CN111896489B - 一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学检测仪器技术领域，特别是涉及一种基于交叉偏振的六通道多测量系统及方法；系统包括球形漫反射壳体和按几何架构分布在球形漫反射壳体上的照明光源，所述照明光源带有第二线性偏振滤色片，所述球形漫反射壳体上设置有样品反射孔和2个信号测量窗，所述信号测量窗的光通路均依次设置有遮光挡板、第一线性偏振滤色片、带通吸收滤色片和成像系统；方法包括步骤S1放置待测样品；步骤S2获取2个信号测量窗的多光谱信号D6，并进行二阶多项式扩展；步骤S3通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率；特别适用于对于高光及眩光物体表面的光谱反射率信息测量，能正确测量各种类型材料表面光谱反射率和色度值。

Description

一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法
技术领域
本发明涉及光学检测仪器技术领域，特别是涉及一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法。
背景技术
目前，光谱及颜色测量是现代工业产品质量检测评价的重要技术手段，通过测量物体表面的光谱反射率或者色度值，构建基于色差的产品质量评价体系，广泛应用于纺织印染、油漆涂料、颜料、印刷、包装、汽车喷漆等行业。目前，常用光谱及色度测量仪器包括传统的分光光度计、色度计、密度计，以及多光谱类测量仪器。
分光光度计或色度能够准确测量光谱反射率信息，通常采用45°/0°或者d/8°几何光学结构，并采用滤色片转轮、分光棱镜、光栅等光学器件将反射光分解为一系列单色光谱，并在光电器件转换为电信号。但是此类设备价格昂贵，测量间隔时间长，响应速度慢，不适合作为产品生产流水线的适时动态检测。
多光谱类测量仪器与传统光谱色度测量仪器的原理有很大不同，通常可以由传统成像设备改造，如单色相机、彩色相机，结合不同波段带通吸收滤色片，或者可变SPD(光源光谱功率分布函数)的照明光源，通过在可见光谱范围内对物体的光谱反射率进行窄带或宽带采样，获取多通道信号，通过光谱重建算法重构光谱，具有成本低，响应速度快等优点，能够进行快速测量，但是由于此类设备的信号通道少，测量光谱精确度非常依赖光谱重建的数学算法的性能。目前，按照CCD类型，多光谱获取设备可以分为面阵CCD与扫描式线阵CCD两大类。
线阵CCD多光谱成像系统，通过扫描式线阵CCD与窄带干涉滤色片组合，获取多通道图像信号，采用单色扫描式线阵CCD与6～13个窄带干涉滤色片组合，通过在原稿上方的横向扫描移动，进行多通道图像信号获取；此类设备能够获取较高分辨率的多光谱图像，且获取图像具有较大的色域，但是获取周期较长，通常扫描一次原稿需要15-30min，对周围环境的稳定性，尤其是照明光源的稳定性要求较高。
面阵CCD多光谱成像系统应用比较广泛，可以通过与窄带滤色片系统或宽带滤色片系统组合获取多光谱图像信息，按照分光滤色原理可分为四种类型。第一种为单色相机与液晶可调谐滤色片(LCTF)进行组合获取原稿的多光谱信息，其中LCTF滤色片峰值能够以10nm的宽度在可见光范围内变换，此方法光谱采样精度高，后续重建光谱效果好，但是LCTF滤色片的整体透射率小于50％，在进行多光谱图像获取时具有较大的信息丢失，且此设备的液晶元件结构变化受温度影响较大，要求环境温度稳定在±2℃以内，LCTF稳定时间需要2min，若拍摄31通道需要近1小时，对照明光源稳定性有较高要求；第二种采用单色面阵CCD与窄带滤色片组成，如Color Aixperts成像系统，多光谱光源及多光谱成像系统(敦煌研究院，CN202010072972)，可以在10秒内获取一幅多光谱图像，此类设备构造简单，图像分辨率较高，但是由于干涉滤色片的透射率与入射光角度密切相关，成像色彩均匀性较差，另外干涉滤色片为非平滑表面，容易造成获取图像的失真扭曲。第三类为彩色CCD与宽带吸收滤色片组合的多光谱成像系统，此系统采用3通道彩色相机与少数不同波段带通吸收滤色片，通过获取的6通道信号重建光谱反射率信息，此类设备成本低，分辨率高，响应时间短；第四类为面阵CCD与可变SPD(光源光谱功率分布函数)组合的多光谱成像系统，其原理为通过调整的光谱功率分布曲线(SPD)达到滤波效果，由获取的多通道信号重建光谱反射率信息，此类设备的性能及稳定性与照明光源有较大关系。
