CN115685516A - 一种单色光高光谱系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单色光高光谱系统，包括光源、第一凸透镜、反射光栅、第二凸透镜、光阑和光纤；所述光源由若干不同波段的单色LED灯组成，单色LED灯和LED灯控制板电连接，光源正前方设置第一凸透镜，第一凸透镜的位置使得光源处于第一凸透镜的其中一侧的焦点处；所述第一凸透镜两侧中与光源相对的一侧设有反射光栅；所述反射光栅的出射方向正对面设有第二凸透镜；所述第二凸透镜的两侧中与反射光栅相对的一侧的焦点处设有光阑；所述光阑上设有光纤。以解决现有技术光源利用率低，导致能耗较高的问题。

Description

一种单色光高光谱系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种单色光高光谱系统及控制方法，属于高光谱技术领域。

背景技术

高光谱成像技术是一项结合了光谱分析与空间成像的新型实用技术。由于物质对光的特征吸收，物体的反射或透射光谱就成为其物理化学信息的载体，是目标识别和监测的有效工具。高光谱成像提供目标物体的两维空间信息和一维光谱信息，构建三维数据集，结合计算机分析手段，完成物体的识别。在遥感勘测、食品检测、农业监测、医疗诊断和艺术保护等领域展现了广阔的应用前景。

常规高光谱成像系统在复色光照明条件下成图像的采集:目标物体反射的光波进入成像系统，通过棱镜、光栅、滤光片等元件的色散作用，由探测器记录以波长与空间位置编码的光强度值。遥感高光谱系统采集自然光照明条件下的影像，自然光环境多变，使得分析过程更加复杂；非机载高光谱系统采用复色光照明，由于色散过程降低了传感器单元接收的光能，因此需要保证待测平面上均匀稳定的高强度照明，这对照明设计的要求较高，而且这种高强度照明导致的热负荷会改变目标物体的生化性质，这对于生物、医学和食品等检测不利。

由于成像技术与照明条件的限制，很难同时保证高光谱图像的光谱分辨率与空间分辨率。由于采集方式和传感器限制导致的低空间采样，以及低照度场景的细节缺失，导致同等条件下高光谱图像的空间分辨率相较于常规成像更低。全色图像是一种获取可见光波段响应的灰度图像，具有较高的空间分辨率，通过高光谱图像与全色图像的融合，互补各自在获取光谱信息和空间信息方面的优势，得到更加准确的目标探测结果。目前这两种图像的采集依托不同的传感器，由于视角的差异，图像并不能完全对准，需要进行额外的图像配准。

为了解决上述问题，现还有一种技术，参考图1，采用氙灯作为光源，然后使用光学准直系统将光源的光转换为平行光，再使用光栅将复色光中的特定波段光分离出来，再利用透镜聚焦到光阑，使用光纤与光阑连接，通过光纤将照射到目标物体上。

但是这种结果存在的问题是，氙灯功率较大，所产生的光谱中只有一小部分波段被利用，其余光谱均被浪费，光源的利用效率不高，另外光学准直系统需要用到光阑，光纤接收透镜聚焦的光需要用到光阑，两个光阑使得光源产生的光损失了两次，进一步降低了光源的利用效率，使得这种结构的高光谱系统存在能耗大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种单色光高光谱系统及控制方法，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是：一种单色光高光谱系统，包括光源、第一凸透镜、反射光栅、第二凸透镜、光阑和光纤；

所述光源由若干不同波段的单色LED灯组成，单色LED灯和LED灯控制板电连接，光源正前方设置第一凸透镜，第一凸透镜的位置使得光源处于第一凸透镜的其中一侧的焦点处；

