CN112710395A - 用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 - Google Patents
用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112710395A CN112710395A CN202011441521.2A CN202011441521A CN112710395A CN 112710395 A CN112710395 A CN 112710395A CN 202011441521 A CN202011441521 A CN 202011441521A CN 112710395 A CN112710395 A CN 112710395A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light source
- data
- imaging
- microscope
- objective lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 74
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 66
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 57
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 37
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 32
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 31
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 15
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 10
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 5
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 5
- 239000002478 γ-tocopherol Substances 0.000 claims description 5
- 238000003705 background correction Methods 0.000 claims description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 43
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 15
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 14
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 6
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 6
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- ONNCPBRWFSKDMQ-UHFFFAOYSA-N 2,3',5-trichlorobiphenyl Chemical compound ClC1=CC=CC(C=2C(=CC=C(Cl)C=2)Cl)=C1 ONNCPBRWFSKDMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N barium oxide Chemical compound [Ba]=O QVQLCTNNEUAWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L barium sulfate Chemical compound [Ba+2].[O-]S([O-])(=O)=O TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 4
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 241000755266 Kathetostoma giganteum Species 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000000765 microspectrophotometry Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229930183263 paris Natural products 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000002235 transmission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，包括位于暗室内的带有成像传感器的相机、带有狭缝和成像物镜的分光仪、显微镜、辅助物镜、环形光源和载物台；还包括位于暗室外的光源控制装置和计算机；显微镜的电子目镜带有成像透镜。本发明还同时提供了一种基于显微高光谱成像的颜色测量方法，包括波长标定、系统预准备、数据采集、数据校正以及高光谱数据转换为色度数据。本发明提供了一种各种微米级别样本非接触、非破坏性的颜色测量装置和测量方法，能够稳定可靠地采集光谱数据，并可将光谱数据转换为颜色三刺激值。
Description
技术领域
本发明属于颜色测量技术领域，涉及一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及 颜色测量方法。
背景技术
纺织纤维是一种微米级别的纤细物体，一般直径范围1-30微米。目前在纺织领域中，通 常是对单色纤维制成的纱或织物等纤维聚集体进行测量，测量的结果会因为纱及织物的结果 差异而有差异。
目前较成熟的分光光度计法测量结果，实际上是测量孔径范围内的平均颜色，对于两种及 以上不同颜色纤维混合后纺成的色纺纱，无法准确测量或区分色纺纱中各组成纤维的颜色。
显微分光光度法为采用显微镜放大后的分光光度法，可以测得纺织纤维的吸收光谱或反射 光谱，但本质与分光光度法一样，适用于对纤维上染料的异同进行分析和判断，对于多种颜 色纤维的聚集体，显微分光光度法需要重复多次测量，测量效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及颜色 测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统：
包括位于暗室内的带有成像传感器的相机、带有狭缝和成像物镜的分光仪、显微镜、辅助 物镜、环形光源和载物台；还包括位于暗室外的光源控制装置和计算机；显微镜的电子目镜 带有成像透镜；
在载物台的上方，从上至下依次设置相机、分光仪、显微镜、辅助物镜和环形光源；相机 的成像传感器置于分光仪的成像物镜的像平面上，显微镜的成像透镜位于分光仪的狭缝的正 下方；在显微镜的物镜正下方设置辅助物镜，环形光源的出光端位于显微镜物镜的正下方； 载物台与步进电机相连；
光源控制装置带有光源，由光源向环形光源提供光；
计算机分别与相机、步进电机信号相连。
作为本发明的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统的改进：
所述环形光源为环形光纤光源，包括组成一体(即，连接在一起)的外反射镜、内反射镜 和光纤出射端；外反射镜和内反射镜均为中空圆锥型，内反射镜被套装在外反射镜的内腔中， 外反射镜的内表面积为反射面，内反射镜的外表面积为反射面；
