CN115615544A - 光谱测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种光谱测量装置以及光谱测量方法。该光谱测量装置包括：多个第一光发射单元(11)，每个第一光发射单元适于发射具有处于第一波段范围的第一发射光谱的光，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关，所述多个第一光发射单元能够被操作地分时发射具有对应的第一发射光谱的光至待测物体；第一单点光探测器(15)，其适于分别探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；计算装置，其适于基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。

Description

光谱测量装置及其测量方法
技术领域
本公开的各实施例涉及光谱测量领域，更具体地涉及一种光谱测量装置及其测量方法。
背景技术
光谱分析技术一般指通过分析光与物质的相互作用现象，包括吸收、荧光、拉曼散射等，分析物质结构、成分及其含量等物质性质。传统的光谱分析技术核心在于分光，常见的方法包括光栅分光、棱镜分光、可调滤波器分光等。
近些年兴起的高光谱技术将成像技术与光谱技术相结合，同时探测目标物体的几何图像及物体的光谱信息，这样，高光谱技术不仅可以获得任一个谱段的影像信息，还可以获得图像上每个点的光谱数据。
发明内容
本公开的目的在于提供了一种改进的光谱测量装置及其光谱测量方法，其至少可以在基本上不增加成本或占用空间的情况下，将光谱测量扩展到诸如红外和/或紫外波段的更宽波段范围。
根据本公开的第一方面，其提供了一种光谱测量装置。该光谱测量装置包括：多个第一光发射单元，每个第一光发射单元适于发射具有处于第一波段范围的第一发射光谱的光，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关，所述多个第一光发射单元能够被操作地分时发射具有对应的第一发射光谱的光至待测物体；第一单点光探测器，其适于分别探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；计算装置，其适于基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
利用本公开的光谱测量装置，可以简单地利用单点光探测器来实现对待测物体的反射率光谱的测量。这对于降低光谱测量设备的所占空间和成本是非常有利的。特别地，本公开的光谱测量装置可以应用在诸如手机的智能电子设备中，以实现对诸如红外和/或紫外波段的反射光谱的测量。
在一些实施例中，光谱测量装置还可以包括多个第二光发射单元，每个第二光发射单元适于发射处于第二波段范围的第二发射光谱的光，其中任意两个第二光发射单元所发射的第二发射光谱互不相关，所述多个第二光发射单元能够被操作地分时发射对应的第二发射光谱至待测物体；以及二维成像探测器，其适于探测从每个第二光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；所述计算装置还适于基于所述多个第二发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第二波段范围内的第二反射率光谱。在这些实施例中，可以有利地结合诸如普通相机或摄像头的二维成像探测器来实现对待测物体的可见光波段的高光谱信息的测量。也就是说，在该布置下，不仅可以测量物体在可见光波段的几何成像，还可以测量物体在可见光波段的高光谱信息。
在一些实施例中，所述第一波段范围为红外波段或紫外波段中之一的波段范围，所述第二波段范围是可见光的波段范围。
在一些实施例中，还包括多个第三光发射单元，每个第三光发射单元适于发射处于第三波段范围的第三发射光谱的光，其中任意两个第三光发射单元所发射的第三发射光谱互不相关，所述多个第三光发射单元能够被操作地分时发射对应的第三发射光谱至待测物体；以及第二单点光探测器，其适于探测从每个第三光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；所述计算装置还适于基于所述第三发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第三波段范围内的第三反射率光谱。在这些实施例中，可以利用两个单点光探测器来分别测量除可见光波段之外的诸如紫外和红外波段的光谱信息，这样可以同时满足测量紫外和红外波段的反射光谱的需求。
在一些实施例中，所述第三波段范围为所述红外波段和紫外波段中的与所述第一波段范围不同的波段范围。
在一些实施例中，确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱包括：将多个第一发射光谱离散化成离散矩阵；基于所述离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测物体在所述第一波段范围内的所述第一反射率光谱。
在一些实施例中，基于所要求的第一反射率光谱在第一波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定所述多个第一光发射单元的数目。以这种方式，可以有利地减少多个第一光反射单元的数目。