所述第一凸透镜两侧中与光源相对的一侧设有反射光栅；

所述反射光栅的出射方向正对面设有第二凸透镜；

所述第二凸透镜的两侧中与反射光栅相对的一侧的焦点处设有光阑；

所述光阑上设有光纤。

进一步地，还包括阿贝聚光镜和显微镜；

所述显微镜设置在显微镜的载物台下方，显微镜的载玻片处于阿贝聚光镜的聚光范围内，阿贝聚光镜与光纤连接。

进一步地，还包括底座和转轴；

所述反射光栅通过转轴转动连接在底座上。

进一步地，还包括调节部；

所述光源安装在调节部上，所述调节部包括支撑件和滑块；

所述支撑件上设有导槽，导槽与滑块相匹配，滑块滑动连接在导槽内；

所述滑块上沿滑块长度方向均匀分布有若干不同波段的单色LED灯。

进一步地，还包括定磁铁和动吸块；

所述定磁铁固定连接在支撑件上，定磁铁材质为永磁体；

所述动吸块的数量与单色LED灯数量相同，动吸块固定连接在滑块上，动吸块与单色LED灯在滑块上的位置相同，动吸块的材质为铁磁性材料；

其中，动吸块与定磁铁的间距使得定磁铁对动吸块产生的磁吸力能够将滑块位置固定。

进一步地，还包括上位机、控制器、第一步进电机、摆臂和传动齿；

所述上位机与控制器电连接，控制器与第一步进电机电连接，控制器与LED灯控制板电连接；

所述第一步进电机设置在支撑件上，第一步进电机转轴与滑块垂直，摆臂一端固定连接在第一步进电机转轴上；

所述传动齿固定连接在滑块上，传动齿与单色LED灯在滑块上的位置相同；其中，传动齿深度l、摆臂长度r、电机中轴线到滑块距离h和A点到同一侧两传动齿中点的距离d满足下列关系，A点为传动齿远离滑块的角：

且h>r。

进一步地，所述传动齿在垂直于第一步进电机转轴的平面上的投影为等腰梯形，传动齿远离滑块的宽度小于靠近滑块的宽度。

进一步地，还包括第三步进电机；所述第三步进电机与显微镜固定连接，第三步进电机与显微镜的调节旋钮固定连接，第三步进电机与显微镜的调节旋钮同轴；

所述第二步进电机与控制器电连接。

一种单色光高光谱系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S01、将每个输出波段对应的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置建立数据表；

S02、选择扫描模式，如果扫描模式为顺序扫描，则跳转到步骤S03，如果扫描模式为选择扫描，则跳转到步骤S06；

S03、设置波段间隔P、输入起始波段S和输入终止波段E；

S04、根据起始波段S从数据表中查找起始的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置；根据起始波段E从数据表中查找终止的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置；

S05、从起始波段S开始将单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置调节到对应波段状态进行扫描，扫描时间为设定时间，扫描后将当前波段值加P，直到当前波段值加P不小于E时跳转到步骤S09；

S06、输入所采集波段D；

S07、根据所采集波段D从数据表中查找所需的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置；

S08、将单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置调节到所需波段的状态，跳转到步骤S09；

S09、初始化单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过采用若干不同波段的单色LED灯作为光源，当需要特定波段的光源时，将对于的单色LED灯打开，其余单色LED灯关闭，降低了光源利用率，另外由于单色LED灯更加接近点光源，本专利将单色LED灯放置在第一凸透镜的焦点上，使得单色LED灯发出的光为平行光，杜绝了使用光学准直系统额外增加的光阑，本专利只使用一个光阑，光损失更小，进一步提升了光源利用率，能耗更低。

附图说明

图1为本发明的背景技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的立体视图；

图4为图3中C处的局部视图；

图5为本发明的调节部的俯视图；

图6为图5中A-A剖面线处的剖视图；

图7为图6中B处的局部视图；

图8为本发明另一视角的立体视图；

图9为图8中D处的局部视图；

图10为本发明的电路连接框图；

图11为本发明的摆臂、滑块和传动齿的位置关系示意图；

图12为本发明的流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细说明。

实施实例1：参考图1至图10，本实施例采用了一种单色光高光谱系统，包括光源、第一凸透镜2、反射光栅3、第二凸透镜4、光阑5和光纤6；所述光源由若干不同波段的单色LED灯1-1组成，单色LED灯1-1和LED灯控制板1-2电连接，光源正前方设置第一凸透镜2，第一凸透镜2的位置使得光源处于第一凸透镜2的其中一侧的焦点处；所述第一凸透镜2两侧中与光源相对的一侧设有反射光栅3；所述反射光栅3的出射方向正对面设有第二凸透镜4；所述第二凸透镜4的两侧中与反射光栅3相对的一侧的焦点处设有光阑5；所述光阑5上设有光纤6。