以上类型的测色仪器对普通纸张、织物、涂料等物体的光谱反射率都能准确测量，当遇到高光或眩光特性的不平整表面，或光结构呈色的物体时，由眩光或高光导致的随机光强不均问题很难彻底解决，造成此类物体表面的测量差较大，系统误差难以控制，很难保证仪器的检测准确性，测试数据的可靠性，以及质量评价的稳定性，另外仪器都无法单独测量光泽度，这种由于光结构设计造成的缺陷很难解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法，针对现有技术在测量眩光及高光类光滑物体表面时，不能准确、快速测量光谱反射率信息的不足，提出一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，通过交叉偏振光学系统去除物体表面眩光，由加载不同波段带通吸收滤色片的彩色相机获取6通道多光谱信号，通过数学模型重建物体表面的光谱反射率信息，进而获得色度信息，以提高颜色测量的准确性、可操控性、工作的灵活性和测量响应度。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，包括多光谱光学系统，所述多光谱光学系统包括球形漫反射壳体和按几何架构分布在球形漫反射壳体上的照明光源，所述照明光源带有第二线性偏振滤色片，所述球形漫反射壳体上设置有样品反射孔和2个信号测量窗，所述信号测量窗的光通路均依次设置有遮光挡板、第一线性偏振滤色片、带通吸收滤色片和成像系统。
用于传统物体表面，以及传统设备难以准确测量的高光和眩光物体表面，以及基于光结构呈色物体的光谱反射率信息。所述交叉偏振，通过调整信号测量窗的第一线性偏振滤色片角度，以及照明光源的第二线性偏振滤色片的旋转角度来实现，从而去除物体表面眩光；如果将两处的线性偏振滤色片角度调整为平行，即平行偏振，则可以获得增强反光；通过交叉偏振和平行偏振下的测量数据，可以进一步计算物体表面光泽度。
优选地，还包括信号处理系统，所述信号处理系统连接所述成像系统的电信号输出端。
优选地，所述照明光源的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个照明光源，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个照明光源，方位角夹角为45°。
优选地，所述照明光源包括外壳和外壳内依次设置的发光单元、漫透射蒙板和第二线性偏振滤色片，所述第二线性偏振滤色片可旋转固定在外壳内。
所述照明光源，其光谱功率分布曲线应尽量平滑，实际应用时采用高显色指数的卤素灯或氙灯。第二线性偏振滤色片可以通过旋转改变偏振角度。
优选地，所述信号测量窗的带通吸收滤色片一个为吸收红色光波段的BG39，另一个为吸收蓝色光波段的GG475。
所述带通吸收滤色片，指具有特定光谱吸收特性的宽带滤色片，本发明采用BG39和GG475两种型号的产品，其中BG39滤色片主要过滤红光波段并通过蓝绿光波段，GG475滤色片主要过滤蓝光波段通过红绿光波段。
优选地，所述2个信号测量窗对称分布于球形漫反射壳体，所述样品反射孔和每个所述信号测量窗的中心点连线与球形漫反射壳体垂直轴线的夹角均为8度。
优选地，所述成像系统采用带镜头的面阵CCD。
本发明还提供了一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置待测样品，将样品将出射孔与待测样品表面相对接；
步骤S2，获取2个信号测量窗的多光谱信号D6，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为Dtest；
步骤S3，通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率R。
优选地，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301，将训练样本集通过分光光度计测量光谱反射率数据，其中：光谱反射率为400nm-700nm,间隔10nm均匀采样的31维数据，记为R31×n；
步骤S302，将训练样本集通过所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统获取6通道信号，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为D28×n；