在一些实施例中，所述第一单点探测器定位在所述多个第一光发射单元形成的阵列之间，或者所述第一单点探测器邻近所述阵列设置。以这种方式，可以使得光谱测量装置更加紧凑。
在一些实施例中，所述多个第一光发射单元均为光谱编码调制光源。
在一些实施例中，所述第一单点探测器是光电二极管。
在一些实施例中，所述二维成像探测器是相机或摄像头。
根据本公开的第二方面，提供了一种电子装置，该电子装置包括根据第一方面中的光谱测量装置。
根据本公开的第三方面，提供了一种光谱测量方法。该光谱测量方法包括：使多个第一光发射单元分时发射处于第一波段范围的第一发射光谱的光至待测物体，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关；经由第一单点光探测器探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
在一些实施例中，确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱包括：将多个第一发射光谱离散化成离散矩阵；基于所述离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测物体在所述第一波段范围内的所述第一反射率光谱。
在一些实施例中，基于所要求的第一反射率光谱在第一波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定所述多个第一光发射单元的数目。
根据本公开的第四方面，提供了一种光谱测量装置。该光谱测量装置包括：光谱调制器件，其适于对待测光信号进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号；单点光探测器，其适于分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强；计算装置，其适于基于所述多个互不相关的调制光谱信号和对应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。
利用该光谱测量装置，可以实现对从某些光发射源发出的光信号直接进行光谱测量，从而无需预先使用分光设备对待测光信号进行分光。这使得待测光信号的光谱测量变得简单。
在一些实施例中，所述光谱调制器件是滤光片轮，所述滤光片轮上设置有多个滤光片，所述滤光片轮适于被操作地分时使所述待测光信号遍历所述多个滤光片，以产生所述多个互不相关的调制光谱信号。以这种方式，可以方便地调制产生多个互不相关的光谱信号
在一些实施例中，确定所述待测光信号的光谱包括：基于对所述调制光谱离散化所形成的离散矩阵和每个调制光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测光信号的光谱。
根据本公开的第五方面，提供了一种光谱测量方法。该方法包括：使用光谱调制器件对待测光信号进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号；使用单点光探测器分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强；基于所述多个互不相关的调制光谱信号和每个调整光谱信号所对应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。
在一些实施例中，所述光谱调制器件是滤光片轮，其中使用所述光谱调制器件对待测光信号进行调制包括：使待测光信号遍历所述滤光片轮上的多个滤光片，来产生多个互不相关的调制光谱信号。
还应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开实施例的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1a示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的结构示意图。
图1b示出了根据本公开的示例实施例的互不相关光谱的示意图。
图2示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的变形示例的结构示意图。
图3示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的又一变形示例的结构示意图。
图4示出了根据本公开的第一实施方式的第一单点光探测器被布置在光源阵列之间的结构示意性图。
图5示出了根据本公开的第一实施方式的第一和第二单点光探测器被布置在光源阵列之间的结构示意性图。
图6示出了针对单点探测器配置汇聚透镜的光学结构的示意图。
图7示出了根据本公开的第一实施方式的光谱测量方法的流程图。
图8示出了根据本公开的第二实施方式的用于测量光谱的装置的结构示意图。
图9示出了根据本公开的第二实施方式的用于测量光谱的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
如背景技术中所述的，高光谱技术在光谱结合成像方面取得了一些应用和进展。目前，高光谱技术主要有可调滤波器+相机、空间滤波膜+相机、和光源调制+相机这三种典型的技术架构。
