出光口对应的通孔；每片所述滤镜轮上均设置有多片所述滤镜，所述滤镜轮绕所述连接轴转动时带动各片所述滤镜转动，以切换与所述通孔对齐的滤镜，使所述滤镜转换器输出不同光谱范围的辐射光。
进一步地，所述滤镜轮箱上设置有第一定位标记，每片所述滤镜在所处的滤镜轮上均设置有第二定位标记，所述第二定位标记与所述第一定位标记对齐时指示对应的滤镜与所述通孔对齐。
进一步地，所述滤镜轮箱与每片所述滤镜轮之间均设置有密封圈。
进一步地，所述灯箱的外表面设置有互连的控制钮和显示屏，所述控制钮还与所述闪光灯泡连接。
进一步地，所述灯箱的外表面设置有热靴，所述多光谱光源还包括与所述热靴连接的引闪器。
进一步地，所述灯箱的下部设置有万向轴头，所述多光谱光源还包括与所述万向轴头连接的灯架。
进一步地，所述灯箱的外表面设置有电源线插口；所述多光谱光源还包括与所述电源线插口连接的移动电源。
本发明实施例还提供了一种多光谱成像系统，包括上述的多光谱光源，还包括多光谱相机；所述多光谱光源与所述多光谱相机同步工作。
本发明实施例提供的多光谱光源及多光谱成像系统中，该多光谱光源包括灯头和滤镜转换器；灯头与滤镜转换器连接，且灯头的出光口与滤镜转换器的出光口对齐；灯头包括灯箱和设置在灯箱内的闪光灯泡，闪光灯泡用于发出全光谱的光；滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同滤镜的透射光谱不同。该多光谱光源采用了能够发出全光谱光的闪光灯泡，通过滤镜转换器上的不同滤镜的滤光作用，能够输出不同光谱范围的辐射光，与现有技术中包括多种光源的辐射光源相比，减小了辐射光源的体积，从而提高了辐射光源的便携性。该多光谱光源仅通过转动滤镜转换器上的滤镜，即可实现辐射光光谱范围的切换，与现有技术中切换光源的方式相比，提高了可操控性、工作的灵活性和工作效率。另外，与发出持续光的光源相比，闪光灯泡以极短的时间发光，还可以减轻辐射光对物体造成的损害。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多光谱光源的立体图；
图2为本发明实施例提供的另一种多光谱光源的立体图；
图3为本发明实施例提供的一种多光谱光源的爆炸图；
图4为本发明实施例提供的一种多光谱光源中滤镜转换器的爆炸图；
图5为本发明实施例提供的一种对应可见光单波段的多个滤镜的透射光谱；
图6为本发明实施例提供的一种对应紫外波段和红外波段的多个滤镜的透射光谱；
图7为本发明实施例提供的一种对应可见光波段和红外波段的多个滤镜的透射光谱。
图标：101-灯箱；102-闪光灯泡；103-连接轴；104-控制钮；105-显示屏；106-热靴；107-万向轴头；108-电源线插口；201-滤镜；202-滤镜轮箱；203-滤镜轮；204-通孔；205-密封圈；206-第一定位标记；207-第二定位标记。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
多光谱分析中，多光谱成像设置一般包括以下三个主要部分：
1)入射辐射：由辐射光源产生并射向研究对象的辐射；
2)研究对象：与外来辐射光相互作用的物体；
3)输出辐射：跟踪外来辐射和研究对象间的互动并将其传输至图像传感器。
多光谱成像系统的入射辐射和输出辐射都通常介于以下三个辐射范围之内：紫外线(Ultraviolet Rays，简称UV)辐射(200-400纳米)，可见光(简称Vis)辐射(400-700纳米)和近红外线(Infrared Radiation，简称IR)辐射(700-1300纳米)。
在观测中，辐射穿透研究对象的程度取决于辐射光的波长和研究对象材料的吸光度，波长较长的辐射光通常会更深的穿透被研究对象，例如：当观测一副壁画时，波长较短的辐射光(如紫外线)通常会被外层吸收(即消失)，但波长较长的辐射光(如红光)则会穿透光滑的表层与图画层和底层线描互相作用。
辐射光到达研究对象后的结果包括：(i)被吸收；(ii)被反射；(iii)被吸收并以长波荧光辐射发散出来。基于此，利用各种光谱下不同物质的特征图像来区分物质的不同。
发明人经研究发现，任何一种新型仪器设备在应用到文物保护中时，必须首先考虑两点：
第一是安全性。由于壁画是脆弱质文物，其表层颜料包含矿物颜料和部分有机颜料以及有机胶结材料，其中部分有机颜料和含铅矿物颜料对光辐射比较敏感；部分含铅颜料在可见光波段和紫外波段下容易结合空气中的水和二氧化碳，从而造成颜料的氧化；有机颜料也会因为紫外辐射的长期照射造成退化和降解。所以设置光谱辐射源的照射时间时，一定要避免对文物进行长时间的照射。