使用时，通过采用若干不同波段的单色LED灯1-1作为光源，当需要特定波段的光源时，将对于的单色LED灯1-1打开，其余单色LED灯1-1关闭，降低了光源利用率，另外由于单色LED灯1-1更加接近点光源，本专利将单色LED灯1-1放置在第一凸透镜2的焦点上，使得单色LED灯1-1发出的光为平行光，杜绝了使用光学准直系统额外增加的光阑5，本专利只使用一个光阑5，光损失更小，进一步提升了光源利用率，能耗更低。

进一步地，还包括阿贝聚光镜9和显微镜8；所述显微镜8设置在显微镜8的载物台8-1下方，显微镜8的载玻片处于阿贝聚光镜9的聚光范围内，阿贝聚光镜9与光纤6连接。

使用时，通过阿贝聚光镜9将光纤6传送过来的光会聚到载玻片上透射目标物，然后穿过目标物进入显微镜8的物镜和目镜。

进一步地，还包括底座和转轴；所述反射光栅3通过转轴转动连接在底座上。

可通过转动反射光栅3调节射入光阑5的波段。

进一步地，还包括调节部7；所述光源安装在调节部7上，所述调节部7包括支撑件7-2和滑块7-1；所述支撑件7-2上设有导槽7-2-1，导槽7-2-1与滑块7-1相匹配，滑块7-1滑动连接在导槽7-2-1内；所述滑块7-1上沿滑块7-1长度方向均匀分布有若干不同波段的单色LED灯1-1。

通过滑动滑块7-1使得单色LED灯1-1位置改变，使用时，当需要对应波段的单色LED灯1-1，则滑动滑块7-1使对应的单色LED灯1-1位于第一凸透镜2的焦点上。

进一步地，还包括定磁铁7-6和动吸块7-7；所述定磁铁7-6固定连接在支撑件7-2上，定磁铁7-6材质为永磁体；所述动吸块7-7的数量与单色LED灯1-1数量相同，动吸块7-7固定连接在滑块7-1上，动吸块7-7与单色LED灯1-1在滑块7-1上的位置相同，动吸块7-7的材质为铁磁性材料；其中，动吸块7-7与定磁铁7-6的间距使得定磁铁7-6对动吸块7-7产生的磁吸力能够将滑块7-1位置固定。

通过定磁铁7-6和动吸块7-7的磁吸力，使得每个单色LED灯1-1运动到第一凸透镜2的焦点上时，都能被定磁铁7-6和动吸块7-7的磁吸力将位置固定，可省去对单色LED灯1-1位置的精细调节，在保证单色LED灯1-1调节位置的精准的同时，降低了调节难度。

以上结构如果通过步进齿轮齿条结构配合实现单色LED灯1-1的定位，随着使用时间的增加会面临齿轮磨损导致的定位精度降低的问题。为了解决这个问题，在本实施例中进一步地，还包括上位机10、控制器9、第一步进电机7-3、摆臂7-4和传动齿7-5；所述上位机10与控制器9电连接，控制器9与第一步进电机7-3电连接，控制器9与LED灯控制板1-2电连接；所述第一步进电机7-3设置在支撑件7-2上，第一步进电机7-3转轴与滑块7-1垂直，摆臂7-4一端固定连接在第一步进电机7-3转轴上；所述传动齿7-5固定连接在滑块7-1上，传动齿7-5与单色LED灯1-1在滑块7-1上的位置相同；其中，传动齿7-5深度l、摆臂7-4长度r、电机中轴线到滑块7-1距离h和A点到同一侧两传动齿7-5中点的距离d满足下列关系，A点为传动齿7-5远离滑块7-1的角：

且h>r。

这里使用时，通过第一步进电机7-3转动摆臂7-4驱动传动齿7-5使滑块7-1移动，摆臂7-4每旋转一圈，就会使定磁铁7-6将相邻的动吸块7-7固定，从而实现单色LED灯1-1的切换。