基于可调滤波器+相机的第一种高光谱技术架构，是在传统相机镜头前面放置一个透射式可调滤波器(比如液晶可调滤波器)，利用透射式可调滤波器对物体反射的物光以一定的波长间隔进行窄带滤波扫描，进而利用相机对透过滤波器的各个窄谱段的物光进行成像，最后得到目标物体在各个窄谱段的图像矩阵，这样的图像矩阵包含了物体上各个物点的光谱信息。基于空间滤波膜+相机的第二种高光谱技术架构，是在普通的数码相机感光芯片上镀一层滤光薄膜，这种薄膜在不同区域透过不同波段的光信号，因此物光通过这种空间滤波薄膜之后，形成多个谱段拼接而成的物体高光谱图像。基于光源调制+相机的第三种高光谱技术架构，则是一种新型的基于压缩感知(CS,Compressed Sens ing)算法的光谱技术，其通过对照明光源进行一系列光谱调制并投射到待测物体上，从待测物体反射的调制光信号被相机接收并拍照。经过压缩感知算法，可以重构计算出待测物体的光谱信息。
对上述三种典型的高光谱技术架构进行比较，本领域技术人员容易理解，在相机镜头前置可调滤波器的第一种技术架构增加了设备的体积，设置空间滤波膜的第二种技术架构增加了技术复杂度，而对于基于光源调制+相机的第三种技术架构，其可以在仅改变照明模式的情况下实现反射谱的测量，因此可以更为有利地应用在诸如手机的智能电子设备中，并且体积更小，成本更为节约。
为了更好地理解上述第三种技术架构，下面简单地介绍上述第三种技术架构的具体实现原理。
如前所述，该第三种技术架构可以通过由多个光发射单元(例如M个光发射单一)朝向待测物体发射一组互不相关的光谱(例如M个发射光谱)，然后经由相机捕获从待测物体反射的反射率光谱来实现。
这里，如本文所使用的，术语“互不相关(或线性无关)的光谱”可以在数学上被表征为：在M个发射光谱离散后所形成的M个发射谱向量(其中每个发射光谱离散形成一个发射谱向量)构成的向量组中，没有一个发射谱向量可以用其他发射谱向量的线性组合来表示，其中M≥2。
作为举例，这里假设使用一个包含M个光发射单元的LED光源阵列作为宽谱光源，每一个光发射单元的宽发射光谱与其他光发射单元发射的光谱互不相关，这种互不相关的光谱可以被预先设计(也被称为编码调制)，而后可以依次触发各个光发射单元发射光波，分时照明待测物体。待测物体的反射光信号被相机所接收并成像。然后，待测物体的反射率光谱P(λ)可以依据如下的计算原理而获得：
令LED光源阵列中的M个光发射单元的多个互不相关发射光谱表示为Si(λ),i＝1,2…M,将发射光谱Si(λ)和待测物体的反射率光谱P(λ)分别离散化成矩阵SMN和PN。考虑待测物体上的任意物点对应的像点光强为Ii,i＝1,2…M,则有：
Figure BDA0003167393140000061
上述等式(1)中的P矢量代表波长离散的反射率光谱。将会理解，如果能求解出P矢量，那么就可以得到了对应物点的反射率光谱。这里，假设考虑反射率光谱为宽谱，比如可见区域400nm-700nm，并且假设期望光谱分辨率为1nm,那么可以设定N＝700-400＝300,而M为光源阵列中光发射单元的数目。一般而言，出于各方面的考虑(例如，光源数目和所占用空间等的限制)，一般设计使得M<N。此时，依据上述等式(1)所获得的方程组为欠定方程组，无法确定解出反射率光谱P。然而，考虑到反射率光谱一般可以在稀疏基上表示成稀疏信号(信号稀疏是指信号向量只有少数非零元素)，这时就可以通过压缩感知算法精确重构上述欠定方程的解，这样即可获得待测物体的反射率光谱P。因此，在上述第三种技术架构下，使用M个(M<N)互不相关的光源阵列，采用普通照相机成像，即可通过压缩感知算法来重构出高光谱精度的待测物反射谱。
从以上的描述可知，上述第三种技术架构具有结构简单，成本低，体积小的特点，非常适合在诸如手机，可穿戴等消费电子平台上应用。然而，发明人注意到，上述第三种技术架构在光谱波段的扩展应用方面可能是有所欠缺的。
譬如，传统手机摄像头的感光区间通常仅为可见光区域，很多重要的光谱检测场景如蔬菜农药残留检测，农作物病虫害检测，皮肤美容检测等需要的光谱感知范围为深紫外-可见-红外波段，而深紫外或者红外波段的摄像头价格相对昂贵，不利于消费电子产品的应用。此外，对于上述诸如蔬菜农药残留检测，农作物病虫害检测、皮肤美容检测的光谱检测场景而言，追求在深紫外和/或红外波段的高光谱检测也没有必要。
本公开的目的在于提出一种改进的第三种技术架构，其仍然利用光谱调制光源以及压缩检测算法，但可以在基本上不增加成本且占用空间的情况下，将光谱测量扩展到红外和/或紫外波段的波段范围。以这种方式，本公开的改进后的第三种技术架构可以有效地解决普通手机摄像头感光波段的限制，并且可做到低成本，体积紧凑，方便集成到智能手机等消费电子平台。
图1a示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的结构示意图。如图1a所示，该装置10包括多个第一光发射单元11、第一单点光探测器15以及计算装置(未示出)。
根据本公开的设计，多个第一光发射单元11中的每个第一光发射单元11适于发射具有处于第一波段范围的第一发射光谱的光，其中任意两个第一光发射单元11所发射的第一发射光谱互不相关，并且多个第一光发射单元11能够被操作地分时发射具有对应的第一发射光谱的光至待测物体1。
