CN214951807U - 一种基于多色led光谱成像的测色装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多色LED光谱成像的测色装置，包括：积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；图像传感器，所述图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路位于所述图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括多个等带宽的LED光源序列，用于向所述积分球内部投射连续谱光；所述积分球内，设置有整形装置，匀化前的LED光源经所述整形装置整形。本实用新型中，在满足积分球理想条件的情况下，由单次测量得到的光谱数据更加准确。

Description

一种基于多色LED光谱成像的测色装置

技术领域

本实用新型涉及光谱反射比测量、颜色测量技术、图像测量领域，具体为一种基于多色LED光谱成像的测色装置。

背景技术

在涂料、五金、油漆、织物测色领域，常需要对待测品平面进行图像分析。分光光度计通常用于在预定范围内的邻接光谱带中捕获和记录目标表面的光谱信息，其记录的光谱信息通常在相对较宽的光谱范围内具有相对较高光谱分辨率。然而，基于分光光度计的系统不适用于分析大样品区域或提供合适的空间分辨率，因为输出可包括“光谱平均化”，不能测量含有相同非纯色图案的物体表面色差。另外，由于待测品的单位面积上通常包含多种色块，例如织物表面含有花纹、图案、渐变色等，若采用分光测色仪/分光探测器，则需要更换更小测量口的尺寸以满足单一色块的测量，但通常测量口最小只能测量2mm到4mm直径的面积，而且不同大小测量口的数据往往存在差别。

多光谱成像技术是一种利用多个光谱通道的成像系统以获取多个光谱波段图像并进行处理、传递、存储、显示、复制等的技术。为了获取多个光谱波段，常规的，如美国专利USUS7603031可通过采用照明特征和滤波器件组合的各种组合来提供附加的光谱模式。中国专利CN210346910U也提出了一种高光谱的测量仪通过转动切换装置切换多个位于积分球外部成像光路上的窄带滤光片以获得多个光谱波段图像，进一步地，为了避免窄带滤光片本身边缘透光率对测量结果的影响，设置了与多个窄带滤光片相匹配的多光源。此时，在该套装置的一次测量工作中，既需要先对窄带滤光片进行切换，相对应的，也需要切换与该窄带滤光片相对应的特定光源，增加了一次测量的时间。并且由于光谱图像包含三维的信息，即具有两个空间维度(x，y)和一个光谱维度(λ)，从而为了提高光谱分辨率，需要增加光谱通道数，从而得到表征平面颜色的多个光谱波段图像的时间越长。另外，该方案中引入了多光源，每一光源的不理想状态被放大，使得对前述多个光谱波段图像进行颜色再现以及光谱重构的测量结果不准确。

另外，多光谱成像光路的构建中，由于积分球输出的光谱、光辐射具有较好的朗伯特性和较高的均匀度，积分球常作为理想的匀光装置用于成像系统。从而，多光谱成像的光路设计也需要考虑理想积分球的条件，以减小测量误差。

因此，光谱反射比测量、颜色测量技术、图像测量领域，亟需一种具备高速图像捕捉能力、合适的光谱分辨率、合适的空间分辨率、大图像采集区域的测色装置。

实用新型内容

基于此，本实用新型提出一种具备高速图像捕捉能力、合适的光谱分辨率、合适的空间分辨率、大图像采集区域的基于多色LED的测色装置，包括：

积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；

成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；

图像传感器，所述图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路位于所述图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；

位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括由多个等带宽的LED光源组成的光源序列，用于向所述积分球内部投射连续谱光；

所述积分球内，设置有整形装置，匀化前的LED光源经所述整形装置整形。

因此，本申请实施例测色装置，能够实现基础的光源经积分球散射，照射到待测品窗口，经待测品的平面反射，依次通过成像光路、出射窗口被图像传感器接收的测量过程。考虑到要实现多光谱的测量，在积分球内设置多个等带宽的LED光源序列，只需切换光源分别进行单次的光谱测量以获取完整地光谱反射曲线，测量速度快。并且由于LED光源的波形不理想，在积分球内对LED光源进行整形处理，使得匀化后的光源在照射到待测品时效果更好，这对于多光谱成像来说是重要的，每一通道测量数据准确性高，那么在对测量数据进行处理而得到成像更加准确。