步骤S303，根据如下公式(1)构建多光谱信号与光谱反射率之间的映射矩阵Q，
Q＝R31×n W(D28×nW)+ (1)
其中，W为权重矩阵，表示被测样本与训练样本集中色块的相似度；
步骤S304，根据如下公式(2)重建被测样本的光谱反射率R，
R＝QDtest (2)。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明的一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法，通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率；适合在线色度质量检测；并能够成功消除物体表面高光、眩光、结构光等因素对色彩的影响，准确测量并评价产品质量结构简单，响应速度快，测量效率高，使用方便，适用在线产品质量检测，本发明采用交叉偏振光结构设计，特别适用于对于高光及眩光物体表面的光谱反射率信息测量，如特殊油漆、涂料、高光纸张、镭射膜等材料，能够有效消除高光及眩光对测量的影响，保证材料表面同一点在不同测量角度的一致性，还可以用于普通织物、纸张、油墨、涂料等材料的光谱反射率和色度值的测量，能正确测量各种类型材料表面光谱反射率和色度值。
附图说明
图1是本发明一种实施例所述基于交叉偏振的多光谱颜色测量系统的结构示意图；
图2是本发明一种实施例所述照明光源的几何架构分布俯视图；
图3是本发明一种实施例所述照明光源的几何架构分布剖面示意图；
图4是本发明一种实施例所述照明光源的结构示意图；
图5是带通吸收滤色片的光谱透射率曲线示意图；
图6是本发明一种实施例所述基于交叉偏振的六通道多光谱测量方法的流程图。
其中：1、漫反射壳体；2、照明光源；3、样品反射孔；4、信号测量窗；5、遮光罩；6、第一线性偏振滤色片；7、带通吸收滤色片；8、成像系统；9、信号处理系统；10、发光单元；11、漫透射蒙板；12、第二线性偏振滤色片。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
实施例1
如图1-5所示，一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，包括多光谱光学系统，所述多光谱光学系统包括球形漫反射壳体1和按几何架构分布在球形漫反射壳体1上的照明光源2，所述照明光源2带有第二线性偏振滤色片12，所述球形漫反射壳体1上设置有样品反射孔3和2个信号测量窗4，所述信号测量窗4的光通路均依次设置有遮光挡板5、第一线性偏振滤色片6、带通吸收滤色片7和成像系统8。
用于传统物体表面，以及传统设备难以准确测量的高光和眩光物体表面，以及基于光结构呈色物体的光谱反射率信息。所述交叉偏振，通过调整信号测量窗4的第一线性偏振滤色片6角度，以及照明光源2的第二线性偏振滤色片12的旋转角度来实现，从而去除物体表面眩光；如果将两处的线性偏振滤色片角度调整为平行，即平行偏振，则可以获得增强反光；通过交叉偏振和平行偏振下的测量数据，可以进一步计算物体表面光泽度。
其中，还包括信号处理系统9，所述信号处理系统9连接所述成像系统8的电信号输出端。
其中，所述照明光源2的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个照明光源2，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个照明光源2，方位角夹角为45°。
其中，所述照明光源2包括外壳和外壳内依次设置的发光单元10、漫透射蒙板11和第二线性偏振滤色片12，所述第二线性偏振滤色片12可旋转固定在外壳内。
发光单元10选用光谱功率分布曲线平滑的照明光源，如A光源卤素灯或D65光源等，其光谱范围为360nm-780nm。漫透射蒙板11和第二线性偏振滤色片12可以通过旋转改变偏振角度。
在此，漫透射蒙板11和第二线性偏振滤色片12可旋转固定在外壳内。发光单元10发出的光，经漫透射蒙板11散射，并经第二线性偏振滤色片12滤波，得到线性偏振光。
其中，第二线性偏振滤色片12可以旋转角度改变偏振角度，漫透射蒙板11采用高透光率漫透射材料，并且在漫透射元件表面附有一层红外截止NIR滤色片，用于过滤紫外光谱以及近红外光谱，厚度在0.5mm-3.5mm之间，表面至少附加一层NIR红外截止滤光膜。