在一些实施例中，多个第一光发射单元11可以形成光源阵列。将会理解，图1a中所示的多个第一光发射单元11的数目仅仅是示例。在其他实施例中，多个第一光发射单元11不形成阵列也是可能的。如上所述的，多个第一光发射单元11中的任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱被设计成互不相关的。为了实现该互不相关的第一发射光谱，该多个第一光发射单元例如可以为光谱编码调制光源。这例如可以通过预先为光源阵列中的各个光发射单元设计合适的滤光器来实现。作为示例，图1b示出了根据本公开的示例实施例的互不相关光谱的示意图。注意，尽管图1b中示出了8个互不相关光谱，但应当理解，这里所示出的互不相关光谱的数目仅仅是示例。
上述第一波段范围可以是任意的波段范围，其可以包括但不限于红外波段、可见光波段或紫外波段。但在一些实施例中，特别地，第一波段范围可以为红外波段和紫外波段中之一的范围。将会理解，选择在红外波段和紫外波段之一，可以有利地实现在红外波段和紫外波段的光谱测量。
从每个第一光发射单元11所发射的第一发射光谱会被分时照射至待测物体1，而待测物体1将会反射光至第一单点光探测器15。第一单点光探测器15用于分别探测从每个第一光发射单元11所发射的、经由所述待测物体1所反射的光的光强。在一些实施例中，第一单点探测器15例如可以为光电二极管，譬如PIN二极管。
该装置10还可以包括未示出的计算装置。该计算装置的作用在于基于上述多个第一发射光谱和第一单点光探测器15所探测的对应光强两者，来确定待测物体1在第一波段范围内的第一反射率光谱。
特别地，在一些实施例中，计算装置可以基于上述等式(1)并且利用压缩感知算法来实现对待测物体1的反射率光谱的测量。也就是说，在利用上述等式(1)的情况下，多个第一发射光谱可以被离散为M×N矩阵，其中M为多个第一光发射单元的数目，N为每个第一发射光谱或待测物体的反射率光谱P(λ)离散形成的矢量元素个数，然后可以基于多个第一发射光谱所离散形成的M×N离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
上述M的数值，在一些实施例中，其可以例如通过待测光谱在第一波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定。而对于上述N的数值，在一些实施例中，其例如可以通过待测光谱的范围以及光谱分辨率来确定。
举例来说，这里假设上述第一波段范围为紫外波段200nm-400nm，则待测光谱范围Δλ＝400-200＝200nm,如果要求待测物体反射率光谱P(λ)的光谱分辨率为δλ＝5nm，对照前述等式(1)，则反射率光谱离散化形成的P矢量元素个数N＝Δλ/δλ＝40。考虑到反射率光谱P的稀疏性，假如光谱P矢量在某种稀疏基上的稀疏系数为K＝5(稀疏系数K表示只有K个非零值，在一些实施例中，稀疏系数例如可以通过经验确定)，则可以设计紫外波段的多个第一光反射单元(LED芯片)的个数M满足K<M<N,比如选M＝10。也就是说，采用10个UV波段的LED芯片，发射互不相关的光谱，经过单点紫外感光的第一单点光探测器(例如PIN探测器)测量后，就可以通过压缩感知算法重构出紫外波段分辨率为5nm的待测物体的反射率光谱P。
作为示例，该计算装置可以是微处理器，其例如可以是电子装置(例如手机或计算机)中的微处理器，或者该计算装置可以是独立的计算装置。
图2示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的变形示例的结构示意图。与图1a所示的装置有所不同的是，图2所示的装置20除了包括多个第一光发射单元11、第一单点光探测器15以及计算装置(未示出)之外，还进一步包括多个第二光发射单元12以及二维成像探测器18。
多个第一光发射单元11、第一单点光探测器15以及计算装置(未示出)的功能与图1a中所示的对应部件的功能大致相同，因此不再赘述。
多个第二光发射单元12用于发射处于第二波段范围的第二发射光谱的光，其中任意两个第二光发射单元所发射的第二发射光谱互不相关，并且所述多个第二光发射单元适于被操作地分时发射对应的第二发射光谱至待测物体1，其中第二波段范围不同于第一波段范围。在一些实施例中，多个第二光发射单元12可以与多个第一光发射单元11形成光源阵列。在一些实施例中，第二波段范围为可见光的波段范围。将会理解，图2中所示的多个第一光发射单元11和多个第二光发射单元12的数目仅仅是示例。
二维成像探测器18用于探测从每个第二光发射单元12所发射的、经由所述待测物体1反射的光的光强。除了探测光强之外，二维成像探测器18还可以用于成像，从而除了提供光强信号之外，还提供成像信号。在一些实施例中，二维成像探测器18例如为相机或摄像头。作为示例，二维成像探测器18可以包括CCD传感器或CMOS传感器。
计算装置也适于基于上述多个第二发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在第二波段范围内的第二反射率光谱。应当理解，该计算装置的确定第二波段范围内的第二反射率光谱的方式可以与上述确定第一波段范围内的第一反射率光谱的方式相同。特别地，该计算装置的确定第二波段范围内的第二反射率光谱的方式同样地可以依据上述等式(1)并且使用压缩感知算法来进行，其中多个第二光反射单元的数目M类似地可以通过待测光谱在第二波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定，而每个第二发射光谱或待测物体的反射率光谱所需离散形成的矢量元素个数N可以通过待测光谱的范围以及光谱分辨率来确定。