内反射镜顶部低于外反射镜的顶部；辅助物镜位于内反射镜的正上方；光纤出射端的横截 面呈环形，光纤出射端位于外反射镜与内反射镜所围合形成的空间内(因此，外反射镜位于 光纤出射端的外围)；内反射镜顶部的外径小于(略小于)光纤出射端的内径，内反射镜顶部 的内径大于(略大于)辅助物镜的外径；在高度方向上，光纤出射端的底部高于(略高于) 内反射镜顶部；环形光源可调节相对于辅助物镜的高度位置关系。例如，环形光源通过3个 M4平头螺丝与辅助物镜固定相连。
作为本发明的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统的进一步改进：
外反射镜的倾斜角度大于内反射镜的倾斜角度。倾斜角度，即为圆锥型侧壁与水平线所形 成的夹角。例如，外反射镜的倾斜角度为67.5°，内反射镜的倾斜角度为45°。
作为本发明的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统的进一步改进：
所述分光仪是基于衍射光栅的棱镜-光栅-棱镜(PGP)，包括从下至上依次设置的狭缝、准 直物镜、PGP分光器件和成像物镜；相机的成像传感器置于成像物镜的像平面上，显微镜的 电子目镜的成像透镜位于狭缝的正下方；位于载物台上的待测物的反光经过显微镜物镜的光 学放大后，经过显微镜的电子目镜中的成像透镜聚焦在狭缝处，狭缝作为视场光阑，通过狭 缝入射的光经过准直物镜准直后入射至PGP分光器件，经PGP分光器件色散分光后的光线， 通过成像物镜聚焦在相机中的成像传感器的像平面处。
相机将经PGP分光器件分散后的光信号转换为相应的数字信号，计算机接收相机输出信 号，并存储在计算机的硬盘中；
当显微镜的综合放大倍数固定时，显微镜的工作距离为定值，因此，光纤出射端与载物台 之间的垂直距离也为定值；显微镜的工作距离指辅助物镜与载物台之间的垂直距离。
作为本发明的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统的进一步改进：
光源控制装置包括光源，在光源的前方依次设置有红外截止滤光片、平凸透镜和光纤入射 端，光源发出的光先通过红外截止滤光片进行滤光减少热量；再通过平凸透镜使光平行后通 过光纤入射端导光到光纤出射端。
作为本发明的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统的进一步改进：
光源控制装置还包括光强调节旋钮、PCB板、电源开关、精密恒流；电源开关、光强调节 旋钮分别与PCB板连接，精密恒流源的一端与PCB板连接，另一端分别与光源和风冷散热 装置相连。
电源开关为光源控制装置的总电源开关，PCB板接收光强调节旋钮的信号后，控制精密恒 流源的输出电流，精密恒流源为光源和风冷散热装置提供稳定电流。风冷散热装置，用于确 保整个光源控制装置长时间稳定工作。
本发明还同时提供了一种基于显微高光谱成像的颜色测量方法，包括波长标定、系统预准 备、数据采集、数据校正以及高光谱数据转换为色度数据。被测物体的高光谱数据采集过程： 将待测物固定在载物台上，设置系统采集距离、载物台移动速度和相机曝光时间参数后，采 集待测物高光谱数据。
具体依次包括以下步骤：
1)、系统校准：通过标准汞灯光源进行波长标定；
2)、通过标准白板采集参考光谱数据；
3)、采集待测物高光谱数据：
将待测物固定在载物台上，微调显微镜高度进行对焦，使得相机的焦点对准载物台上的 待测物，计算机同步控制步进电机驱动载物台的移动和相机的数据采集，获取高光谱图像数 据；
A为载物台的移动速度，s为相机的曝光时间，u为成像传感器的像元尺寸，e为显微镜的 综合光学放大倍数；
4)、待测物的高光谱数据采用空间非均匀的平场校正公式进行预处理，即，数据校准为 针对不同波段和曝光时间的暗噪声处理分析方法，采用平场校正公式进行待测物高光谱数据 预处理：
x,y表示待测物高光谱数据中像元在空间维上的坐标位置，λ表示像元在光谱维的坐标； ICS(x,y；λ)是待测物高光谱数据中像元相对反射率单位归一化后的值；IS(x,y；λ)是待测物高光谱图像 中的像元信号值，ID(x；λ)是暗噪声像元信号值；IW(x；λ)是标准白板采集的像元信号值；
采用线性插值函数计算光谱反射率数据；
Rj为待计算相应波段的反射率数据，j∈[λi～λi+1]，i为高光谱数据空间维像元坐标，λi为 光谱维像元对应的预测波长值，Ri为经过公式2预处理后的高光谱数据；
5)、将公式5预处理后的待测物高光谱数据转换为设定光源下、设定度观察者角度的CIE XYZ数据，最终转换为CIE LAB色度数据。
作为本发明的基于显微高光谱成像的颜色测量方法的改进，所述步骤5)为：
将公式5预处理后的待测物高光谱数据转换为D65光源下、2度观察者角度的CIEXYZ 数据：
其中X、Y和Z为所需计算的三刺激值，R(λ)为待测物的高光谱数据经公式5线性插值计 算后的反射率数据，S(λ)、
和
数据为ASTM E308标准中相对应的数据，其中S(λ) 为标准光源的相对光谱功率分布，
和
为标准色度观察者的光谱三刺激值，k为归 一化系数，dλ为波长间隔；
通过公式7将公式6计算所得的CIE XYZ数据转换为D65、2°观察者条件下的CIELAB 色度数据：
在本发明中，标准白板为氧化钡、硫酸钡或聚四氟乙烯材质中的一种。
本发明基于显微高光谱成像的测量技术能够满足同时多色测量和高精度颜色测量的要 求，可用于微米级样本(如纺织纤维)的颜色测量。即，为了克服现有微米级别物体(如 纺织纤维)颜色测量方法存在的不足，本发明提供用于测量微米级别纺织纤维颜色的显微高 光谱成像系统及颜色测量方法，解决纺织纤维测量困难、测量不准确的问题，本发明提供的 显微高光谱成像系统，可用于颜色测量，特别是可用于精确测量微米级别物体(如纺织纤维) 颜色，本发明提供的颜色数据方法兼顾了系统波长漂移问题以及对由光源所引起的光照不均 匀现象和暗噪声的误差控制，提高颜色数据的准确性。
由于颜色测量对仪器的重现性、稳定性以及准确性都有较高要求，同时基于纺织纤维颜 色测量的现状，本发明提供一种适用于测量微米级别物体颜色的显微高光谱成像系统及颜色 测量方法。本发明提供的显微高光谱成像系统，可用于颜色测量，特别是可用于精确测量微 米级别物体(如纺织纤维)颜色，颜色测量方法兼顾了由光源所引起的光照不均匀和曝光时 间不同引起的暗噪声的误差影响，提高了颜色数据的准确性。相对其他纺织纤维颜色测量方 法，基于显微高光谱技术的测量方法在保证测量重复性的前提下，能准确测量或区分色纺纱 中各组成纤维的颜色，提供更高的准确性和灵活性。
本发明提供了一种各种微米级别样本非接触、非破坏性的颜色测量装置和测量方法，能 够稳定可靠地采集光谱数据，并可将光谱数据转换为颜色三刺激值。
本发明结合了显微高光谱成像的优点，测量装置具有高空间分辨率、高光谱分辨率以及高 系统可靠性，具有操作简单、测量准确度高和重复性好等特点，基于成像的特点不仅仅只局 限于单色颜色测量，同时也能进行多色测量，并通过图像处理方法分析微米级样本颜色均匀 性或对样本颜色进行分色分析。
综上所述，本发明是对多个现有技术中存在的不足进行了综合改进，实现了微米级别颜 色测量。
与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：
1、本发明采用了特设的光源控制装置、环形光源；目前现有技术中环形光源通常为LED 光源，LED光源光谱功率分布稳定性低，影响重复性。目前环形光源也有采用卤素灯作为光 源，虽然卤素灯的光谱功率分布曲线光滑稳定，但卤素灯在红外波段功率较大，长时间工作 发热量大，影响测量稳定性。本发明在测量光源控制装置中采用红外截止滤光片，并采用光 纤导出发射光，保证本发明的装置颜色测量不受光源温度的影响。
2、相比较现有技术中的显微分光测色仪(如PARISS显微分光测色仪)，其单次只能测 量空间区域某一点的颜色，不能同时对整个待测区域进行测量，本发明采用推扫型成像方法， 实现空间区域的颜色测量；
3、相比较现有技术中的台式分光测色仪(如Datacolor 600型分光测色仪)，其最小测量 孔径为3.0mm，即空间分辨率为3.0mm，本发明采用显微成像的技术，实现更高空间分辨率， 满足微米级别颜色测量的要求；
4、相比较现有技术中的多光谱成像测色系统(如Datacolor Spectravision)，其相比较台 式分光测色仪，实现了成像测色，但其有效像素大小为27.6微米，无法满足微米级别颜色测 量要求；