可选的，在一种可能的实施方式中，至少一个所述LED光源在射到积分球内壁的光路上设置有与其匹配的滤光片。

可选的，在另一种可能的实施方式中，每一LED光源在射到积分球内壁的光路上设置有滤光片架。

可选的，所有LED光源的组合光谱范围覆盖400nm至700nm。

可选的，所述LED光源与滤光片封装为光源模组。

可选的，所述积分球上半部分为半球形、下半部分为圆锥形，所述LED光源设置在所述积分球上半部分，LED光源与待测品窗口的连线设有挡板。

可选的，所述光源、图像传感器与电子系统连接，电子系统驱动光源发光并读取图像传感器的数据。

可选的，待测品窗口的待测品通过成像光路被图像传感器探测。

可选的，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为8度。

可选的，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为0度。

在结合附图阅读本实用新型的具体实施方案的以下描述之后，本实用新型的其它方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式中测色装置的示意图；

图2为本实用新型一实施方式中测色装置另一示意图；

图3为本实用新型一实施方式中测色装置的光路示意图；

图4为本实用新型一实施方式中平均间隔20nm的LED光源组合光谱理想分布示意图；

图5为本实用新型另一实施方式中测色装置的示意图；

图6为本实用新型另一实施方式中测色装置的另一示意图；

图7为本实用新型另一实施方式中测色装置的光路示意图；

主要元件符号说明

测色装置	10
		积分球	101
待测品窗口	1011
		出射窗口	1012
光吸收阱	1013
		通光通道	1014
环状间隙	1015
		环状	1016
成像光路	102
		LED光源	103
图像传感器	104
		电机	105
滤光片架	106
		滤光片	107

具体实施方式

为了使实用新型的目的、原理、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，正如本实用新型内容部分所述，此处所描述的具体实施例用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要特别说明的是，根据说明书的文字或者技术内容可以确定的连接或位置关系，为了图画的简洁进行了部分的省略或者没有画出全部的位置变化图，本说明书未明确说明省略的或者没有画出的位置变化图，不能认为没有说明，为了阐述的简洁，在具体阐述时不再一一进行说明，在此统一说明。

测色装置是一种通过采集待测品的反射光信息以测量待测品颜色的仪器。在进行实际测量过程中，影响待测品的颜色测量结果除了物体本身的反射因素外，还包括光源的光谱、图像传感器的参数，以及待测品与光源、图像传感器的在测色装置结构上的相对位置，也即测色装置进行反射测量的几何条件。

对于平面多色块图案的测量，现有双光束测色装置的分光探测器只能探测测量口待测品反射光的光度、光谱信息，无法获取测量口待测品的图像，所以测量范围受到局限。因此，常采用多光谱成像装置，即在预定的光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。多光谱图像是指对不同波长(多个邻接光谱带)下采集的相同目标对象的一组10幅或更多幅图像进行颜色复现等处理而获得的单幅图像，此过程视为一个周期。因此，在对平面多色块图案进行测色时，除了光路设计需要满足反射测量的几何条件外，还需要考虑多个邻接光谱带测量效率。

请参见图1至图3，为本申请的一个测色装置10的一个实施例，包括：

积分球101，所述积分球101开设有用于对准待测品的待测品窗口1011，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口1012；成像光路102，所述成像光路102正对所述积分球101上的出射窗口1012；图像传感器，所述图像传感器正对所述成像光路102，所述成像光路102位于所述图像传感器与出射窗口1012连线之间，用于接收所述待测品窗口1011处的所述待测品的反射光线；位于积分球101内的照明部件，所述照明部件包括由多个等带宽的LED光源103组成的光源序列，用于向所述积分球101内部投射连续谱光；所述积分球101内，设置有整形装置，匀化前的LED光源103经所述整形装置整形。

可以理解，所述光源序列指由多个等带宽光源依中心波长的大小有序组成的序列，组成的带宽覆盖预定测量的光谱范围。

可以理解，所述成像光路102用于耦合待测品窗口1011发出的反射光线，那么对于成像光路102的光学元件的设置，具备实现耦合反射光线的功能，即只有待测品窗口1011的反射光线才可以沿成像光路102被图像传感器探测。进一步地，成像光路102接收的反射光线的具体成分(漫反射、镜面反射)根据预定的几何测量条件而定。例如根据CIE(Commission Internationale de l′Eclairage，国际照明委员会)15:2004推荐的有d:d、di:8°、8°：di、8°:de、de:8°、d:0°、45x:0°等。