图2的布置的有利之处在于：既可以采用普通相机测量待测物体的可见光波段的高光谱信息，还可以采用一个单点光探测器测量紫外或红外波段之一的光谱信息，这样解决了紫外或红外波段面阵探测器成本高的问题，并形成普通相机+1个单点光探测器的混合高光谱模组。此外，在该布置下，既可以测量物体在可见光波段的几何成像，还可以测量物体的紫外或红外之一+可见光的光谱信息。
图3示出了根据本公开的第一实施方式的用于实现光谱测量的装置的又一变形示例的结构示意图。与图2所示的装置有所不同的是，图3所示的装置30除了包括多个第一光发射单元11、多个第二光发射单元12、第一单点光探测器15、二维成像探测器18以及计算装置(未示出)之外，还进一步包括多个第三光发射单元13和第二单点光探测器16。
多个第一光发射单元11、多个第二光发射单元12、第一单点光探测器15、二维成像探测器18以及计算装置(未示出)的功能与图2中所示的对应部件的功能大致相同，因此不再赘述。
多个第三光发射单元13旨在于发射处于第三波段范围的第三发射光谱的光，其中任意两个第三光发射单元所发射的第三发射光谱互不相关，所述多个第三光发射单元适于被操作地分时发射对应的第三发射光谱至待测物体1。在一些实施例中，第三波段范围可以是与第一波段范围和第二波段范围均有所不同的波段范围。特别地，在第一波段范围是紫外波段范围的情况下，第三波段范围可以是红外波段范围，而在第一波段范围是红外波段范围的情况下，第三波段范围可以是紫外波段范围。
第二单点光探测器16用于探测从每个第三光发射单元13所发射的、经由所述待测物体1反射的光的光强。在一些实施例中，第二单点光探测器16也可以是光电二极管，例如PIN二极管。
计算装置(未示出)也适于基于第三发射光谱和第二单点光探测器所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在第三波段范围内的第三反射率光谱。应当理解，该计算装置的确定第三波段范围内的第三反射率光谱的方式可以与上述确定第一、第二波段范围内的第一、第二反射率光谱的方式相同。特别地，该计算装置的确定第三波段范围内的第三反射率光谱的方式同样地可以依据上述等式(1)并且使用压缩感知算法来进行，其中多个第三光反射单元的数目M类似地可以通过待测光谱在第三波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定，而每个第三发射光谱或待测物体的反射率光谱离散形成的矢量元素个数N可以通过待测光谱的范围以及光谱分辨率来确定。
在图3的布置下，其有利之处在于：既可以采用普通相机测量待测物体的可见光波段的高光谱信息，同时可以采用两个单点光探测器来分别测量紫外和红外波段的光谱信息，这样解决了紫外和红外波段面阵探测器成本高的问题，形成普通相机+2个单点光探测器的混合高光谱模组。另外，既可以测量物体在可见光波段的几何像，同时可以测量物体的紫外+红外+可见光的光谱信息。
需要说明的是，不同于使用诸如相机的二维成像探测器所能实现的高光谱测量，单点探测器仅适于探测来自物体的表面的整体反射光的光强，因此，其无法对物体表面上的所有物点进行光谱解析，只能分析物体表面的平均反射光谱，但这并不妨碍很多应用比如皮肤弹性及水分，果品甜度等的光谱检测，因为很多光谱分析只需要分析物质平均的光谱信息。
尽管上面主要参考紫外+红外+可见光这三个波段范围来描述本公开的各个示例，但是应当理解，上面所示的波段范围仅仅是示例，而不构成任何限制，在其他实施例中，可以使用有所不同的波段范围。譬如，可以使用更多的单点光探测器来探测其他波段范围的反射率光谱。又譬如，上述第一、第二单点光探测器和二维成像探测器可以针对上述3个波段范围中的子波段范围进行探测。又譬如，在特殊应用中，可以使用单点光探测器来探测可见光的波段范围，而使用二维成像探测器来探测红外或紫外波段范围的光。
此外，尽管在图1a至图3中，第一单点光探测器15和第二光单点光探测器16被示出远离光源阵列布置，但这并非限制，在其他实施例中，第一单点光探测器15和第二光单点光探测器16也可以被设置在多个第一光发射单元11、多个第二光发射单元12和/或多个第三光发射单元13所形成的光源阵列之间或邻近所述光源阵列设置。
作为示例，图4示出了根据本公开的第一实施方式的第一单点光探测器被布置在光源阵列之间的示意性结构；图5示出了根据本公开的第一实施方式的第一和第二单点光探测器被布置在光源阵列之间的示意性结构。
将会理解，将单点光探测器布置在光源阵列之间或邻近光源阵列布置可以有助于减少电子装置(例如，手机)壳体的开口，从而使得结构更加紧凑，成本更加节约。
另外，尽管在图1a至图3中未示出，还应当理解，还可以针对多个第一光发射单元11、多个第二光发射单元12、多个第三光发射单元13、第一单点光探测器15、第二光单点光探测器16或二维成像探测器18配置相应的光学元件，例如发散透镜、准直透镜、汇聚透镜、整形透镜等。这对于单点光探测器是特别有用的，因为单点光探测器无法区分信号是否来自目标物体。因此，可以对单点探测器配置一个类似成像的光学结构，如图7所示。作为示例，图6中示出了在单点光探测器(探测器芯片一般为几百微米直径)前置了一个微透镜21(直径约为mm尺度)，单点光探测器的芯片置于微透镜21的焦平面上，这样的光学设计保证了只有特定视场角内的景物反射光才能被单点光探测器接收。为了能够确保单点光探测器接收到的信号来自待测物体的反射光，需要将单点探测器瞄准物体，使得接收视场与待测物体有交叠。
下面简单参照图7来描述本公开的光谱测量方法，其中图7示出了根据本公开的第一实施方式的光谱测量方法的流程图。