参考图11，由于传动齿7-5深度l、摆臂7-4长度r、电机中轴线到滑块7-1距离h和A点到同一侧两传动齿7-5中点的距离d之间满足关系

且h>r，当摆臂7-4与传动齿7-5处于最后接触状态时，摆臂7-4与传动齿7-5的接触点位于传动齿7-5远离滑块7-1的角A点上，此时如果传动齿7-5的中间点位于A点一侧，那么待定位的动吸块7-7与定磁铁7-6的距离将小于之前处于定位状态的动吸块7-7与定磁铁7-6的距离，这使得待定位的动吸块7-7能够在定磁铁7-6的吸力作用下自动定位到定磁铁7-6位置，实现待定位单色LED灯1-1的定位。

由于本结构不同于齿轮齿条精密配合实现的定位，本结构无需摆臂7-4与传动齿7-5精密配合，因此对于摆臂7-4与传动齿7-5的磨损不敏感。

进一步地，所述传动齿7-5在垂直于第一步进电机7-3转轴的平面上的投影为等腰梯形，传动齿7-5远离滑块7-1的宽度小于靠近滑块7-1的宽度。

通过此结构，摆臂7-4与传动齿7-5接触时，除了最后一刻与传动齿7-5远离滑块7-1的角接触，其余时刻均与传动齿7-5上不同的点接触，降低了摆臂7-4与传动齿7-5的磨损。

进一步地，还包括第三步进电机12；所述第三步进电机12与显微镜8固定连接，第三步进电机12与显微镜8的调节旋钮8-2固定连接，第三步进电机12与显微镜8的调节旋钮8-2同轴；所述第二步进电机11与控制器9电连接。

参考图12，一种单色光高光谱系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S01、将每个输出波段对应的单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置建立数据表；

S02、选择扫描模式，如果扫描模式为顺序扫描，则跳转到步骤S03，如果扫描模式为选择扫描，则跳转到步骤S06；

S03、设置波段间隔P、输入起始波段S和输入终止波段E；

S04、根据起始波段S从数据表中查找起始的单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置；根据起始波段E从数据表中查找终止的单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置；

S05、从起始波段S开始将单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置调节到对应波段状态进行扫描，扫描时间为设定时间，扫描后将当前波段值加P，直到当前波段值加P不小于E时跳转到步骤S09；

S06、输入所采集波段D；

S07、根据所采集波段D从数据表中查找所需的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置；

S08、将单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置调节到所需波段的状态，跳转到步骤S09；

S09、初始化单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置。

由于各波段的光波长不一样，输入到显微镜后会产生色差，每次更换波段都需要重新调节显微镜，这里通过对每个输出波段对应的单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置建立一一映射的数据表，使用时通过查表来控制单色LED灯1-1位置、反射光栅3角度和显微镜8物镜位置，使用更加便捷。

其中单色LED灯1-1位置的控制通过控制器9控制第一步进电机7-3转动带动摆臂转动实现，摆臂转动一圈就会将单色LED灯切换到相邻的单色LED灯；反射光栅3角度的控制通过控制器9控制第二步进电机11转动来实现；显微镜8物镜位置通过控制器向显微镜8输出控制脉冲数来实现。

所述显微镜8物镜位置通过控制器9控制第三步进电机12旋转显微镜的调节旋钮8-2实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单色光高光谱系统，其特征在于，包括光源、第一凸透镜(2)、反射光栅(3)、第二凸透镜(4)、光阑(5)和光纤(6)；

所述光源由若干不同波段的单色LED灯(1-1)和LED灯控制板(1-2)组成，单色LED灯(1-1)和LED灯控制板(1-2)电连接，光源正前方设置第一凸透镜(2)，第一凸透镜(2)的位置使得光源处于第一凸透镜(2)的其中一侧的焦点处；