5、相比较现有技术中的电子显微镜测色方法，其采用传统的数码成像方法，采集的数据 为彩色图像，仅包含红、绿、蓝3个通道，颜色测量精度低。本发明装置基于PGP分光技术， 能够将可见光分散成连续的数百个波段，达到高精度的颜色测量要求；
6、本发明针对采集的白板数据和黑板数据进行均值处理。目前的现有技术中对白板数据 和黑板数据采集次数偏少，部分技术仅采集1次白板数据和黑板数据，使得系统噪声对测量 结果影响偏大，本方法通过重复连续采集多帧白板数据和黑板数据，对采集的数据进行均值 处理，提高测量准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统结构示意图；
图2为图1中的基于衍射光栅分光的PGP结构成像示意图；
图3为图1中的环形光源结构示意图；
图4为图1中的光源控制装置中光源示意图；
图5为图1中的光源控制装置结构示意图。
图6是本发明的工艺流程图；
图7单色羊毛织物的显微灰度图像；
图8是本发明装置采集不同区域反射率与datacolor 600型分光测色仪测量单色织物的反 射率曲线；
图9是色纺织物显微灰度图像；
图10为不同纤维区域的反射率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明结合了光学显微镜与高光谱成像相机的优点，设计了一种用于测量微米级别样本 特别是纺织纤维颜色的显微高光谱成像系统。
实施例1、一种用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，如图1所示；包括相机1、 分光仪2(基于衍射光栅的分光仪)、显微镜3(三目体视显微镜)、辅助物镜4(为1.5倍的 辅助物镜)、环形光源5(环形光纤光源)、光源控制装置6、载物台7、步进电机8和计算机9。光源控制装置6和计算机9放置在暗室10外，其他零部件放置在暗室10内；暗室10为 一密闭遮光的封闭箱体。暗室10内壁为吸光材料。相机1带有成像传感器16，显微镜3的 电子目镜带有成像透镜11。
相机1，用于采集待测物反射的由照明模块发出的光信号，并将光信号转换为电信号输出 (即，能将反射光转换为数字信号输出)，采用高信噪比、高分辨率的图像传感器，相机1内 的成像传感器16包括但不限于为CCD成像传感器或CMOS成像传感器的一种。
分光仪2，将可见光分散为不同波段的光，一端与相机1紧密连接，另一端与显微镜3 的电子目镜连接；分光仪是将入射光分散并投射出分散的光线到图像传感器上；基于成像方 式的不同，分光仪例如可为基于棱镜-光栅-棱镜(PGP)的透射分光方式。
显微镜3，提供光学放大功能，用于将待测物放大到可被测量状态，显微镜3为三目体视 显微镜，包括电子目镜；电子目镜包括0.5倍的成像透镜11；所述的显微镜3通过调节调焦 旋钮改变光学镜头结构内部组件的相对移动来实现焦距，即通过镜头移动来使要拍的景物放 大或缩小。显微镜3包含具有C接口的电子目镜，其功能是分光仪连接；显微镜3成像方向 与载物台7水平方向成90°；显微镜3的综合光学放大倍数，为显微镜变焦倍率、辅助物镜倍 率和电子目镜C型接口倍率的乘积。
辅助物镜4，与显微镜3连接，用于提高光学放大倍数。
环形光源5与光源控制装置6连接，提供稳定均匀照明；即，环形光纤光源5的光纤出射 端20通过光纤与光源控制装置6的光纤入射端24连接，提供稳定均匀照明，光纤材质为玻 璃、塑料或石英中的一种。
光源控制装置6中配有一个在400～800nm光谱功率分布连续且稳定的光源23。
载物台7固定待测物，通过高精度的步进电机8驱动匀速移动，精度达到微米级别。
计算机9，同步控制相机1的采集速率以及通过步进电机8控制载物台7的移动，同时存 储分析高光谱数据。
上述用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，具体结构如下：
在载物台7的正上方，从上至下依次设置相机1、分光仪2、显微镜3、辅助物镜4、环形光纤光源5；
所述分光仪2是基于衍射光栅的棱镜-光栅-棱镜(PGP)，将入射光分散并投射出分散的光 线到相机1中的成像传感器16上；分光仪2具体如图2所述，包括从下至上依次设置的狭缝 12、准直物镜13、PGP分光器件14、成像物镜15。
相机1的成像传感器16置于成像物镜15的像平面上，显微镜3的电子目镜的成像透镜 11位于狭缝12的正下方；
位于载物台7上的待测物的反光经过显微镜3物镜的光学放大后，经过显微镜3的电子 目镜中的成像透镜11聚焦在在狭缝12处(即，位于远处的目标经前置望远物镜成像在狭缝 处)，狭缝12作为视场光阑，通过狭缝12入射的光经过准直物镜13准直后入射至PGP分光 器件14，经PGP分光器件14色散分光后的光线，通过成像物镜15聚焦在相机1中成像传感器16的像平面处；
相机1将经PGP分光器件14分散后的光信号转换为相应的数字信号，计算机9接收相机 1输出信号，并存储在计算机9中的硬盘中。
显微镜3的物镜正下方设置辅助物镜4，辅助物镜4上端通过螺旋接口与显微镜3下端连 接。
环形光源5为环形光纤光源，如图3所示，包括组成一体的外反射镜18、内反射镜19和 光纤出射端20；外反射镜18为一个中空圆锥型，倾斜角度为67.5°，外反射镜18的内表面积为反射面；内反射镜19为一个中空圆锥型，倾斜角度为45°，内反射镜19的外表面积为 反射面；倾斜角度，即为圆锥型侧壁与水平线所形成的夹角。
内反射镜19被套装在外反射镜18的内腔中，且内反射镜19顶部低于外反射镜18的顶部； 辅助物镜4位于内反射镜19的正上方；光纤出射端20的横截面呈环形，光纤出射端20位于 外反射镜18与内反射镜19所围合形成的空间内；因此，外反射镜18位于光纤出射端20的 外围，内反射镜19顶部的外径略小于光纤出射端20的内径，内反射镜19顶部的内径略大于 辅助物镜4的外径；在高度方向上，光纤出射端20的底部略高于内反射镜19顶部；
整个环形光源5可以相对于辅助物镜4上下滑动，当滑动到所需位置时，通过3个M4平 头螺丝17与辅助物镜4固定相连。
环形光源5的出光端位于显微镜3的物镜正下方。
当显微镜3的综合放大倍数固定时，显微镜3的工作距离为定值，因此，环形出射端20与 载物台7之间的垂直距离也为定值。显微镜3的工作距离指辅助物镜4与载物台7之间的垂 直距离。
光源控制装置6中配有一个在400～800nm光谱功率分布连续且稳定的光源23(即，配有 一个在400～800nm光谱功率分布连续稳定的光源光谱功率分布曲线连续且稳定的卤素灯或氙 灯光源)，在光源23的前方依次设置有红外截止滤光片22、平凸透镜21和光纤入射端24， 光源23发出的光先通过红外截止滤光片22进行滤光减少热量；再通过平凸透镜21使光平行 后通过光纤入射端导光到光纤出射端20。光纤出射端20的光线通过反射镜以45°±5°方向反 射到载物台7，形成45°c：0°的照明方向与定向接收条件。
光源控制装置6中还包括光强调节旋钮25、PCB板26、电源开关27、精密恒流源28；
电源开关27、光强调节旋钮25分别与PCB板26连接，精密恒流源28的一端与PCB板26连接，另一端分别与光源23和风冷散热装置29相连。电源开关27为光源控制装置的总 电源开关，PCB板26接收光强调节旋钮25的信号后，控制精密恒流源28的输出电流，精密 恒流源28为光源23和风冷散热装置29提供稳定电流。即，精密恒流源28为光源23提供稳 定电流，保证光源23的输出功率在时间序列上稳定均匀；
风冷散热装置29，用于确保整个光源控制装置6长时间稳定工作。
步进电机8与载物台7相连；计算机9分别与相机1、步进电机8信号相连，因此，计算机9同步控制CCD相机1的采集速率与载物台7的运动，相机1输出信号的采集与保存，采 集数据的计算分析。
环形光源5中环形的光纤出射端20的光线通过反射镜(先投射到内反射镜19的外表面， 再通过外反射镜18的内表面)以45°±5°方向(代表外反射镜18反射的光与载物台7法线之 间的角度)反射到载物台7，形成45°a：0°的照明方向与定向接收条件。