第二是便携性。文物保存环境复杂，很多遗址区工作环境空间限制很大，大型仪器设备无法进行工作，这就需要设备尽量小型化，且具备移动电源，以解决部分遗址无法通电的问题。
目前多光谱成像系统中，在进行可见光、红外和紫外辐射时需要更换不同的光源，工作的灵活性较差、工作效率较低；拍摄时为达到理想的曝光条件，均需要长时间曝光，如紫外辐射时的拍摄，但是长曝光时间会对文物造成或多或少的伤害；整套设备的便携性也很差。基于此，本发明实施例提供的一种多光谱光源及多光谱成像系统，可以实现在一个固定光源下发射不同波段辐射的目的，并减轻对研究对象的伤害，从而提高工作的灵活性和工作效率，以及提高设备的便携性。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种多光谱光源进行详细介绍。
本发明实施例还提供了一种多光谱光源，如图1至图3所示，该多光谱光源包括灯头和滤镜转换器；灯头与滤镜转换器连接，且灯头的出光口与滤镜转换器的出光口对齐。灯头包括灯箱101和设置在灯箱101内的闪光灯泡102，闪光灯泡102用于发出全光谱的光；滤镜转换器包括多片可转动的滤镜201，不同滤镜201的透射光谱不同。
上述多光谱光源可以是在现有市售闪光灯配件的基础上，经过改装设计使其可搭载不同透射光谱的滤波片(即滤镜201)，可以通过不同波段滤波片的叠加组合实现对多光谱光源输出的辐射光谱的调节，使多光谱光源达到只输出需要的辐射波段，满足多光谱及高光谱等光谱仪器的使用需求，可以做到一部光源解决所有光谱辐射类别的问题，解决了以往需要不断更换光源的弊病。
上述灯头的出光口的口径可以与滤镜转换器的出光口的口径一致。上述滤镜201的尺寸可以根据实际需求设置，例如滤镜201的直径可以设置为35mm，也可以通过转接环将滤镜201的直径由35mm转换为72mm，以适配相应尺寸的扩展滤镜。
可选地，上述闪光灯泡102可更换，可以1/200秒左右的闪光速度闪光辐射，这样可以减少光波长时间照射文物而引起对文物和表层颜料的损害。闪光灯泡102的发射光谱范围可以为200-1300nm，可以依据需求更换不同透射光谱的滤镜201，以实现多光谱光源输出不同辐射波段的辐射光。
在具体实现时，上述闪光灯泡102的控制模式可以采用TTL(Through the lens)闪光或高速同步闪光，最高频率可以为199Hz，最高闪光速度可以为1/8000秒。
本发明实施例中，该多光谱光源包括灯头和滤镜转换器；灯头与滤镜转换器连接，且灯头的出光口与滤镜转换器的出光口对齐；灯头包括灯箱和设置在灯箱内的闪光灯泡，闪光灯泡用于发出全光谱的光；滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同滤镜的透射光谱不同。该多光谱光源采用了能够发出全光谱光的闪光灯泡，通过滤镜转换器上的不同滤镜的滤光作用，能够输出不同光谱范围的辐射光，与现有技术中包括多种光源的辐射光源相比，减小了辐射光源的体积，从而提高了辐射光源的便携性。该多光谱光源仅通过转动滤镜转换器上的滤镜，即可实现辐射光光谱范围的切换，与现有技术中切换光源的方式相比，提高了可操控性、工作的灵活性和工作效率。另外，与发出持续光的光源相比，闪光灯泡以极短的时间发光，还可以减轻辐射光对物体造成的损害。
可选地，如图1至图3所示，上述灯头包括设置在灯箱101上的连接轴103，灯头通过连接轴103与滤镜转换器可拆卸连接。连接轴103的一端可以固定在灯箱101的侧面，另一端可以连接滤镜转换器。连接轴103与滤镜转换器之间可以采用螺丝帽连接，这样在更换闪光灯泡102时可以将滤镜转换器取下，方便闪光灯泡102的更换。
可选地，如图1和图3所示，灯箱101的外表面设置有互连的控制钮104和显示屏105，控制钮104还与闪光灯泡102连接。
具体实现时，可以将控制钮104和显示屏105设置在灯箱101的上表面，以方便用户对该多光谱光源的调节。控制钮104可以包括电源按钮、强度调节旋钮和模式选择按钮等中的一种或多种，电源按钮用于控制闪光灯泡102与电源的接通，强度调节旋钮用于调节闪光灯泡102的出光强度，模式选择按钮用于调节闪光灯泡102的控制模式。显示屏105可以显示闪光灯泡102的出光强度和控制模式等。