术语“图像传感器”在本申请文件中指代具有被配置成对场景或平面主体进行成像的至少一个光学光圈和传感器阵列的任何成像组件，传感器对光作出响应。在一些实现中，传感器可以是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)元件，也可以是CCD(charge coupled device，电荷耦合元件)元件，同时也设想了其他合适的架构。例如，对于基于硅的传感器，波长响应的范围可以从300纳米至1100纳米。

具体而言，本实施例所提供的测色装置工作过程如下：

进行测量时，LED光源103序列中的第1颗LED点亮，举例而言，假设光谱带宽为20nm，即在360nm至700nm光谱范围内，需要17条邻接光谱带，相邻LED光源103中心波长的平均间隔为20nm，该条件下，LED光源103组合光谱理想分布示意图参见图4。

那么第1颗LED光源103的光谱范围为360nm至380nm，发出的光被积分球101内壁反射均匀化。特别注意，在本申请中，发出的光在积分球101内进行匀化之前，需先经过整形处理，即对每一LED光源103波形进行处理，使得LED光源103的光谱在预定的范围内。经过整形处理的LED光源103在积分球101内匀化后照射在待测品窗口1011上，并经过位于待测品窗口1011的待测品表面反射形成反射光，反射光经过积分球101上开设的出射窗口1012进入成像光路102，之后被图像传感器探测并形成实像，然后熄灭第1颗LED光源103，至此完成第1条光谱带的测量；剩余的未测量的所有LED光源103，依次按照以上方法进行测量，例如，第二次测量对应光谱范围为380nm至400nm的第2颗LED光源103点亮。

当然，在另一些实施例中，满足由多个窄带LED光源组成预定光谱范围的前提下，窄带LED光源的点亮顺序也可不按照波长由短至长依次点亮，举例而言，第一颗点亮的窄带LED光源可以是380nm至400nm，第二颗点亮的窄带LED光源的光谱范围为360nm至380nm，也即，对组成预定光谱范围的LED光源的点亮顺序，本申请不做限定，只需对组成预定光谱范围的所有窄带LED光源在一个测量周期内均至少点亮一次。

在一个测量周期内，组成完整光谱带的所有LED光源103进行至少且仅有一次测量，则本实用新型的装置实现了一次完整的多光谱图像探测，随后对多次探测获取的多幅光谱图像进行处理。

可以理解，在确定的光谱覆盖范围以及确定的窄带LED光源103中心波长的间距前提下，LED光源103的数量即确定。例如，所有LED光源103的组合光谱覆盖400nm至700nm的连续波段且相邻的LED的中心波长的平均间隔为10nm时，所需的LED光源103个数为15个。

可选的，所述LED光源103、图像传感器与电子系统连接，电子系统驱动LED光源103依次发光并读取图像传感器每次探测的数据，并传输至外部存储。可以理解，此处对于图像数据的处理至少包括降噪、对比度增强、复原中的一种。

通过以上的测色装置，实现了平面图案的多通道颜色测量，获取预定光谱范围内的多幅光谱图片，可以获取待测品窗口1011处平面图案的每一个像素点的光谱反射比曲线。在此基础上，实现对待测品窗口1011范围内的任意像素进行光谱反射比、颜色的分析，实现对待测品窗口1011范围内的光谱反射比二维分布、颜色二维分布的分析，从而实现对相同图案表面的精准点对点的反射光谱比、颜色对比二维分布的分析。

可以理解，以上的测色装置，在满足测色几何条件的基础上，使进入积分球101的LED光源103在匀化前经过整形处理，相邻光谱带之间带宽精确度高；进一步地，在测量时，只需要切换发光的LED光源103，使得完成单次的图像探测所需的时间短，在分割的光谱带数量相同的情况下，完成一次完整的预定光谱范围的测量所需的时间短，即完成一个周期的测量所需的时间短。

对于整形装置的设置形式，可包括以下两种，在考虑LED光源103模组化时，至少一个所述LED光源103在射到积分球101内壁的光路上设置有与其匹配的滤光片107，也即，并不是每一LED光源103都需要进行整形处理，LED光源103与滤光片107作为整体模组应用为光源。