说明：45°a：0°(45°环形照明，0°方向接收)为CIE15：2004推荐的10种反射测 量的几何条件之一。45°环形几何条件以45°照明方式测量反射样品的颜色时，用与样品法 线成45°角从各方位方向同时照射样品可使其纹理和方向性对测色结果的影响最小化。环形 光源5的外反射镜18、内反射镜19和光纤出射端20的大小、形状采用Tracepro软件进行仿 真，并采用蒙特卡洛方法进行模拟计算，满足装置颜色测量的要求。
在实际应用中，环形光源5可仅选择光纤出射端20而取消内反射镜19和外反射镜18来 近似获得环形几何条件，该几何条件为圆周型几何条件(45°c：0°)。
载物台7固定待测物，通过高精度步进电机8驱动匀速移动，精度达到微米级别；采用 步进电机驱动方式，载物台7的重复定位精度小于2μm，高精度步进电机8细分驱动下分辨 率为1μm；
计算机9，同步控制相机的采集速率与载物台移动，提供数据存储和数据处理分析功能； 同时存储分析高光数据。
本装置所选相机1、显微镜3、分光仪2、载物台7，光源控制转置6依据本发明微米级别 颜色测量的技术要求进行选择：
1、相机1采用LT365R型号的CCD传感器(Lumenera Corp.,Ottawa,Canada)，传感器分 辨率为1936像元×1456像元，空间维最大像元数为1936，光谱维最大像元数为1456。
2、分光仪2为ImSpector V8E分光仪(SPECIM,Spectral Imaging Ltd.,Oulu,Finland)，在380～800nm之间具有良好稳定性和透射率。在30μm狭缝下，光谱分辨率达到2nm。
3、显微镜3为含有电子目镜的SZ61TR体视显微镜(Olympus Inc.,Tokyo,Japan)，电子目 镜的接口为0.5倍的C接口，通过调节显微镜3的变焦旋钮改变显微镜的放大倍率，提供不 同倍数的光学放大功能。
辅助物镜4可以选择1.5倍、2.0倍。
4、环形光源5的光纤出射端20的内径60mm，光纤出射端20根据显微镜的放大倍数调 整与载物台7之间的距离，满足环形光纤出射端20的光线通过反射镜以45°±5°方向反射到载 物台7，距离确定后，光纤出射端20通过平头螺丝与辅助物镜4固定；光照强度通过光源控 制装置6中的光强调节旋钮25手工调节。
5、光源控制装置6，光源23采用一个21V，150瓦特的卤素灯(EKE 21V 150W,Philips, Amsterdam,the Netherlands)，通过红外滤光片22过滤发射光线的红外波段，减少热量；光源 发射的光通过平凸透镜21使光平行后通过光纤入射端24导光到光纤出射端20；
6、载物台7为HSIA-MScope-X载物台(双利合谱，成都，中国)，采用高精度的步进电机8驱动方式，载物台的重复定位精度小于2μm，8细分下分辨率为1μm，载物台7带有凹 槽和固定夹具，对待测物进行固定。
实施例2、一种基于显微高光谱成像的颜色测量方法，利用实施例1所述装置，依次进行 以下步骤：
1、系统校准(常规技术)，通过标准汞灯光源进行波长标定：
该标准汞灯光源，在253.652nm、313.155nm、404.656nm、435.84nm、546.074nm、576.960 nm、579.066nm处有较高能量的特征谱线；位于P编号位置处的像元坐标与波长λ之间的关 系可以通过高斯函数或多项式函数拟合计算，公式为多项式函数拟合算法。
具体如下：
将标准汞灯光源放置在载物台7上，开启标准汞灯光源，通过本发明的装置采集标准汞 灯光源的高光谱数据；通过The Environment for Visualizing Images(ENVI)软件查找特征谱 线，导出高光谱数据中不同特征谱线对应的像元坐标位置，将导出的高光谱数据的像元坐标 位置与特征谱线的标准波长(404.656nm、435.84nm、546.074nm、576.960nm、579.066nm) 采用三次多项式函数进行拟合，通过拟合公式计算相机像元对应的实际波长，完成系统的波 长标定。
λ(P)＝C0+C1P+C2P2+C3P3,P∈[0,n-1] (公式1)
该公式中：C0、C1、C2和C3是公式1所需计算的系数(为多项式系数)，P为高光谱数据的光谱维中不同特征谱线对应的像元坐标，λ(P)为不同特征谱线对应的波长。C0是P＝0时， 即光谱波段数编号为0位置的像元处的波长。利用标准汞灯光源的标准发射谱线以及公式1 可以确定4个系数值。
具体如下：
λ(P)为不同特征谱线对应的波长，在本发明中为标准汞灯光源在400～700nm处的特征谱 线，分别为404.656nm、435.84nm、546.074nm、576.960nm和579.066nm。
P为上述特征谱线在高光谱数据中光谱维对应的像元坐标。例如本发明的成像传感器16 采用的CCD成像传感器时，分辨率为1956*1456，空间维像元数为1956，光谱维像元数为 1456。
对于三次多项式函数，4组数据可求得C0、C1、C2和C3的具体数据，在本发明中，通过将404.656nm、435.84nm、546.074nm和579.066nm以及对应得坐标P代入公式1，计算C0、 C1、C2和C3。
计算完成后，选择546.074nm时的坐标P546.074代入已知C0、C1、C2和C3的公式1，计算出相对于的波长值λ546.074，与标准值进行比较。若差值小于1.0nm，则校准完成。
将上述校准完成后的C0、C1、C2和C3代入公式1，计算光谱维坐标1～1456对应的波长值 λ。
2、通过标准白板采集参考光谱数据，关闭电子目镜采集暗噪声数据：
打开光源控制装置6，光源23(卤素灯光源)预热至少15分钟；如为氙灯光源预热至少 3分钟；
在预热结束后，设置相机的曝光时间和相机在空间维和光谱维的binning模式，设置载物 台的移动速度；将标准白板放置在显微镜正下方，采集白板光谱数据作为参考光谱数据；关 闭显微镜的电子目镜，采集暗噪声数据，所述的标准白板具有高漫反射率，其材质为氧化钡、 硫酸钡或聚四氟乙烯材质中的一种。
具体如下：
预热完成后，将聚四氟乙烯标准白板放置在载物台7，打开显微镜3的电子目镜，在计 算机9中的高光谱数据采集软件中通过预览窗口观察成像传感器接收到的信号值，保证信号 值不高于成像传感器16像元的最大饱和信号值的80％，若高于最大饱和信号值的80％，通 过光源控制装置6调节光照强度，直至满足上述要求。设置载物台7的水平移动距离，载物 台7的移动速度后，通过采集软件采集标准白板的高光谱数据作为参考白板的光谱数据W； 关闭显微镜3的电子目镜，采集黑板数据D，黑板数据D指在无光照情况下，相机1采集的 信号值，该信号值为系统噪声值；
聚四氟乙烯标准白板为HSIA-CT-300×25白板，在400～800nm之间，光谱反射率大于98％。
3、采集待测物高光谱数据：
系统校准完成后，将待测物固定在载物台7上，微调显微镜3高度进行对焦，使得相机1 的焦点对准载物台7上的待测物，设置相机1的曝光时间、采集模式以及载物台7的移动速 度，计算机9同步控制步进电机8驱动载物台7的移动和相机1的数据采集，将数据输出到计算机上，获取高光谱图像数据；
载物台7采用步进电机8同轴连接高精度滚珠丝杠的设计方案驱动。在步进电机8的驱 动下，载物台7通过左右移动使待测物通过显微镜3成像于光谱仪的狭缝上。在相机1采集 的过程中，为防止出现漏扫现象，保证前后帧之间紧密相连或小部分重叠，相机1的帧速、 显微镜放大倍数、传感器的像元尺寸和电控载物台的移动速度满足如下比例关系(即，载物 台7的移动速度A，与相机1的曝光时间、显微镜3的放大倍数、相机1中成像传感器16的像元尺寸满足如下比例关系)：
其中s为相机的曝光时间，u为成像传感器16的像元尺寸，e为显微镜3的综合光学放大倍 数；
在计算机9中的操作界面设置载物台7的水平移动距离为1.5mm，设相机1的曝光时间 为50ms(相机1的采集帧速为20帧/s)，成像传感器像元大小为4.54μm*4.54μm，计算载物台7的移动速度。
显微镜3的综合光学放大倍数＝显微镜变焦倍率*辅助物镜倍率*C型接口倍率。
实例中，显微镜3的变倍镜最大倍率为4.5倍，辅助物镜4的倍率为1.5倍，显微镜中的 电子目镜的成像透镜11为0.5倍，电子目镜为C型转换接口，显微镜综合光学放大倍数为3.375 倍，则载物台的运动速度为4.54/(50*3.375)＝26.90μm/s。相机1采集待测物高光谱数据，计 算机9将相机1采集的高光谱数据保存在计算机9中的硬盘上；