考虑到出光强度可以由闪光灯泡102的闪光速度和曝光补偿决定，在一种可能的实现方式中，控制钮104包括强度调节旋钮，该强度调节旋钮用于调节闪光灯泡102的闪光速度以及曝光补偿。例如每旋转一次强度调节旋钮，则改变一次闪光速度或曝光补偿。闪光速度的调节范围可以为1/1秒至1/128秒，其中1/1秒时光亮最高(最亮)，出光强度最高；1/128秒时光亮最低(最暗)，出光强度最低。曝光补偿的调节范围可以为-0.3至+0.3。
在另一种可能的实现方式中，控制钮104包括强度调节旋钮和曝光补偿钮，在不按曝光补偿钮的情况下，强度调节旋钮用于调节闪光灯泡102的闪光速度；在按下曝光补偿钮的情况下，强度调节旋钮用于调节闪光灯泡102的曝光补偿。这样通过强度调节旋钮和曝光补偿钮实现了对闪光灯泡102出光强度的调节。
可选地，如图2所示，灯箱101的外表面设置有热靴106，该多光谱光源还包括与热靴106连接的引闪器(图中未示出)。热靴106是多光谱光源连接引闪器的一个固定接口槽，热靴106用于连接和固定引闪器。热靴106可以设置在灯箱101的后部。
可选地，如图2所示，灯箱101的下部设置有万向轴头107，该多光谱光源还包括与万向轴头107连接的灯架(图中未示出)。灯架可以方便地固定灯头，万向轴头107可以便于调整灯头的方向。
可选地，如图2所示，灯箱101的外表面还设置有电源线插口108；该多光谱光源还包括与电源线插口108连接的移动电源(图中未示出)。电源线插口108可以与热靴106一起设置在灯箱101的后部。可以采用220V、4500mAh的移动电源，该移动电源提供220V的电压，能够保证在无交流电的环境下使用，更方便该多光谱光源的移动使用。
可选地，如图3所示，上述滤镜转换器包括滤镜轮箱202和分别设置在滤镜轮箱202两侧的两片滤镜轮203；滤镜轮箱202上设置有与灯头的出光口对应的通孔204；每片滤镜轮203上均设置有多片滤镜201，滤镜轮203绕连接轴103转动时带动各片滤镜201转动，以切换与通孔204对齐的滤镜201，使滤镜转换器输出不同光谱范围的辐射光。
可以通过旋转两个滤镜轮203使所需的两片滤镜201与通孔204对齐，也即与灯头的出光口对齐，这样闪光灯泡102发出的光会透过滤镜轮203上与通孔204对齐的两片滤镜201，通过两片滤镜201的组合滤波，能够输出所需光谱范围的辐射光。通过旋转两个滤镜轮203，可以改变滤镜201的组合方式，从而形成不同的光谱范围。
每片滤镜轮203上滤镜201的个数可以根据实际需求设置，例如每片滤镜轮203上设置5片、6片或7片滤镜201。滤镜201可以可拆卸连接的方式固定在滤镜轮203上，如滤镜201与滤镜轮203之间采用螺纹连接，滤镜201可以根据需求更换，更换滤镜201时，将滤镜201从滤镜轮203的两侧旋转拧上即可。
在一种可能的实现方式中，滤镜转换器在滤镜轮箱202上搭载前后两片滤镜轮203，每片滤镜轮203可放置7片不同波段的直径为75mm的滤镜201，该滤镜转换器共包括14片滤镜201。滤镜轮箱202采用不透光的材质，如铝合金、聚四氟乙烯等；滤镜轮203与连接轴103之间存在一定的阻尼。通孔204的口径可以与灯头的出光口的口径一致，如通孔204的直径等于灯头的出光口的直径。
可选地，上述滤镜轮箱202与每片滤镜轮203之间均设置有密封圈205。密封圈205可以采用橡胶材质，密封圈205可以围绕通孔204设置。密封圈205可以防止光线从滤镜轮箱202与滤镜轮203之间的间隙溢出，也即防止漏光。
为了方便查看滤镜201是否与通孔204的对齐，参见图4所示的一种多光谱光源中滤镜转换器的爆炸图，滤镜轮箱202上设置有第一定位标记206，每片滤镜201在所处的滤镜轮203上均设置有第二定位标记207，第二定位标记207与第一定位标记206对齐时指示对应的滤镜201与通孔204对齐。
具体实现时，第一定位标记206和第二定位标记207均可以采用线条(优选颜色鲜明的刻度线，如红色线条)、点(优选颜色鲜明的点，如红点)、凸起或凹陷等来表示。例如，滤镜轮箱202上设置有红色刻度线，每片滤镜201在滤镜轮203侧边的对应位置处用红点表示，当红点和滤镜轮箱202上红色刻度线对齐时，滤镜201与灯头的出光口达到对齐。
为了便于应用上述多光谱光源，本实施例还提供了不同检测目的下的辐射光的辐射波段，以及研究对象的反射波段或发射波段。如下表1所示：
表1