如图7所示，在框710，使多个第一光发射单元分时发射处于第一波段范围的第一发射光谱的光至待测物体，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关。
在一些实施例中，第一波段范围例如可以是红外波段、可见波段或紫外波段的范围。特别地，第一波段范围可以是红外波段或紫外波段的范围。在一些实施例中，多个第一光发射单元例如可以为光谱编码调制光源，这例如可以通过预先为光源阵列中的各个光发射单元设计合适的滤光器来实现。在一些实施例中，多个第一光发射单元可以形成光源阵列。
在框720，可以经由第一单点光探测器探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强。
在一些实施例中，第一单点光探测器例如可以是光电二极管，譬如PIN二极管。
在框730，可以基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
在一些实施例中上述确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱可以例如根据上述等式(1)来确定。特别地，上述确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱可以包括：将多个第一发射光谱离散化为离散矩阵(例如M×N矩阵)，并且基于所述离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测物体在所述第一波段范围内的所述第一反射率光谱。上述第一光发射单元的数目M例如可以通过待测光谱的范围以及光谱分辨率来确定，N的数值例如可以通过待测光谱的范围以及光谱分辨率来确定。
在一些实施例中，框710还可以进一步包括使多个第二光发射单元分时发射处于第二波段范围的第二发射光谱的光至待测物体，其中任意两个第二光发射单元所发射的第二发射光谱互不相关；框720还可以包括：使用二维成像探测器探测从每个第二光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；以及框730还可以包括：基于多个第二发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第二波段范围内的第二反射率光谱。在这些实施例中，第二波段范围例如可以是可见光的波段范围，二维成像探测器例如可以是相机或摄像头。
在又一些实施例中，框710还可以进一步包括：使多个第三光发射单元分时发射处于第三波段范围的第三发射光谱的光至待测物体，其中任意两个第三光发射单元所发射的第三发射光谱互不相关；框720还可以包括：使用第二单点光探测器探测从每个第三光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；以及框730还可以包括：基于多个第三发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第三波段范围内的第三反射率光谱。在这些实施例中，第三波段范围例如可以是红外波段或紫外波段的范围。特别地，在第一波段范围是红外波段范围的情况下，第三波段范围可以是紫外波段，而在第一波段范围是紫外波段范围的情况下，第三波段范围可以是红外波段。
在上述测量第二、第三波段范围的反射率光谱的实施例中，也可以依据与确定第一波段范围的反射率光谱类似的计算方式来计算，例如使用上述公式(1)以及压缩感知算法来计算。
以上已经详细描述了第一实施方式的具体实现装置和过程，将会理解，该第一实施方式提供了一种改进的第三种技术架构，其可以基于压缩感知的非常简单的光谱混合模组来探测待测物体在紫外和/或红外波段的光谱信息。特别地，结合了二维成像探测器的光谱混合模组，还可以在可见区实现高光谱成像。对于所探测的每一个波段范围，其可以采用少量M个滤光片调制的LED光源，即可测量待测物体的反射率光谱，并可以具有远高于Δλ/M的光谱精度(Δλ为待测光谱的范围)。
与原有的第三种技术架构相比，本公开的实施方式可以利用单点探测器来扩展测量光谱的范围，并且特别地，可以结合二维成像探测器(诸如硅基相机(或摄像头))和单点探测器来构成基于压缩感知的高光谱混合模组，由此扩展了传统摄像头可见光区域的感光限制，特别地可以测量紫外-可见-红外波段的目标光谱。由于采用了单点探测器，这使得装置保持了体积紧凑，同时又具有成本低的优势。
图8示出了根据本公开的第二实施方式的用于测量光谱的装置的结构示意图。与前面的第一实施方式测量待测物体的反射率光谱不同，图8的第二实施方式旨在对待测光信号光进行解析，从而得到待测光信号的光谱。这是有利地，因为在有些光谱测量场景中，需要对某种信号光进行光谱解析，比如某种物体发出的荧光辐射，对这种应用场景，传统上需要分光设备(如光栅)对待测宽谱光信号先进行分光再进行测量，最后得到待测光信号的光谱。
图8的构思在于基于光谱调制器件+单点光探测器来实现。如图8所示，该装置40可以包括光谱调制器件42、单点光探测器43和计算装置(未示出)。
光谱调制器件42用于对待测光信号41进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号。在一些实施例中，光谱调制器件41可以是预先设计的包含M个滤光片的滤光片轮。可以使待测光信号分时通过(遍历)滤光片轮上的M个滤光片的每个滤光片，以产生互不相关的调制光谱信号。这里，每个滤光片对待测光信号可以起到一个调制作用，从而使得透过每个滤光片的光谱曲线互不相关。