4、待测物的高光谱数据采用空间非均匀的平场校正公式进行预处理：
其中：x,y表示待测物高光谱数据中像元在空间维上的坐标位置，λ表示像元在光谱维的坐 标；ICS(x,y；λ)是待测物高光谱数据中像元相对反射率单位归一化后的值。IS(x,y；λ)是待测物高光谱 图像中的像元信号值，ID(x；λ)是暗噪声像元信号值。IW(x；λ)是标准白板采集的像元信号值。
所述的Iw(x；λ)通过步骤2中采集的多帧参考白板高光谱数据W进行取平均值，优化方式如 公式3所示连续多帧标准白板高光谱数据W取均值：
Wx,i,λ为标准白板高光谱数据在空间维坐标x，第i帧，光谱维波段坐标λ处的像元信号值。
所述的ID(x；λ)数据通过步骤2中采集的多帧黑板数据D取均值，计算如下公式(4)所示：
其中Dx,i,λ表示暗高光谱数据在空间维坐标x，第i帧，光谱维波段坐标λ处的像元信号值。
采用线性插值函数计算400～700nm，间隔10nm的光谱反射率数据(400nm、410nm、420nm、……、690nm、700nm)。
Rj为待计算相应波段的反射率数据，j∈[λi～λi+1]，实施例中j为400nm、410nm、420nm、……、 690nm、700nm，i为高光谱数据空间维像元坐标，λi为光谱维像元对应的预测波长值，该 值通过公式1所得，Ri为经过公式2预处理后的高光谱数据。
5、将公式5预处理后的待测物高光谱数据转换为D65光源下、2度观察者角度的CIEXYZ 数据：
其中X、Y和Z为本发明所需计算的三刺激值，R(λ)为待测物的高光谱数据经公式5线性 插值计算后的反射率数据，S(λ)、
和
数据为ASTM E308标准中相对应的数据，其中 S(λ)为标准光源的相对光谱功率分布，本例中S(λ)选择D65光源的相对光谱功率分布数据， 
和
为标准色度观察者的光谱三刺激值，本例中
和
选择2°标准色度观察者 的光谱三刺激值，k为归一化系数，dλ为波长间隔，本实施例中采用10nm。
通过公式7将公式6计算所得的CIE XYZ数据转换为D65、2°观察者条件下的CIELAB 色度数据：
q指公式7中函数f的自变量，当q>0.008856，
或q<0.008856，
X、Y和Z是公式6的计算结果。在ASTM E308-01标准中Xn、Yn和Zn是指定光源和标准 色度观察者条件下白色的三刺激值，常见不同光源和标准色度观察者的对应关系见表1。大 多数情况下为CIE标准照明体照射在完全漫反射体上，再经过漫反射面反射的三刺激值， Yn＝100。在ASTM E308-01标准中D65、2°观察者条件下的Xn、Yn和Zn分别为95.047、100.000 和108.883。
表1、同光源和标准色度观察者下的Xn、Yn、和Zn关系
说明：本发明的装置是用于采集待测物的反射率数据，并通过公式2进行反射率校正。校 正完成后的反射率数据可以转换为某种观察环境下的颜色值。具体的，本发明中的D65光源、 2°观察者角度是指将校正完后的反射率数据转换为该条件下显示的颜色值，D65光源、2° 观察者条件是本发明中特指的一种情况，依照ASTM E308标准，标准光源不限于D65，也可 以是A、D50、D55等，观察者条件为2°或者10°。
应用案例1、
1)、采用本发明实施例1中的装置进行光谱校准：
装置采集标准汞灯光源测得的特征谱线对应的光谱维坐标数据，如下表2：
表2、标准汞灯光源的特征谱线对应的光谱维坐标
选择λ1、λ2、λ3、λ5的标准波长和对应的平均坐标值代入公式1，得到C0、C1、C2和C3系数，本例中公式1计算后的结果如公式8所示：
λ(P)＝358.36+0.307P+3.725×10-5P2-5.503×10-9P3 (公式8)
通过公式计算成像传感器光谱维1～1456像元对应的波长值。根据公式8可知，λ4坐标665 的预测波长为577.67，与标准值相差0.71，满足校准要求。
表3、标准汞灯光源校准结果
光谱准确度
光谱校准完后的装置采集标准汞灯光源高光谱数据，选取10个空间像元，通过ENVI软 件导出光谱维坐标148、245、574、665和669的对应的波长和光谱分辨率数据，统计相应 的标准差和装置的光谱准确度。本装置的准确度结果如下表4：
表4、显微高光谱成像系统的光谱准确度
注：光谱分辨率为标准汞灯光源的特征谱线的半宽峰高，SD指标准偏差。
如表4所示，本装置的平均光谱分辨率约为2.09±0.21nm，略低于Datacolor 600型分光 测色仪，但高于其余2个常见的商业测色仪。
2)、本装置的重复性能测量结果：短期重复性能测试方法：
ASTM E2214-08标准规定了颜色测量仪器重复性测试方法。短期重复性连续快速重复测 量标准白板30次，测量过程中将PTFE标准白板固定于载物台上，测量所得的反射率数据(见 短期重复性测量数据)转换为D65、2°标准色度观察者条件下的CIE L*a*b*颜色值，并通过 公式9计算MCDM值。实例结果显示本装置重复性MCDM值为0.0294。
与商业测色仪之间的比较：
如表5所示为目前商业上的常见测色仪的参数，本发明装置的短期重复性结果与目前商 业上的测色仪器的短期重复性结果相接近。
表5、目前商业上的常见测色仪的参数
注：CS800是杭州彩谱科技有限公司制造的商业台式分光测色仪，Datacolor 600型是Datacolor 公司制造的台式分光测色仪，Spectravision是Datacolor公司制造的多光谱成像测色仪。
对比例1：将本装置的照明方式改为常规的45°对称照明方式。
将实施例1中的环形光源采用更改为2盏21V，150瓦特的卤素灯(EKE 21V 150W,Philips, Amsterdam,the Netherlands)以45°：0°几何条件(45°方向照明，0°方向接收)进行短期重复 性测试实验。连续快速重复采集PTFE标准白板高光谱数据30次。
对比例1的短期重复性MCDM值为0.140。
应用案例2、
1)待测物一的实验：单色羊毛纤维的颜色测量
载物台7移动距离1.50mm，曝光时间为50ms，载物台7移动速度为0.026mm/s。
本实验中的计算以纤维对应的高光谱数据空间坐标为(337，402)的单像元为例，其他空 间区域内的像元计算相同。
校准后的反射率数据提取400～700nm之间的反射率数据，如下表6：
表6、待测物一高光谱数据在空间坐标为(337，402)的反射率数据
| 波长 | 反射率 | 波长 | 反射率 |
| 400 | 0.015116 | 560 | 0.068725 |
| 410 | 0.064739 | 570 | 0.100048 |
| 420 | 0.047816 | 580 | 0.155705 |
| 430 | 0.03478 | 590 | 0.195096 |
| 440 | 0.04808 | 600 | 0.212705 |
| 450 | 0.053527 | 610 | 0.220238 |
| 460 | 0.041124 | 620 | 0.231677 |
| 470 | 0.041277 | 630 | 0.22836 |
| 480 | 0.038575 | 640 | 0.253078 |
| 490 | 0.033127 | 650 | 0.283381 |
| 500 | 0.034572 | 660 | 0.340322 |
| 510 | 0.034892 | 670 | 0.386198 |
| 520 | 0.038772 | 680 | 0.43101 |
| 530 | 0.040396 | 690 | 0.460205 |
| 540 | 0.045315 | 700 | 0.488551 |
| 550 | 0.051581 |
并将反射率数据通过公式5转换为不同光源下、不同标准色度观察者角度条件下的CIE XYZ数据，依据ASTM E308标准，公式5需改变相对应标准光源S(λ)和对应标准色度观察 者
和
的数据，数据转换结果如下表7：
表7、反射率数据通转换为不同光源下、不同标准色度观察者角度条件下的CIEXYZ和 CIE Lab数据
以D65光源、2度标准色度观察者角度条件为例，被测物经校准后的高光谱数据转为D65 光源、2度标准色度观察者角度条件下的的显微图像如图7所示，能够测量空间区域内的颜 色，识别颜色变化情况。