所述第一凸透镜(2)两侧中与光源相对的一侧设有反射光栅(3)；

所述反射光栅(3)的出射方向正对面设有第二凸透镜(4)；

所述第二凸透镜(4)的两侧中与反射光栅(3)相对的一侧的焦点处设有光阑(5)；

所述光阑(5)上设有光纤(6)。

2.根据权利要求1所述的单色光高光谱系统，其特征在于，还包括阿贝聚光镜(9)和显微镜(8)；

所述显微镜(8)设置在显微镜(8)的载物台(8-1)下方，显微镜(8)的载玻片处于阿贝聚光镜(9)的聚光范围内，阿贝聚光镜(9)与光纤(6)连接。

3.根据权利要求2所述的单色光高光谱系统，其特征在于，还包括第二步进电机(11)；

所述反射光栅(3)连接在第二步进电机(11)的转轴上。

4.根据权利要求3所述的单色光高光谱系统，其特征在于，还包括调节部(7)；所述光源安装在调节部(7)上，所述调节部(7)包括支撑件(7-2)和滑块(7-1)；

所述支撑件(7-2)上设有导槽(7-2-1)，导槽(7-2-1)与滑块(7-1)相匹配，滑块(7-1)滑动连接在导槽(7-2-1)内；

所述滑块(7-1)上沿滑块(7-1)长度方向均匀分布有若干不同波段的单色LED灯(1-1)。

5.根据权利要求4所述的单色光高光谱系统，其特征在于，

还包括定磁铁(7-6)和动吸块(7-7)；

所述定磁铁(7-6)固定连接在支撑件(7-2)上，定磁铁(7-6)材质为永磁体；

所述动吸块(7-7)的数量与单色LED灯(1-1)数量相同，动吸块(7-7)固定连接在滑块(7-1)上，动吸块(7-7)与单色LED灯(1-1)在滑块(7-1)上的位置相同，动吸块(7-7)的材质为铁磁性材料；

其中，动吸块(7-7)与定磁铁(7-6)的间距使得定磁铁(7-6)对动吸块(7-7)产生的磁吸力能够将滑块(7-1)位置固定。

6.根据权利要求5所述的单色光高光谱系统，其特征在于，

还包括上位机(10)、控制器(9)、第一步进电机(7-3)、摆臂(7-4)和传动齿(7-5)；

所述上位机(10)与控制器(9)电连接，控制器(9)与第一步进电机(7-3)电连接，控制器(9)与LED灯控制板(1-2)电连接；

所述第一步进电机(7-3)设置在支撑件(7-2)上，第一步进电机(7-3)转轴与滑块(7-1)垂直，摆臂(7-4)一端固定连接在第一步进电机(7-3)转轴上；

所述传动齿(7-5)固定连接在滑块(7-1)上，传动齿(7-5)与单色LED灯(1-1)在滑块(7-1)上的位置相同；其中，传动齿(7-5)深度l、摆臂(7-4)长度r、电机中轴线到滑块(7-1)距离h和A点到同一侧两传动齿(7-5)中点的距离d满足下列关系，A点为传动齿(7-5)远离滑块(7-1)的角：

且h>r。

7.根据权利要求6所述的单色光高光谱系统，其特征在于，

所述传动齿(7-5)在垂直于第一步进电机(7-3)转轴的平面上的投影为等腰梯形，传动齿(7-5)远离滑块(7-1)的宽度小于靠近滑块(7-1)的宽度。

8.根据权利要求6所述的单色光高光谱系统，其特征在于，还包括第三步进电机(12)；所述第三步进电机(12)与显微镜(8)固定连接，第三步进电机(12)与显微镜(8)的调节旋钮(8-2)固定连接，第三步进电机(12)与显微镜(8)的调节旋钮(8-2)同轴；

所述第二步进电机(11)与控制器(9)电连接。

9.一种权利要求8所述的单色光高光谱系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S01、将每个输出波段对应的单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置建立数据表；

S02、选择扫描模式，如果扫描模式为顺序扫描，则跳转到步骤S03，如果扫描模式为选择扫描，则跳转到步骤S06；

S03、设置波段间隔P、输入起始波段S和输入终止波段E；

S04、根据起始波段S从数据表中查找起始的单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置；根据起始波段E从数据表中查找终止的单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置；

S05、从起始波段S开始将单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置调节到对应波段状态进行扫描，扫描时间为设定时间，扫描后将当前波段值加P，直到当前波段值加P不小于E时跳转到步骤S09；

S06、输入所采集波段D；

S07、根据所采集波段D从数据表中查找所需的单色LED灯位置、反射光栅角度和显微镜物镜位置；

S08、将单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置调节到所需波段的状态，跳转到步骤S09；

S09、初始化单色LED灯(1-1)位置、反射光栅(3)角度和显微镜(8)物镜位置。

10.根据权利要求9所述的单色光高光谱系统的控制方法，其特征在于，所述显微镜(8)物镜位置通过控制器(9)控制第三步进电机(12)旋转显微镜的调节旋钮(8-2)实现。

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