其中，所述信号测量窗4的带通吸收滤色片7一个为吸收红色光波段的BG39，另一个为吸收蓝色光波段的GG475。
所述带通吸收滤色片7，指具有特定光谱吸收特性的宽带滤色片，本发明采用BG39和GG475两种型号的产品，其中BG39滤色片主要过滤红光波段并通过蓝绿光波段，GG475滤色片主要过滤蓝光波段通过红绿光波段，两滤色片的光谱吸收特性曲线参考图5。
其中，所述2个信号测量窗4对称分布于球形漫反射壳体1，所述样品反射孔3和每个所述信号测量窗4的中心点连线与球形漫反射壳体1垂直轴线的夹角均为8度。
其中，所述成像系统8采用带镜头的面阵CCD。
发光单元10发出光束经漫透射蒙板11散射后，由第二线性偏振滤色片12的滤波后变为线性偏振光，而后光线进入球形漫反射壳体1内部，并通过样品反射孔3照射到测量样品表面，杂散光线被球形漫反射壳体1内壁上的黑色涂覆层吸收，经过测量样品反射后的光束通过球形漫反射壳体1的2个信号测量窗4出射，其中遮光罩5消除照明光源2散射光直接进入镜头，调节第一线性偏振滤色片6角度，使其滤除偏振光，出射至带通吸收滤色片7，照射至成像系统8转换为电信号，再通过信号处理系统9计算处理，得出被测物品表面的光谱反射率，进而计算得到颜色三刺激值、密度值等数据。
具体的，球形漫反射壳体1的直径为20.0cm，内壁喷涂黑色哑光高吸光材料，应当能够反射至少95％的光线，在350nm-850nm范围内的吸光率大于97％。样品反射孔3的直径为3.0cm,照明光源2的连接孔直径为0.8cm，信号测量窗4直径为2cm。
信号测量窗4处设置黑色遮光罩5，防止照明光源2发出的光直射进入信号测量窗4,遮光罩5为圆柱形，通过螺纹与带通吸收滤色片7连接，带通吸收滤色片7的长度为1.2cm，厚度为1mm。
具体实施时，通过调整第二线性偏振滤色片12的角度，以及信号测量窗4处第一线性偏振滤色片6的角度，可以实现交叉偏振，消除反光；如果两处线性偏振滤色片角度设置为平行，能够增强反光；结合不同偏振状态，可以计算物体表面光泽度。
综上，本发明采用交叉偏振光学系统，利用面阵CCD与带通吸收滤色片7构建了一套6通道多光谱系统，从光的均匀性以及测量样品表界面反射特性两个方面解决了高反光、眩光类物体、特殊光结构物体的色彩质量检测性能要求，使本装置能够最大限度屏蔽镜面反射光对色彩质量检测的要求。本发明可以利用面阵CCD的，相较传统分光类测色仪器，具有自扫描、功耗小、寿命长、可靠性高、响应速度快等优点，适合在线色度质量检测；并能够成功消除物体表面高光、眩光、结构光等因素对色彩的影响，准确测量并评价产品质量。
如图6所示，一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量方法，应用于上述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，包括如下步骤：
步骤S1，放置待测样品，将样品将出射孔3与待测样品表面相对接；
步骤S2，获取2个信号测量窗4的多光谱信号D6，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为Dtest：
Figure BDA0002619716580000061
步骤S3，通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率R。
其中，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301，将训练样本集通过分光光度计测量光谱反射率数据，其中：光谱反射率为400nm-700nm,间隔10nm均匀采样的31维数据，记为R31×n；
在此，建立包含有n个色块的样本集，记为训练样本集。
步骤S302，将训练样本集通过所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统获取6通道信号，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为D28×n；
步骤S303，根据如下公式(1)构建多光谱信号与光谱反射率之间的映射矩阵Q，
Q＝R31×n W(D28×nW)+ (1)
其中，W为权重矩阵，表示被测样本与训练样本集中色块的相似度；
步骤S304，根据如下公式(2)重建被测样本的光谱反射率R，
R＝QDtest (2)。