作为另一种设置方式，由于在测量前不确定LED光源103的波形是否满足的预定要求，那么在结构上，积分球101内部在LED光源103发出的路径上设置有滤光片架106，在对LED光源103进行逐一测试后，对不满足要求的LED光源103前的滤光片架106上安装对应滤光片107。具体而言，本实用新型前述所指的不满足预定要求情况，表示所述光源中的LED光源103的半波带宽超过平均间隔时，在LED光源103前设置有与其相同中心波长的窄带滤光片107，所述窄带滤光片107的半波带宽小于平均间隔，滤光片107使得在积分球101内进行匀化的LED光源103的光谱范围与预定的光谱范围匹配度高。应注意，对于本申请LED光源103的整形过程，是在生产端进行的，也即对于整形装置的设置也是在生产端解决的，厂家完成整形装置的设置。批量测量过程中一般只需要第一次的校准，后续的测量过程中，整形的过程是在积分球内部自动完成的。另外，对于设置为模组或者积分球内部设置滤光片架的形式，当某一LED光源损坏或者发亮不满足要求，更换LED光源也更为方便，且对更换后的LED光源的整形以及校准也更为便捷。

进一步地，为了避免在测量时，LED光源103直射待测品窗口1011，LED光源103与待测品之间的连线设置有挡板。在此应指出，本申请对LED光源103间的相对位置排布不作要求，满足设置的LED光源103发出的光不直射待测品平面即可，举例而言，LED光源可以以位于积分球内的上半部分，也可以位于下半部分，或者位于积分球腔内同一切平面。结合上述，在设置滤波片架的方案下，滤波片架可作为积分球101内壁的延伸，从而滤波片架起所述挡板的作用，可选的，LED光源103呈环状排布，对应滤波片架可为环形挡板，从而LED光源103发出的光在到达积分球101内壁前已经过整形处理，避免因LED光源的波形不稳定导致预定光谱的光源测量数据不准确，进一步地，匀化后的光源经待测品表面反射后经过成像光路被图像传感器探测。

CIE规定了十种反射测量的几何条件，典型的有di：8°几何条件，即成像光路102接受的待测品表面的反射光包含镜面反射的成分。对应的在图1至图3所示的实施例中，可选的，所述出射窗口1012的中心和所述待测品窗口1011的中心之间的连线与待测品窗口1011的法线夹角为8度，更进一步的，所述积分球101上半部分为半球形、下半部分为圆锥形，对于LED光源103的设置形式，所述LED光源103设置在所述积分球101上半部分。

具体的，积分球101内的光路如图3所示，积分球101内，LED光源103发光，经过整形、匀化，照射在位于待测品窗口1011处的待测品表面，该表面漫反射以及镜面反射光由积分球101上的出射窗口1012射出，并由位于同一直线的成像光路102接收，进而被图像传感器探测。采用di：8°这一几何条件测量得到的结果可以有效排除样品表面结构的影响，对于诸如有纹理纸张、金属，以及纺织品等样品的颜色测量尤为重要。

当然，可以理解，在di：8°测量条件下，可选的，在积分球101上设置光吸收阱1013，相对成像光路102所在侧，其设置于待测品窗口1011法线的另一侧。通过光吸收阱1013对光线的吸收，避免光吸收阱1013处的光线对所述待测品窗口1011产生镜面反射，避免该镜面反射的光线进入成像光路102，实现了对镜面反射成分的消除。所述电机105用于驱动光吸收阱1013打开(消除镜面反射成分)或者关闭(包含镜面反射成分)

应当注意，图1至图3所提出测色装置用于平面图案，从而，待测品窗口1011位于的积分球101球体的切线上，在测量时待测品所在平面也位于积分球101球体的切线位置，这对由待测品表面的反射光经过成像光路102被图像传感器探测而言是重要的，若待测品进入积分球101内部空间，则会改变积分球101内部光路的条件，使得位于待测品平面法线8°方向的成像光路102以及图像传感器探测的图像存在偏差，影响测量效果。

作为积分球101几何条件的另一种实施方式，采用CIE规定的45°的测量方式。可以理解，此时成像光路102接收的光线不包含镜面反射，45°指对于待测品表面，LED光源103从与待测品表面法线夹角为45度的方向进行照明，成像光路102、图像传感器与待测片表面法线方向位于同一直线。

在该种实施方式下，作为积分球101另一种结构形式，参见图5至图7，所述积分球101包括上半腔与下半腔，所述成像光路102与上半腔连接，且成像光路102一端延伸至上半腔中形成通光通道1014，所述成像光路102的另一端连接图像传感器。具体如图7所示，在一次测量中，点亮LED光源103，积分球101的上半腔的内壁被照亮，光线在上半腔内壁匀化后，通过上下半腔间的环状间隙1015传播至下半腔、待测品窗口1011。待测品表面的反射光依次经过通光通道1014、成像光路102，被图像传感器探测，应当注意，位于下半腔表面的环状1016表面上反射光也依次经过通光通道1014、成像光路102，被图像传感器探测。