说明：不同光源、不同观察者条件指在颜色测量过程中，将反射率转换为某种光源下、 某种观察者条件下下对应的颜色值，不同光源并非指采集数据时采用的光源，而是国际照明 标准委员会CIE规定的标准光源(如A、D65光源)，其相对光谱功率分布为定值；观察者条 件同样为标准观察者条件，目前有CIE 1931(2°)和CIE 1964(10°)两种情况，上述不同光 源、不同观察者条件仅在将反射率转换为颜色值时采用。
待测物一的对比实验：
一、采用Datacolor公司的600型台式分光测色仪，最小测量孔径为6.6mm的测量单色 纤维织物，并将结果与实施例2中的坐标(337，402)的单像元、0.2mm*0.2mm纤维空间 区域、0.98mm*1.5mm区域的平均反射率，并将结果与相比较，波段选择范围为400～700nm。
反射率结果如图8所示。
因此：
(1)本装置测量结果与Datacolor 600型测量的反射率曲线相似，随着高光谱数据选择 区域的增大，反射率曲线越相似，原因在于Datacolor 600型分光测色仪测得是测量孔径内的 平均反射率，测量结果受到纱线间阴影的影响，无法测得单根纤维颜色。本装置通过成像测 色的方法，能够测量单根纤维的反射率，并将反射率转换为颜色值，实现单根纤维颜色测量 的目的。
(2)本装置测得的反射率数据能够通过数据统计分析的方法(如均值处理)，消除噪点 影响，提高测量稳定性。本实例中单个像元在410nm处出现波动，而采用0.20mm*0.20mm 区域均值处理后，该点噪点下降。
CIE L*a*b*颜色值结果：
本实验将所有反射率转换为D65、2°色度观察者条件下的CIE L*a*b*颜色值，结果如下 表8所示：
表8、不同对象反射率转换为D65、2°色度观察者条件下的CIE L*a*b*颜色值
| 对象 | L* | a* | b* |
| 单像元(1.33μm*1.33μm) | 38.369 | 31.918 | 23.338 |
| 0.20mm*0.20mm | 37.275 | 26.855 | 26.368 |
| 0.98mm*1.50mm | 33.444 | 24.423 | 23.554 |
| Datacolor 600(6.6mm) | 29.531 | 23.343 | 22.269 |
二.颜色比较结果：
以Datacolor 600型分光测色仪测得的CIE L*a*b*颜色值为参照数据，与本发明装置测得 得结果进行色差比较，色差公式选用CIEDE2000(2:1:1)。色差结果标记为ΔE00，比较如下表 9所示：
表9、本装置与Datacolor 600型分光测色仪的测量织物的色差比较结果
| 对象 | ΔE<sub>00</sub> |
| 单像元(1.33μm*1.33μm) | 5.6806 |
| 0.20mm*0.20mm | 3.7772 |
| 0.98mm*1.50mm | 1.6865 |
结果表明，本装置的测量结果与现有商业测量结果较接近，随着测量区域增加，反射率曲 线相似度越高，色差越小。
(1)对比例采用datacolor 600型分光测色仪，无法测量单根纤维或者单根纱线的反射率 数据，本实施例中装置采用1.5倍辅助物镜，成像传感器的每个像元实际测量大小为1.33μm* 1.33μm区域的反射率数据，满足微米级别颜色测量的需求。本装置最大可选2.0倍辅助物镜， 成像传感器的每个像元最高实际测量大小为1.01μm*1.01μm，相比较Datacolor 600型分光 测色仪的最小测量孔径6.6mm，本装置极大地提高了空间分辨率，实现微米级别颜色测量。
(2)本发明装置采用推扫式成像测量方法，能够逐行采集每个空间坐标位置的反射率数 据，相比较显微分光光度计的依次逐点采集反射率数据方法，本发明装置具有测量效率高， 测量稳定，测量精度高等优点。
待测物二的实验：色纺织物测量：(色纺织物指2种及以上颜色纤维混合后，纺纱织造的 织物)
将待测物改成了色纺织物，其余参照“待测物一的实验”。所得结果如下：
色纺织物显微图像如图9所示；因此，通过本装置能够测量图像中每个像元的颜色值，实 现对色纺纱织物中纤维颜色测量的目的。
不同纤维区域的反射率曲线图如图10所示；A、B、C三个区域是本发明测得的不同颜 色纤维的反射率，Datacolor 600指采用Datacolor 600型分光测色仪最小测量孔径6.6mm测 得的反射率曲线。A、B、C以及Datacolor 600测得的反射率转换为D65、2°色度观察者条 件下CIE L*a*b*值如下表10。
表10
| 对象 | L* | a* | b* |
| A | 35.441 | 24.713 | 19.832 |
| B | 29.983 | 28.335 | -6.911 |
| C | 24.032 | 11.348 | -15.497 |
| Datacolor 600 | 28.012 | 19.244 | 5.626 |
通过图10和表10，可获得以下结论：
1.相比较Datacolor 600型分光测色仪一次测量最小孔径内的平均反射率，本发明能通 过一次采集流程，同时测量不同空间区域中的颜色测量值；
2.通过自由选择区域大小并对区域内的光谱反射率做均值处理，提高测量反射率数据的 稳定性，降低噪声影响。
3.相比较Datacolor 600型分光测色仪一次测量最小孔径内的平均反射率，本发明识别 微米级空间区域内的颜色变化情况。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限 于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出 或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
包括位于暗室(10)内的带有成像传感器(16)的相机(1)、带有狭缝(12)和成像物镜(15)的分光仪(2)、显微镜(3)、辅助物镜(4)、环形光源(5)和载物台(7)；还包括位于暗室(10)外的光源控制装置(6)和计算机(9)；显微镜(3)的电子目镜带有成像透镜(11)；
在载物台(7)的上方，从上至下依次设置相机(1)、分光仪(2)、显微镜(3)、辅助物镜(4)和环形光源(5)；相机(1)的成像传感器(16)置于分光仪(2)的成像物镜(15)的像平面上，显微镜(3)的成像透镜(11)位于分光仪(2)的狭缝(12)的正下方；在显微镜(3)的物镜正下方设置辅助物镜(4)，环形光源(5)的出光端位于显微镜(3)物镜的正下方；载物台(7)与步进电机(8)相连；
光源控制装置(6)带有光源(23)，由光源(23)向环形光源(5)提供光；
计算机(9)分别与相机(1)、步进电机(8)信号相连。
2.根据权利要求1所述的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
所述环形光源(5)为环形光纤光源，包括组成一体的外反射镜(18)、内反射镜(19)和光纤出射端(20)；外反射镜(18)和内反射镜(19)均为中空圆锥型，内反射镜(19)被套装在外反射镜(18)的内腔中，外反射镜(18)的内表面积为反射面，内反射镜(19)的外表面积为反射面；
内反射镜(19)顶部低于外反射镜(18)的顶部；辅助物镜(4)位于内反射镜(19)的正上方；
光纤出射端(20)的横截面呈环形，光纤出射端(20)位于外反射镜(18)与内反射镜(19)所围合形成的空间内；
内反射镜(19)顶部的外径小于光纤出射端(20)的内径，内反射镜(19)顶部的内径大于辅助物镜(4)的外径；
环形光源(5)可调节相对于辅助物镜(4)的高度位置关系。
3.根据权利要求2所述的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
外反射镜(18)的倾斜角度大于内反射镜(19)的倾斜角度。
4.根据权利要求1～3任一所述的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
所述分光仪(2)是基于衍射光栅的棱镜-光栅-棱镜，包括从下至上依次设置的狭缝(12)、准直物镜(13)、PGP分光器件(14)和成像物镜(15)；