具体实施时，通过测量的光谱反射率信息，可以根据CIE标准公式进一步计算CIEXYZ色度值、Lab色度值、密度值等，并进一步计算样品间色差、网点面积率等信息。
综上，本发明的一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量方法采用交叉偏振光学系统，通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率；适合在线色度质量检测；并能够成功消除物体表面高光、眩光、结构光等因素对色彩的影响，准确测量并评价产品质量。
以上对本发明所提供的一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，包括多光谱光学系统，所述多光谱光学系统包括球形漫反射壳体(1)和按几何架构分布在球形漫反射壳体(1)上的照明光源(2)，所述照明光源(2)带有第二线性偏振滤色片(12)，所述球形漫反射壳体(1)上设置有样品反射孔(3)和2个信号测量窗(4)，所述信号测量窗(4)的光通路均依次设置有遮光挡板(5)、第一线性偏振滤色片(6)、带通吸收滤色片(7)和成像系统(8)；所述基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统通过以下方法测量：
步骤S1，放置待测样品，将样品反射孔(3)与待测样品表面相对接；
步骤S2，获取2个信号测量窗(4)的多光谱信号D6，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为Dtest；
步骤S3，通过光谱重建模型得到待测样品的光谱反射率R；
所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301，将训练样本集通过分光光度计测量光谱反射率数据，其中：光谱反射率为400nm-700nm,间隔10nm均匀采样的31维数据，记为R31×n；
步骤S302，将训练样本集通过所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统获取6通道信号，并进行二阶多项式扩展为28维数据矩阵，记为D28×n；
步骤S303，根据如下公式(1)构建多光谱信号与光谱反射率之间的映射矩阵Q，
Q＝R31×nW(D28×nW)+ (1)
其中，W为权重矩阵，表示被测样本与训练样本集中色块的相似度；
步骤S304，根据如下公式(2)重建被测样本的光谱反射率R，
R＝QDtest (2)。
2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，还包括信号处理系统(9)，所述信号处理系统(9)连接所述成像系统(8)的电信号输出端。
3.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，所述照明光源(2)的几何架构分布为在仰角45°圆周范围内，均匀分布6个照明光源(2)，方位角夹角为60°；在仰角90°圆周范围内，均匀分布8个照明光源(2)，方位角夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，所述照明光源(2)包括外壳和外壳内依次设置的发光单元(10)、漫透射蒙板(11)和第二线性偏振滤色片(12)，所述第二线性偏振滤色片(12)可旋转固定在外壳内。
5.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，所述信号测量窗(4)的带通吸收滤色片(7)一个为吸收红色光波段的BG39，另一个为吸收蓝色光波段的GG475。
6.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，所述2个信号测量窗(4)对称分布于球形漫反射壳体(1)，所述样品反射孔(3)和每个所述信号测量窗(4)的中心点连线与球形漫反射壳体(1)垂直轴线的夹角均为8度。
7.根据权利要求1所述的基于交叉偏振的六通道多光谱测量系统，其特征在于，所述成像系统(8)采用带镜头的面阵CCD。
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高分辨率定量遥感的偏振光效应与偏振遥感新领域;晏磊等;《遥感学报》(第06期);全文 *

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