本实施例还提供了上述滤镜201的透射光谱，具体如下：参见图5所示的一种对应可见光单波段的多个滤镜的透射光谱，5个高透过率的可见光单波段的光谱范围分别为472-509nm(中心波长为490nm)、551-577nm(中心波长为565nm)、650-670nm(中心波长为660nm)、728-746nm(中心波长为737nm)和815-852nm(中心波长为832nm)。参见图6所示的一种对应紫外波段和红外波段的多个滤镜的透射光谱，滤镜XNite330和XNite330C均主要在紫外波段具有较高的透过率，滤镜XNiteUVR在紫外波段和红外波段均具有较高的透过率。参见图7所示的一种对应可见光波段和红外波段的多个滤镜的透射光谱，9个滤镜(XNite630、XNite665、XNite715、XNite780、XNite830、XNite850、厚度为1mm的XNite1000、厚度为2mm的XNite1000、厚度为3mm的XNite1000)在可见光波段和红外波段均具有较高的透过率。
综上，本实施例提供的多光谱光源，采用固定光发射源(即闪光灯泡102，其发射光谱范围为200-1300nm)，配合低通滤波片和/或带通滤波片，能够同时解决多光谱拍摄中，紫外波段(包括290-320nm的UVB和320-420nm的UVA)、可见光波段和近红外波段拍摄的辐射源问题。
本发明实施例还提供了一种多光谱成像系统，该多光谱成像系统包括上述的多光谱光源，还包括多光谱相机；多光谱光源与多光谱相机同步工作。
上述多光谱成像系统中，多光谱光源采用一个闪光灯泡，配备引闪器和滤镜转换器，其中滤镜转换器同时搭载多个不同波段的滤镜；通过对闪光灯泡进行光幅调节、曝光时间调节等，并结合滤镜或滤镜组合，以及使多光谱光源与多光谱相机同步引闪，达到了根据需求在一个固定光源的基础上发射不同波段辐射光的目的，解决了现有技术中不同波段的辐射光需要更换不同光源的缺点，降低了设备的复杂度，提高了设备的便携性，提高了工作效率以及工作的灵活性。
本实施例所提供的多光谱成像系统，其实现原理及产生的技术效果和前述多光谱光源实施例相同，为简要描述，多光谱成像系统实施例部分未提及之处，可参考前述多光谱光源实施例中相应内容。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种多光谱光源，其特征在于，包括灯头和滤镜转换器；所述灯头与所述滤镜转换器连接，且所述灯头的出光口与所述滤镜转换器的出光口对齐；所述灯头包括灯箱和设置在所述灯箱内的闪光灯泡，所述闪光灯泡用于发出全光谱的光；所述滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同所述滤镜的透射光谱不同。
2.根据权利要求1所述的多光谱光源，其特征在于，所述灯头包括设置在所述灯箱上的连接轴，所述灯头通过所述连接轴与所述滤镜转换器可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的多光谱光源，其特征在于，所述滤镜转换器包括滤镜轮箱和分别设置在所述滤镜轮箱两侧的两片滤镜轮；所述滤镜轮箱上设置有与所述灯头的出光口对应的通孔；每片所述滤镜轮上均设置有多片所述滤镜，所述滤镜轮绕所述连接轴转动时带动各片所述滤镜转动，以切换与所述通孔对齐的滤镜，使所述滤镜转换器输出不同光谱范围的辐射光。
4.根据权利要求3所述的多光谱光源，其特征在于，所述滤镜轮箱上设置有第一定位标记，每片所述滤镜在所处的滤镜轮上均设置有第二定位标记，所述第二定位标记与所述第一定位标记对齐时指示对应的滤镜与所述通孔对齐。
5.根据权利要求3所述的多光谱光源，其特征在于，所述滤镜轮箱与每片所述滤镜轮之间均设置有密封圈。
6.根据权利要求1所述的多光谱光源，其特征在于，所述灯箱的外表面设置有互连的控制钮和显示屏，所述控制钮还与所述闪光灯泡连接。
7.根据权利要求1所述的多光谱光源，其特征在于，所述灯箱的外表面设置有热靴，所述多光谱光源还包括与所述热靴连接的引闪器。
8.根据权利要求1所述的多光谱光源，其特征在于，所述灯箱的下部设置有万向轴头，所述多光谱光源还包括与所述万向轴头连接的灯架。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的多光谱光源，其特征在于，所述灯箱的外表面设置有电源线插口；所述多光谱光源还包括与所述电源线插口连接的移动电源。
10.一种多光谱成像系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的多光谱光源，还包括多光谱相机；所述多光谱光源与所述多光谱相机同步工作。
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