相机(1)的成像传感器(16)置于成像物镜(15)的像平面上，显微镜(3)的电子目镜的成像透镜(11)位于狭缝(12)的正下方；
位于载物台(7)上的待测物的反光经过显微镜(3)物镜的光学放大后，经过显微镜(3)的电子目镜中的成像透镜(11)聚焦在狭缝(12)处，狭缝(12)作为视场光阑，通过狭缝(12)入射的光经过准直物镜(13)准直后入射至PGP分光器件(14)，经PGP分光器件(14)色散分光后的光线，通过成像物镜(15)聚焦在相机(1)中的成像传感器(16)的像平面处。
5.根据权利要求4所述的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
光源控制装置(6)包括光源(23)，在光源(23)的前方依次设置有红外截止滤光片(22)、平凸透镜(21)和光纤入射端(24)，光源(23)发出的光先通过红外截止滤光片(22)进行滤光减少热量；再通过平凸透镜(21)使光平行后通过光纤入射端(24)导光到光纤出射端(20)。
6.根据权利要求5所述的用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统，其特征是：
光源控制装置(6)还包括光强调节旋钮(25)、PCB板(26)、电源开关(27)、精密恒流源(28)；
电源开关(27)、光强调节旋钮(25)分别与PCB板(26)连接；精密恒流源(28)的一端与PCB板(26)连接，另一端分别与光源(23)和风冷散热装置(29)相连。
7.基于显微高光谱成像的颜色测量方法，其特征是依次包括以下步骤：
1)、系统校准：通过标准汞灯光源进行波长标定；
2)、通过标准白板采集参考光谱数据；
3)、采集待测物高光谱数据：
将待测物固定在载物台(7)上，微调显微镜(3)高度进行对焦，使得相机(1)的焦点对准载物台(7)上的待测物，计算机(9)同步控制步进电机(8)驱动载物台(7)的移动和相机(1)的数据采集，获取高光谱图像数据；
A为载物台(7)的移动速度，s为相机(1)的曝光时间，u为成像传感器(16)的像元尺寸，e为显微镜(3)的综合光学放大倍数；
4)、待测物的高光谱数据采用空间非均匀的平场校正公式进行预处理：
x,y表示待测物高光谱数据中像元在空间维上的坐标位置，λ表示像元在光谱维的坐标；ICS(x,y；λ)是待测物高光谱数据中像元相对反射率单位归一化后的值；IS(x,y；λ)是待测物高光谱图像中的像元信号值，ID(x；λ)是暗噪声像元信号值；IW(x；λ)是标准白板采集的像元信号值；
采用线性插值函数计算光谱反射率数据；
Rj为待计算相应波段的反射率数据，j∈[λi～λi+1]，i为高光谱数据空间维像元坐标，λi为光谱维像元对应的预测波长值，Ri为经过公式2预处理后的高光谱数据；
5)、将公式5预处理后的待测物高光谱数据转换为设定光源下、设定度观察者角度的CIE XYZ数据，最终转换为CIE LAB色度数据。
8.根据权利要求7所述的基于显微高光谱成像的颜色测量方法，其特征是所述步骤5)为：
将公式5预处理后的待测物高光谱数据转换为D65光源下、2度观察者角度的CIE XYZ数据：
其中X、Y和Z为所需计算的三刺激值，R(λ)为待测物的高光谱数据经公式5线性插值计算后的反射率数据，S(λ)、
和
数据为ASTM E308标准中相对应的数据，其中S(λ)为标准光源的相对光谱功率分布，
和
为标准色度观察者的光谱三刺激值，k为归一化系数，dλ为波长间隔；
通过公式7将公式6计算所得的CIE XYZ数据转换为D65、2°观察者条件下的CIE LAB色度数据：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011441521.2A CN112710395B (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011441521.2A CN112710395B (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112710395A true CN112710395A (zh) | 2021-04-27 |
| CN112710395B CN112710395B (zh) | 2024-07-26 |
Family
ID=75543013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011441521.2A Active CN112710395B (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112710395B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114264452A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-01 | 厦门大学 | 一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法 |
| CN115100082A (zh) * | 2022-08-24 | 2022-09-23 | 浙江大学 | 一种基于高光谱相机的高精度颜色显示系统 |
| CN115290301A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-11-04 | 苏州矽行半导体技术有限公司 | 一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法 |
| CN115493698A (zh) * | 2022-11-18 | 2022-12-20 | 深圳市华众自动化工程有限公司 | 一种基于rgb的颜色识别传感器 |
| CN116412912A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-11 | 长春长光辰谱科技有限公司 | 批量采集微型光谱仪及其采集方法 |
| CN118442918A (zh) * | 2024-07-08 | 2024-08-06 | 聊城大学 | 一种非对称双目镜成像测量显微镜及测量方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2289557A1 (en) * | 1997-05-16 | 1998-11-19 | Timothy P. White | Flexible lighting element circuit and method of manufacturing the same |
| JP2001311664A (ja) * | 2000-04-28 | 2001-11-09 | Minolta Co Ltd | 測光装置 |
| JP2003247912A (ja) * | 2002-02-22 | 2003-09-05 | Mitsubishi Chemicals Corp | 微小測定対象要素の検査装置、カラーフィルタの検査装置、微小測定対象要素の検査方法、画素付き基板の製造方法およびプログラム |
| US20040223165A1 (en) * | 2003-03-14 | 2004-11-11 | Omron Corporation | Optical film measuring device |
| CN1563947A (zh) * | 2004-03-18 | 2005-01-12 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 显微高光谱成像系统 |
| JP2008026147A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Dainippon Printing Co Ltd | カラーフィルタの検査装置及びカラーフィルタの検査方法 |
| CN110243476A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-09-17 | 邬伟 | 在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱led照明装置 |