单点光探测器43用于分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强。在一些实施例中，单点光探测器43例如可以为光电二极管，譬如PIN二极管。
计算装置(未示出)可以基于上述多个互不相关的调制光谱信号和对应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。在一些实施例中，上述确定所述待测光信号的光谱，例如是依据上述等式(1)来获得待测光信号的光谱。类似地，需要将上述多个互不相关的调制光谱信号离散成离散矩阵(例如，M×N矩阵，其中M为滤光片轮上的滤光片的数目，N为所要分析的待测光信号的光谱所离散化形成的P矢量的元素个数)，然后可以基于上述离散矩阵和所述每个调制光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测光信号的光谱。
更为具体地，譬如，可以将每个滤光片对待测光信号的调制作用离散化后形成调制的离散矩阵S(对应等式1中的矩阵SM×N)，并且令待测光信号光谱为P(λ),离散化后对应等式(1)中的矢量P N×1。转动滤光片轮依次使待测光信号41透过滤光片，并且用单点探测器43依次测量透过滤光片之后的光信号强度，遍历M个滤光片之后，单点探测器43共测得M个滤光片调制后的光信号强度,构成等式(1)中的IM×1矢量。这样，通过前述的压缩感知算法，即可重构出待测信号的光谱信息。关于滤光片数目M和N的选取与第一实施方式中的原理相同，这里不再赘述。
下面将参照图9来简要描述根据本公开的第二实施方式的用于测量光谱的方法的流程。
在框910，使用光谱调制器件对待测光信号进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号。在一些实施例中，光谱调制器件例如可以是滤光片轮，其中待测光信号可以遍历通过滤光片轮上的滤光片，以产生多个互不相关的调制光谱信号。在一些实施例中，滤光片轮可以包括M个滤光片。
在框920，使用单点光探测器分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强。
在框930，基于所述多个互不相关的调制光谱信号和相应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。在一些实施例中，特别地，可以依据上述等式(1)来确定所述待测光信号的光谱。譬如，可以将多个互不相关的调制光谱信号离散成离散矩阵(例如，M×N矩阵，其中M为滤光片轮上的滤光片的数目，N为所要分析的待测光信号的光谱所离散化形成的P矢量的元素个数)，并且基于离散矩阵和相应的每个调整光谱信号所对应的光强矢量(例如，等式(1)中的IM×1矢量)来重构待测光信号的光谱。
以上已经详细描述了第二实施方式的具体实现方式和过程，将会理解，用于测量待测光信号的光谱的基于压缩感知的单点探测器光谱仪模组和方法，具有结构简单，成本低的优势，采用少量M个滤光片，即可测量待测信号的光谱，并具有远高于Δλ/M的光谱精度(Δλ为待测光谱的范围)。
以上已经详细地描述了本公开的各个实施方式。将会理解，上述实施方式仅为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施方式的其它变型。
此外，应当理解，上面描述的流程也仅仅是示例。尽管说明书中以特定的顺序描述了方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。
此外，在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本发明的范围。

Claims (20)

1.一种光谱测量装置，包括：
多个第一光发射单元(11)，每个第一光发射单元适于发射具有处于第一波段范围的第一发射光谱的光，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关，所述多个第一光发射单元能够被操作地分时发射具有对应的第一发射光谱的光至待测物体；
第一单点光探测器(15)，其适于分别探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；
计算装置，其适于基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
2.根据权利要求1所述的光谱测量装置，还包括多个第二光发射单元(12)，每个第二光发射单元适于发射处于第二波段范围的第二发射光谱的光，其中任意两个第二光发射单元所发射的第二发射光谱互不相关，所述多个第二光发射单元能够被操作地分时发射对应的第二发射光谱至待测物体；以及
二维成像探测器(18)，其适于探测从每个第二光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；
所述计算装置还适于基于所述多个第二发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第二波段范围内的第二反射率光谱。
3.根据权利要求2所述的光谱测量装置，其中所述第一波段范围为红外波段或紫外波段中之一的波段范围，所述第二波段范围是可见光的波段范围。
4.根据权利要求3所述的光谱测量装置，还包括多个第三光发射单元(13)，每个第三光发射单元适于发射处于第三波段范围的第三发射光谱的光，其中任意两个第三光发射单元所发射的第三发射光谱互不相关，所述多个第三光发射单元能够被操作地分时发射对应的第三发射光谱至待测物体；以及
第二单点光探测器(16)，其适于探测从每个第三光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；
所述计算装置还适于基于所述第三发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第三波段范围内的第三反射率光谱。
5.根据权利要求4所述的光谱测量装置，其中所述第三波段范围为所述红外波段和紫外波段中的与所述第一波段范围不同的波段范围。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱测量装置，其中确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱包括：
将多个第一发射光谱离散化成离散矩阵；
基于所述离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测物体在所述第一波段范围内的所述第一反射率光谱。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱测量装置，其中基于所要求的第一反射率光谱在第一波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定所述多个第一光发射单元的数目。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱测量装置，其中所述第一单点探测器(15)定位在所述多个第一光发射单元形成的阵列之间，或者所述第一单点探测器邻近所述阵列设置。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱测量装置，其中所述多个第一光发射单元均为光谱编码调制光源。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的光谱测量装置，其中所述第一单点探测器是光电二极管。
11.根据权利要求3-5中任一项所述的光谱测量装置，其中所述二维成像探测器是相机或摄像头。
12.一种电子装置，所述电子装置包括根据权利要求1-11中任一项所述的光谱测量装置。
13.一种光谱测量方法，包括：
使多个第一光发射单元分时发射处于第一波段范围的第一发射光谱的光至待测物体，其中任意两个第一光发射单元所发射的第一发射光谱互不相关；
经由第一单点光探测器探测从每个第一光发射单元所发射的、经由所述待测物体反射的光的光强；
基于多个第一发射光谱和所探测的对应光强两者，来确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱。
14.根据权利要求13所述的光谱测量方法，其中确定所述待测物体在所述第一波段范围内的第一反射率光谱包括：
将多个第一发射光谱离散化成离散矩阵；
基于所述离散矩阵和每个第一发射光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测物体在所述第一波段范围内的所述第一反射率光谱。
15.根据权利要求13-14中任一项所述的光谱测量方法，其中基于所要求的第一反射率光谱在第一波段的分辨率和光谱稀疏系数来确定所述多个第一光发射单元的数目。
16.一种光谱测量装置，包括：
光谱调制器件(42)，其适于对待测光信号(41)进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号；
单点光探测器(43)，其适于分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强；
计算装置，其适于基于所述多个互不相关的调制光谱信号和对应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。
17.根据权利要求16所述的光谱测量装置，其中所述光谱调制器件(42)是滤光片轮，所述滤光片轮上设置有多个滤光片，所述滤光片轮适于被操作地分时使所述待测光信号遍历所述多个滤光片，以产生所述多个互不相关的调制光谱信号。
18.根据权利要求16所述的光谱测量装置，其中确定所述待测光信号的光谱包括基于对所述调制光谱离散化所形成的离散矩阵和每个调制光谱所对应的光强，通过压缩感知算法来重构所述待测光信号的光谱。
19.一种光谱测量方法，包括：
使用光谱调制器件对待测光信号进行调制，以产生多个互不相关的调制光谱信号；
使用单点光探测器分别测量所述调制光谱信号中的每个调制光谱信号所对应的光强；
基于所述多个互不相关的调制光谱信号和每个调整光谱信号所对应的光强，来确定所述待测光信号的光谱。
20.根据权利要求19所述的光谱测量方法，其中所述光谱调制器件是滤光片轮，其中使用所述光谱调制器件对待测光信号进行调制包括：
使待测光信号遍历所述滤光片轮上的多个滤光片，来产生多个互不相关的调制光谱信号。
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