可以理解，图5至图7所示的实施例中，采用非接触式的测量方式，在积分球101体内部光源的光强足够时，外部光源的影响可以忽略。优选的，所述上半腔采用涂覆有白色涂层，如氧化钡；下半腔涂覆有黑色涂层。

应当注意，对于积分球101，其理想条件至少包括以下：(1)积分球101的内表面是完整的几何球面；(2)积分球101内表面上每一点的半径相同；(3)积分球101内壁是均匀漫反射面；(4)积分球101内壁对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比。显然，在图5至图7的实施例中，事实上只需上半腔满足该积分球101的理想条件，整体而言，上半腔与下半腔组成的本申请所述“积分球101”的结构，包含满足理想积分球条件的上半腔部分，从而，本申请所述“积分球101”应当扩大理解为一类具备匀光作用的腔体，其包含具备理想积分球条件的结构，而不限定为其整体都满足理想积分球101条件。

可以理解，无论是di：8°还是45°的测量条件，都满足所述成像光路102位于所述图像传感器与出射窗口1012连线之间，用于接收所述待测品窗口1011处的所述待测品的反射光线。另外，值得注意，在图5至图7所示的实施例中，在待测品窗口1011处还设置有环状。所述环状表面的反射光可沿通光通道1014被图像传感器探测，以用于校准。

需要说明的是，在测色仪的相关技术领域中，积分球101的设计需要满足黑白校准的条件，以在测量前获取黑白板的校正数据。

因此，可以理解，对于一些不能进行标准黑白板测试的光学装置，不满足的积分球101的几何条件，从而无法实现高分辨率的多光谱成像。

值得一提的是，本实用新型的所提出测色装置采用单光路的形式，实现了现有双光束测色装置中的分光探测器用于测色的功能，减少了一个光路的使用，并用图像传感器取代了光谱传感器，有效降低了用于测色的仪器成本和装配复杂度。对于单光路的定义以及说明，可以参考公开的中国专利：CN201822090184.1，此处不再赘述。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本实用新型的保护范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多色LED光谱成像的测色装置，其特征在于，包括：

积分球，所述积分球开设有用于对准待测品的待测品窗口，以及用于供所述待测品的反射光线穿过的出射窗口；

成像光路，所述成像光路正对所述积分球上的出射窗口；

图像传感器，所述图像传感器正对所述成像光路，所述成像光路位于所述图像传感器与出射窗口连线之间，用于接收所述待测品窗口处的所述待测品的反射光线；

位于积分球内的照明部件，所述照明部件包括由多个等带宽的LED光源组成的光源序列，用于向所述积分球内部投射连续谱光；

所述积分球内，设置有整形装置，匀化前的LED光源经所述整形装置整形。

2.如权利要求1所述的测色装置，其特征在于，至少一个所述LED光源在射到积分球内壁的光路上设置有与其匹配的滤光片。

3.如权利要求1所述的测色装置，其特征在于，每一LED光源在射到积分球内壁的光路上设置有滤光片架。

4.如权利要求2或3所述的测色装置，其特征在于，所有LED光源的组合光谱范围覆盖400nm至700nm。

5.如权利要求4所述的测色装置，其特征在于，所述LED光源与滤光片封装为光源模组。

6.如权利要求5所述的测色装置，其特征在于，所述积分球上半部分为半球形、下半部分为圆锥形，所述LED光源设置在所述积分球上半部分，LED光源与待测品窗口的连线设有挡板。

7.如权利要求6所述的测色装置，其特征在于，所述LED光源、图像传感器与电子系统连接，电子系统驱动光源发光并读取图像传感器的数据。

8.如权利要求7所述的测色装置，其特征在于，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为8度。

9.如权利要求8所述的测色装置，其特征在于，所述出射窗口的中心和所述待测品窗口的中心之间的连线与待测品窗口的法线夹角为0度。

10.如权利要求9所述的测色装置，其特征在于，所述积分球包括上半腔与下半腔，所述成像光路与上半腔连接，且成像光路一端延伸至上半腔中形成通光通道，所述成像光路的另一端连接图像传感器。

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