-
2020
- 2020-12-08 CN CN202011441521.2A patent/CN112710395B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2289557A1 (en) * | 1997-05-16 | 1998-11-19 | Timothy P. White | Flexible lighting element circuit and method of manufacturing the same |
| JP2001311664A (ja) * | 2000-04-28 | 2001-11-09 | Minolta Co Ltd | 測光装置 |
| JP2003247912A (ja) * | 2002-02-22 | 2003-09-05 | Mitsubishi Chemicals Corp | 微小測定対象要素の検査装置、カラーフィルタの検査装置、微小測定対象要素の検査方法、画素付き基板の製造方法およびプログラム |
| US20040223165A1 (en) * | 2003-03-14 | 2004-11-11 | Omron Corporation | Optical film measuring device |
| CN1563947A (zh) * | 2004-03-18 | 2005-01-12 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 显微高光谱成像系统 |
| JP2008026147A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Dainippon Printing Co Ltd | カラーフィルタの検査装置及びカラーフィルタの検査方法 |
| CN110243476A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-09-17 | 邬伟 | 在线式非接触分光测色仪用45度环形全谱led照明装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张盼: "基于高光谱成像的单色织物颜色测量方法研究", 中国优秀硕士学位论文全文库, 31 December 2018 (2018-12-31) * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114264452A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-01 | 厦门大学 | 一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法 |
| CN115100082A (zh) * | 2022-08-24 | 2022-09-23 | 浙江大学 | 一种基于高光谱相机的高精度颜色显示系统 |
| CN115290301A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-11-04 | 苏州矽行半导体技术有限公司 | 一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法 |
| CN115290301B (zh) * | 2022-09-29 | 2023-01-17 | 苏州矽行半导体技术有限公司 | 一种高信噪比图像获取装置及点扩散函数测量方法 |
| CN115493698A (zh) * | 2022-11-18 | 2022-12-20 | 深圳市华众自动化工程有限公司 | 一种基于rgb的颜色识别传感器 |
| CN116412912A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-11 | 长春长光辰谱科技有限公司 | 批量采集微型光谱仪及其采集方法 |
| CN116412912B (zh) * | 2023-06-12 | 2023-08-29 | 长春长光辰谱科技有限公司 | 批量采集微型光谱仪及其采集方法 |
| CN118442918A (zh) * | 2024-07-08 | 2024-08-06 | 聊城大学 | 一种非对称双目镜成像测量显微镜及测量方法 |
| CN118442918B (zh) * | 2024-07-08 | 2024-08-30 | 聊城大学 | 一种非对称双目镜成像测量显微镜及测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112710395B (zh) | 2024-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112710395B (zh) | 用于微米级别颜色测量的显微高光谱成像系统及测色方法 | |
| CN104501960B (zh) | 一种基于led光源的分光测色仪及其实现方法 | |
| CN200989826Y (zh) | 光谱色彩分析仪 | |
| CN109655233B (zh) | 一种多路光谱成像显示屏光学检测系统及其检测方法 | |
| Liang et al. | A new multi-spectral imaging system for examining paintings | |
| CN110207824A (zh) | 基于高光谱图像采集的纺织品颜色测量系统及方法 | |
| CN111413070A (zh) | 亮度检测装置及其检测方法 | |
| TW202140995A (zh) | 表面輪廓測量系統 | |
| CN105157842A (zh) | 一种带重复性优化装置的双光路分光测色仪和优化方法 | |
| CN102997995B (zh) | 一种波长和光谱能量自动校准的便携式分光色彩照度计 | |
| US7324272B1 (en) | Spectroscopic microscope with multi-mode illumination | |
| US11486828B2 (en) | Fluorescence photometer and observation method | |
| KR20070092577A (ko) | 광학 감지 시스템 및 이러한 광학 감지 시스템을 갖는 칼라분석기 | |
| KR100385923B1 (ko) | 고 분해능 다기능 분광 측색기 | |
| CN106124054A (zh) | 一种大幅面光谱分光成像测色装置 | |
| CN214502673U (zh) | 色度仪 | |
| CN214951807U (zh) | 一种基于多色led光谱成像的测色装置 | |
| CN214951806U (zh) | 一种基于多光谱成像的测色装置 | |
| CN1560585A (zh) | 镜片透射比快速测量方法和装置 | |
| CN117063049A (zh) | 包括光学复用器的光学系统 | |
| Fontana et al. | Multi-spectral IR reflectography | |
| TWI404922B (zh) | Spectral spectral measurement system | |
| Qiu et al. | Evaluation of the color measurement based on a microscopic hyperspectral imaging system | |
| CN107462326A (zh) | 一种基于线阵cmos全谱扫描光谱仪的对光方法 | |
| CN114791323B (zh) | 一种高光谱颜色测量系统及测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |