TW202006341A - 具有改善的多光譜感測器的非接觸式多光譜測量裝置 - Google Patents

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維塔利 德米特里
海科 葛洛斯
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Abstract

本發明涉及用於測量感興趣表面的反射性質的多光譜測量系統，所述多光譜測量系統包括：多光譜檢測器，其被構造為測量多個光學輻射帶中的光譜資訊，每個光學輻射帶對應於一濾波函數，所述多光譜檢測器包括多個光電二極體，每個光電二極體具有對應於濾波函數之一的濾波器，對應於濾波函數中的每個存在至少兩個光電二極體，所述光電二極體位於呈二維陣列的點對稱佈置中；以及觀測光學器件，其具有光圈並且被構造成觀測感興趣的表面；其中，所述多個光電二極體中的每個相對於所述光圈位於不同的位置中，並且其中，通過組合點對稱的光電二極體的測量結果來補償每個光電二極體的感興趣表面的視場的差異。

Description

具有改善的多光譜感測器的非接觸式多光譜測量裝置
本發明係有關具有改善的多光譜感測器的非接觸式多光譜測量裝置。
傳統上已利用接觸模式顏色測量儀器來執行作為工作流程的一部分的顏色測量。示例是來自X-Rite Inc.的“Capsure”儀器。Capsure儀器包括集成顯示器並且能夠獨立操作。另一示例是來自Variable Inc.的取色器儀器“ColorMuse”。該取色器儀器包括基本的顏色測量功能。取色器儀器通過藍牙與運行配套軟體應用程式的智慧型電話或平板電腦進行通信。這些系統以接觸模式（即，被測量的樣品和儀器物理接觸）操作。這些裝置的光學系統不能用於在大範圍的位置、環境照明、照明和拾取光斑尺寸上的非接觸式測量操作。
這些儀器基於45/0測量幾何或不同標準的參考測量幾何，諸如，d/8。在標準化測量幾何的情況下，測量距離和測量光斑尺寸隱含著對光學器件的最小機械尺寸的限制。光學器件的直徑隨著測量距離和/或測量光斑尺寸的增加而成比例變化。圖1中描繪了具有以45°照明和以0°拾取幾何（45/0幾何）的已知測量系統10的示意圖。光源12提供照明，並且檢測器14檢測從目標表面16a反射的光。示出了作為距離變化的函數的在照明場與拾取場之間橫向位移。在這樣的幾何的情況下，用於測量的有效距離範圍可能會小至目標距離d±2 mm。而且，系統的機械尺寸受到從測量系統到樣品表面的距離的影響。
此外，改變該距離提供了觀測場和照明場的相對空間位移(由圖1中的箭頭所示)。距離範圍受到需要這兩個場之間充分重疊這一條件的限制。如果距離太大(所圖示的)或太短，則照明場和測量場將不對準。例如，與目標距離d隔開附加變化v的目標表面16b導致照明場與測量場不對準。
也可進行非接觸式顏色測量。例如，已知使用嵌入於移動裝置中的相機來嘗試對物體的顏色進行採樣或測量。然而，通常嵌入於移動裝置中的相機具有有限的可實現的準確度並且不適合於精確的顏色測量。典型的RGB濾色器未針對顏色測量性能進行優化。附加地，難以控制環境測量條件。
可通過使用顏色參考卡實現改善的準確度。見例如美國專利公開2016/0224861。在該示例中，將小的校準目標定位在待測量的樣品材料上。該校準目標包含用於相機顏色校準的已知色塊以及用於表徵照明條件的機構。然而，由於相機中僅紅色、綠色和藍色濾波功能可用，因此可實現的準確度是有限的。此外，可用性受到損害，因為它要求用戶攜帶校準卡並將校準卡放置在被採樣的表面上。
還存在用於移動裝置的顏色感測器，諸如，來自AMS AG的TCS3430三色激勵感測器。該裝置的應用是對移動裝置中的相機的色彩管理。這樣的感測器可用於輔助智慧型電話相機感測器對環境光的顏色感測，以增強和改善圖片白平衡。該感測器沒有主動照明。這些感測器通常不需要特定的光學系統。在有效檢測器區域前面的光學漫射器是足夠的。然而，即使具有對環境照明條件的校正，RGB相機仍然存在局限性。
美國專利8,423,080描述了包括用於顏色測量的顏色感測器的移動通信系統。該系統的可用性受到限制，因為它需要將感測器手動定位在預限定距離處以起始測量的自動執行。在感測器位於預限定距離處的情況下控制和保持移動通信裝置可能會是困難的。附加地，該系統局限於顏色資料，並且不支援樣品的光譜反射資訊。這限制了在開放系統架構(其中不同的資料庫需要不同的色度校準設定和搜索參數)中使用資料的靈活性。
利用行動電話測量顏色的附加嘗試是美國專利9,316,539號。該專利描述了一種緊湊的傅裡葉變換光譜儀，其能夠利用行動電話的相機感測器和條紋生成光學器件來操作。這樣的佈置不提供使用相機以關於光譜顏色測量進行瞄準和定位的可能性。
在一些實施例中，用於測量感興趣表面的反射性質的多光譜測量系統包括多光譜檢測器，其被構造成測量多個光學輻射帶中的光譜資訊，每個光學輻射帶對應於一濾波函數，多光譜檢測器包括：多個光電二極體，每個光電二極體具有對應於濾波函數中的一個的濾波器，存在位於呈二維陣列的點對稱佈置中的對應於濾波函數中的每個的至少兩個光電二極體；以及觀測光學器件，其具有光圈並且被構造成觀測感興趣的表面；其中，所述多個光電二極體中的每個相對於所述光圈位於不同的位置中，並且其中，通過組合點對稱的光電二極體的測量結果來補償每個光電二極體的感興趣表面的視場的差異。
在一些實施例中，多個光學輻射帶包括至少六個光學輻射帶。
在一些實施例中，多光譜測量系統還包括至少照明視場的至少一個照明源。至少一個照明源可以是非准直照明源。照明源可以在可見光範圍上發射光學輻射。在一些實施例中，照明源發射可見光輻射、近紫外光輻射和/或紅外輻射，並且多光譜檢測器具有對應於輻射的濾波函數。
在一些實施例中，多光譜測量系統還包括非接觸式多光譜測量裝置，所述非接觸式多光譜測量裝置包括：位置測量系統，所述位置測量系統用於測量所述多光譜測量系統相對於感興趣表面的位置值；以及用於基於來自位置測量系統的檢測到的位置值來校正來自多光譜測量系統的多光譜值的機構。非接觸式測量裝置可以包括移動通信裝置。位置測量系統可選自包括以下各者的組：圖案投影儀和相機、相機自動聚焦系統、立體視覺系統、鐳射測距儀和飛行時間距離感測器。
在一些實施例中，非接觸式光譜測量系統包括回復反射多光譜感測系統和位置校正系統。除校準資訊之外，這些系統的組合允許在相對寬範圍的測量距離上進行非接觸式測量以及相對於被測量表面校正感測器距離和角度。這使得能夠在從400至700 nm波長範圍的可見光譜區域中進行準確的光譜測量，該波長範圍可被擴展到覆蓋UV(低於400 nm)和近紅外(NIR)(超過700 nm)光譜區域。非接觸式光譜測量系統可有利地被包括在手持式測量裝置上。該系統還可被包括在移動通信裝置上以改善其光譜測量能力。如本文中所使用的“非接觸式多光譜測量裝置”包括但不限於專用的手持式裝置和其他移動裝置，諸如，智慧型電話和平板電腦。
用於測量感興趣表面的反射性質的非接觸式多光譜測量裝置可包括：多光譜測量系統；位置測量系統，其用於測量多光譜測量系統相對於感興趣表面的位置值；以及用於基於來自位置測量系統的檢測到的位置值校正來自多光譜測量系統的多光譜值的機構。
參考圖2，提供了非接觸式多光譜測量裝置100的框圖。可在移動通信系統或專用的手持式測量裝置上實施非接觸式多光譜測量裝置100。移動通信系統(諸如，移動智慧型電話或平板電腦)通常包括行動電話電子設備、作業系統(諸如，iOS或Android)、相機、顯示器、資料輸入能力、用於資料存儲的記憶體、以及到外部系統(雲、PC、網路)和無線通訊系統(諸如，蜂窩語音和資料系統、LTE系統和其他無線通訊系統)的介面。這樣的移動通信系統在本文中被稱為“移動裝置”。
非接觸式多光譜測量裝置100可包括回復反射多光譜測量系統110、位置校正系統120、以及應用程式軟體和由處理器124處理的校準資料。應用程式軟體和校準資料可被存儲在非易失性記憶體中。還可提供RGB相機122和顯示器128。如本文中更充分地描述的，通過在比先前已知的更寬範圍的距離和取向上進行準確測量，由本發明提供的回復反射測量光學器件的測量幾何以及距離和角取向引導與校正改善了易用性和光譜準確度。應用程式軟體在非接觸式多光譜測量裝置100上運行，並控制資料獲取工作流程、使用者交互、以及對資料和應用程式的處理。附加的感測器部件能夠在非接觸式多光譜測量裝置100中實現，或者附接到非接觸式多光譜測量裝置100的殼體外部。本文中所描述的非接觸式多光譜測量系統在使用方面並不限於移動系統，並且可被包括在其中期望具有距離和角度校正的非接觸式光譜測量的任何裝置中，包括被嵌入於工業系統中。
本發明的具有光譜感測能力的非接觸式多光譜測量裝置100由於其易用性、瞄準輔助和校正參數的使用而特別好地適合於測量在物體表面上找到的“吸入顏色(inspiration color)”。在已準確地捕獲吸入顏色之後，軟體應用程式可識別對應於一組顏色色調的數位參考資料的資料庫130中的匹配顏色。顏色資料庫(正如該術語在本文中所使用的那樣)可包括關聯式資料庫、結構化資料的平面檔(例如，CxF和AxF檔)、以及包括光譜或其他顏色資料(RGB、CIE三色激勵顏色等)的結構化資料的其他庫、和/或與給定用例相關的關聯元資料(散射參數、效果修飾、半透明度、印刷條件等)。每個不同的顏色資料庫可能具有不同類別的材料和測量要求，且因此需要不同的校準參數。具有不同校準參數的這樣的資料庫將被視為不同的用例。顏色資料庫可包括例如PANTONE顏色匹配系統色彩、可印刷顏色、建築塗料顏色資料庫、塑膠顏色資料庫、皮膚色調資料庫等等。資料庫130可被存儲在非接觸式多光譜測量裝置100上，或者可以是基於雲的並且使用移動裝置的通信能力直接地抑或通過電腦網路132(如圖2中所示)進行訪問。
參考圖3，多光譜測量系統110包括回復反射測量路徑(包括照明光路和觀測光路)、一個或多個照明源112和多光譜檢測器114。照明源112和多光譜感測器114可與電子設備和嵌入式固件一起被單獨地安裝或定位在單個電路板或基板上，以根據測量序列操作感測器並將測量資料對接到應用程式軟體。優選地，多光譜測量系統110被小型化，並且具有適合於集成到移動裝置或專用的手持式測量裝置中的形狀因數。附加地，多光譜測量系統110優選地適於將有效的非接觸式測量距離範圍擴展到相對於目標測量距離的±10 mm、±20 mm或更大。
根據本發明的一個方面，回復反射測量路徑的幾何可被構造成提供標準化的逆鏡像(aspecular)測量角度。用於顏色測量的一種標準測量幾何(CIE出版物15，2004年)基於45°的照明角度和0°的檢測角度，並且通常被稱為45/0測量幾何。該測量幾何提供了測量的逆鏡像角度，其被限定為在觀測場中心的照明的鏡面反射方向與在中心場位置處的對應觀測角度之間的角度差。逆鏡像角度是表面反射輻射的振幅的相關參數。45/0測量幾何具有45°的逆鏡像角度。
如圖3中所示，根據本發明的多光譜測量系統110的示例性實施方式具有測量路徑，該測量路徑相對於表面法線在入射平面中具有22.5°照明角度和後向反射的22.5°檢測角度。這在入射平面中提供了相對於鏡面表面反射的45°逆鏡像測量角度，其對應於標準化的45/0測量幾何。選擇相同的逆鏡像角度是有幫助的，因為表面反射與標準的45/0測量幾何具有相當的尺寸。如果在稍後階段需要將當前系統的測量資料與具有45/0幾何的儀器的測量資料進行比較，則該選擇能夠是有用的。能夠通過測量結果的演算法校正來實現該轉換。
在該回復反射測量幾何中，多光譜測量系統110的照明源112和多光譜檢測器114部件將光投影到樣品上，並以相對於被測量表面的表面法線基本上相同的角度接收來自樣品的後向反射光。照明角度和檢測角度不一定精確地相等，因為將照明源112定位成鄰近於多光譜拾取檢測器114可能會在導致照明角度和檢測角度之間的一些微小差異。因此，以與照明光學輻射相同或至少基本上相同的角度(例如，通常在入射平面內約±5°內)(圖15)接收後向反射的光學輻射在本文中被稱為回復反射測量幾何。入射平面外的角度差異對測量準確度的影響較小，並且無需在±5°內以被視為回復反射測量幾何(圖14)。
在回復反射測量幾何的情況下，多光譜測量系統110的機械尺寸可非常緊湊，這是因為照明和檢測器部件可被佈置在小型區域上(諸如，在共同的插座或支撐部分上)的同一位置處。附加地，當測量距離變化時，照明光路和觀測光路相對於彼此保持居中。照明光線和觀測光線在入射平面中基本上共線，如圖3中所示。這允許照明場和觀測場保持在大的測量距離上對準以及在相對大範圍的距離變化上準確操作。例如，在圖3中，照明場和觀測場在與多光譜測量系統110隔開距離d的目標表面116a、以及在與多光譜測量系統110隔開距離d+v的目標表面116b上保持對準。
某些應用可能需要仔細選擇照明光路和觀測光路的中心入射角。如果樣品表面具有某種粗糙度或結構，則從表面反射的輻射將影響測量結果。樣品的顏色可由材料內部的材料性質(例如，亞表面散射)來表徵。來自表面的輻射疊加在亞表面輻射上並擾亂測量結果。相對於測量表面的較大逆鏡像角度減小了來自粗糙表面的對應的表面效應。因此，本發明並不限於圖中所圖示的特定22.5°回復反射角度。取決於待測量表面，大於或等於30°或更優選地40°的任何逆鏡像角度都可能是適當的。這些逆鏡像角度導致回復反射角度大於或等於15°或更優選地20°。替代性示例將是30°/30°光學系統，其對應於60°的逆鏡像角度。回復反射角度可在15°至30°的範圍內。
當期望在光譜測量操作期間獲取目標表面的圖像時，可針對預限定的目標測量距離來限定多光譜測量系統110的設計，如圖4中示意性地示出的。在圖4中，示出了在非接觸式多光譜測量裝置100中多光譜測量系統110相對於相機122的位置。在該示例中，在預限定的目標測量距離d處的測量場的中心被定位在與相機122的光軸的交叉點處。
到測量平面的目標測量距離應被選擇為使得相機能夠在該距離處以及在期望的距離變化範圍上實現樣品的清晰圖像。合理的預限定目標測量距離d在30 mm至150 mm的範圍內。任何其他距離都可由適應性設計等效地支持。
多光譜測量系統110應針對廣泛範圍的材料生成準確的測量結果。許多材料是不均勻的。因此，檢測器拾取光學器件的觀測場的尺寸可被選擇為相對於表面不均勻性足夠大，以便提供代表性的平均測量結果。參考圖5，已發現在目標測量距離處的具有在6至12 mm範圍內的直徑的典型觀測場尺寸o是適當的。本發明並不限於觀測場的任何特定尺寸。照明場被選擇為過照明(over-illuminate)多光譜拾取檢測器的觀測場。在該背景中，過照明是指照明場的尺寸i相對於觀測場(其中i大於o)，而不是指照明強度。在一些應用中，在目標測量距離處的2 mm的過照明半徑可能是適當的。取決於材料的半透明性質，可能需要增加過照明半徑。對於半透明介質(如人類皮膚)，過照明半徑應在4 mm至10 mm或更高的範圍內。本發明並不限於過照明半徑的任何特定範圍。
測量平面中的期望的場尺寸m(6至12 mm)大於整個多光譜測量系統的期望的封裝尺寸。具有在幾毫米範圍內的微型多光譜檢測器的測量系統將需要用於照明和檢測器觀測光學系統的發散光束。實線光束是觀測光束；虛線光束對應於照明光束。
具有發散照明光束的光學設計的結果是：檢測到的光學信號隨著相對於被測量表面的距離和角取向的變化而變化。例如，照明場和觀測場的區域將隨著測量距離的增加而增加。本發明包括位置校正系統，該位置校正系統提供關於樣品相對於多光譜測量系統的有效距離和角取向的資訊。由校正演算法使用該位置/取向資訊，所述校正演算法根據相對於目標參考測量幾何的距離和角度來校正測量結果。位置校正系統還可與非接觸式多光譜測量裝置100的顯示器結合使用，以向用戶提供引導來相對於被測量表面將非接觸式多光譜測量裝置100保持在適當的距離和角度處。
多光譜測量系統110的回復反射測量幾何很好地適合於這樣的演算法位置校正。該光學設計具有這樣的性質：在大的距離變化範圍上，所得的相對信號變化對於多光譜檢測器114的每個光譜觀測通道是相同的。距離校正能夠由測量信號與距離變化之間的全域關係來描述，該全域關係對於所有光譜濾波器通道都是有效的。
這種表現能夠在實驗室中在一組代表性原型上表徵。圖6中所示的典型測量結果示出了多光譜檢測器在目標距離處、在目標距離+5 mm處以及在目標距離-5 mm處的回應。圖7示出了目標距離+5 mm和目標距離-5 mm的比較。該圖表示在相對於目標距離+/-5mm的距離範圍上的照明的相對信號變化。能夠看出，相對比率曲線在全照明波長範圍(400至700 nm)上是恆定的。
多光譜測量系統110中的多光譜檢測器114可包括具有光電二極體陣列的CMOS檢測器。在該背景中，多光譜意味著六個或更多個不同的光譜通道，其中每個通道對應於光學輻射的一頻寬。光學輻射包括可見輻射、紫外輻射和紅外輻射。市售六通道陣列的示例是可從AMS AG獲得的AS7262多光譜感測器。有可能應用在16個或更多個的範圍內的更多通道。在這種情況下，能力將對應於超光譜或全光譜測量系統。
在多光譜CMOS光電二極體陣列中，精密光譜帶通濾波器被放置在每個光電二極體上。濾波器可通過薄膜塗覆技術結合光刻技術來實現，以實現空間微觀濾波模式。本發明並不限於CMOS光電二極體陣列。可應用替代的光敏檢測器陣列技術。
光譜濾波器使選定波長的光通過以實現光譜分析。顏色測量需要在可見波長區域上進行光譜分析。光譜濾波器的數量、每個濾波器的中心波長、帶通(濾波函數的半峰全寬)以及濾波函數的形狀對可實現的性能具有影響。
圖8示出了濾波器組的示例，該濾波器組分別包括被選擇為覆蓋可見光範圍的八個濾波器帶通函數801至808。可使用更多或更少的通道。還可包括在低於400 nm的UV範圍中和超過700 nm的NIR範圍中的光譜濾波器。濾波器應對指定的光譜測量範圍連續採樣而無間隙。用於顏色應用的光譜測量範圍通常是從400至700 nm的可見光譜範圍。光譜濾波器可覆蓋下麵的光電二極體的全敏感區域。
圖9A中提供了CMOS檢測器陣列的示例。圖9A圖示了常規的八通道陣列。圖9A中的數字1至8對應於如圖8中所圖示的濾波函數801至808。具有以週期性陣列佈置的多組光電二極體的感測器也可以是合適的。
其中光電檢測器陣列佔據小於被測量表面的視場的區域的光學設計的一個結果是發散的光線路徑導致不同的光電二極體各自觀測被測量表面的略微不同的部分。在圖9C中提供了相對於單個光圈在兩個不同位置處的兩個光電二極體的簡化視圖。因為每個光電二極體相對於光圈位於不同位置，所以每個光電二極體測量被測量表面的觀測場的略微不同的部分。常規的光電二極體陣列並不針對這種不同的視角進行校正。
在圖9B中圖示了具有互補對稱定位的檢測器光電二極體的光電二極體陣列。圖9B中的CMOS檢測器具有比濾波器通道更多的光電二極體。在該示例中，對於八個濾波器通道，檢測器陣列提供呈4X4矩陣的十六個光電二極體。兩個光電二極體被提供有對應於一個濾波器通道的光譜濾波器，其中每個光譜濾波函數在兩個互補位置處實現。這些位置關於光電二極體矩陣的中心對稱地佈置。
光電二極體的該互補對稱佈置允許補償由於矩陣中的單獨的光電二極體的不同觀測角度所引起的測量結果的變化，其中在二維光電二極體陣列的兩個軸線中進行補償。在檢測器讀出電子設備中將利用同一光譜濾波器的對應的檢測器像素的信號相加將消除由於不同的觀測角度視角所引起的測量效應。這針對用於相同的角度測量條件的所有不同通道提供了一致的光譜測量結果。
計算在具有相同濾波函數的兩個光電二極體位置之間的差異也可能是有利的。差異信號可除以在光電二極體陣列上的兩個濾波器位置之間的距離。這提供了關於針對每個濾波器波長的測量信號的角度變化的資訊。該操作的結果是光譜向量具有關於材料的角表現的附加資訊。此附加資訊可用於改善在顏色庫或資料庫中的搜索。
多光譜檢測器晶片可放置在緊湊的晶片封裝中。檢測器的觀測場由附加的光學機構(如一個或多個透鏡、光圈或片層結構)限定。這些光學元件可與檢測器封裝集成在一起以實現小型化的解決方案，或者在外部佈置在多光譜測量系統的機械殼體中。附加的漫射器可被包括在檢測器像素和光學部件之間以使觀測場成形。附加的漫射器有助於對由於不同的視角和樣品的不均勻性造成的測量效應進行平均。
圖10示出了多光譜顏色檢測器拾取光學設計的實施方式的一個示例，該光學設計具有外部透鏡140和光圈142以限定照明光束。透鏡相對於多光譜檢測器處於22.5的角度，以產生期望的回復反射測量幾何。雖然為了清晰的目的僅圖示了對應於多光譜檢測器上的不同光電二極體的三條光路，但是本發明並不限於此。用於使照明光束成形的照明系統的光學器件可包括機械光圈、透鏡或片層結構，以限定照明錐角。圖11提供了光學檢測器拾取系統的示例，該系統具有外部透鏡140和機械光圈144以使光束成形。多光譜測量系統110可被集成在移動裝置內部，或者可在外部附接到移動裝置的罩殼。
圖12呈現了光學設計150的另一示例，該光學設計包括用於適合在本發明中使用的照明和檢測光學系統的折疊光路。能夠通過一次、兩次或更多次表面反射來實現光路的折疊。雖然圖12中圖示了多光譜測量系統110，離散的多光譜檢測器114或(一個或多個)照明源112可因此被替換掉。在一些實施例中，光學漫射器能夠被佈置在多光譜測量系統110的出射表面和光學系統之間。在圖12中所示的特定光學系統中，光路通過兩次表面反射152、154、接著是透鏡156而被折疊。替代性實施例可實施不同次數的表面反射。透鏡功能可通過球形形狀或非球形形狀的一個或多個表面來實現。在替代性實施例中，可利用反射表面實現透鏡功能，即，反射表面可以是具有彎曲而非為平面的表面。在光學設計中，透鏡功能可通過菲涅耳透鏡來實現。在特定實施例中，表面反射和透鏡形成在單個部件中。光學部件可包括透明材料，諸如，玻璃或聚合物。圖12示出了在透鏡表面後面的光圈158。在光圈後面朝向樣品平面的光線路徑和光線圖案對應於圖10和圖11中所示的幾何。
用於多光譜測量系統110的照明源112可包括但不限於發光二極體(LED)發射器。可使用任何合適的燈或發射器。照明源112緊鄰多光譜檢測器114光學器件放置。照明源112可與多光譜檢測器114被集成在同一封裝中。白光LED可用於在可見光譜中進行測量。為了擴展光譜範圍，可添加UV LED和NIR LED。另外，白光LED可補充有具有在可見區域中的較窄光譜的附加LED。
圖13和圖14中示出了照明源112相對於多光譜檢測器114的放置的示例。在圖13中，兩個照明源112關於多光譜檢測器114對稱地佈置。在圖14中，相對於在中心的多光譜檢測器圖示了四個照明源112。
參考圖15，入射平面由多光譜檢測器的中心觀測路徑(向量u )和樣品表面上的法線(向量v)限定。如上文所描述的，觀測路徑相對於表面法線傾斜15°至30°(角度θ)。在優選示例中，觀測方向相對於表面法線傾斜22.5°。而且，為了實現回復反射測量路徑幾何，照明路徑(向量i )在被投影到入射平面上時相對於表面法線傾斜與觀測路徑相同或接近相同的角度(通常在5°內)。另一光學設計目標是使每個照明源112的照明通道的逆鏡像角度相對於中心觀測方向是恆定的。
參考圖13和圖14，在多光譜檢測器兩側上的LED對稱地佈置成垂直於穿過有效檢測器區域的中心的入射平面的線(圖13和圖14中的虛線)。由於LED的小的橫向位移和檢測器有效區域，觀測路徑和照明路徑並不完全共線，而是代替地具有小的角度偏差。由於該角度偏差在平面外方向(垂直於入射平面)上，因此它對光譜測量幾乎沒有影響。
非接觸式多光譜測量裝置100的電子設備可存儲對於校準和對於資料處理有用的資訊，包括用於檢測器和照明系統LED的濾波函數的光譜資料、用於將原始測量資料轉換成在目標測量距離處的校準的反射因數值的白參考向量、距離校正多項式係數、以及線性度校正。
為了支持環境光測量，可包括附加的朗伯光學漫射器。該光學漫射器可被機械地放在檢測器拾取通道的測量視窗上。例如，這可利用被定位在非接觸式多光譜測量裝置100的殼體外部處的機械滑塊來實現。
可採用各種手段來向非接觸式多光譜測量裝置100提供關於待測量表面相對於多光譜測量系統的距離和角取向的資訊。例如，可實施“飛行時間”、“立體視覺”鐳射測量、距離感測器、相機自動聚焦資訊和其他手段。在一個有利示例中，位置校正系統包括光學圖案投影儀和相機，諸如，移動裝置的相機。
光學圖案投影儀可投影一組位置標記。在所圖示的示例中，位置標記包括單獨的點。還構想了不同的位置標記和圖案，包括連續線，包括矩形或圓形圖案。光學圖案投影儀可在期望對使用者進行視覺引導的應用中投影可見光。光學圖案生成器還可在可見光可能包括干擾或擾亂的應用中投影非可見光，諸如，NIR和UV。此外，在當位置感測器使用飛行時間或立體視覺並且不需要在樣品上的投影特徵處進行搜索的情況下，位置標記可與位置資訊自身相關。
通過某種類型的表面擬合一組點允許在給定坐標系中關於其位置進行表徵。例如，點可由平面或二次曲面通過最小二乘法擬合。例如，圖17圖示了使用對極幾何來識別三個示例性表面取向的距離和取向的示例。在圖17中，光學圖案投影儀位於距相機的已知固定距離處。投影儀光束將多個點投影到感興趣表面上。由相機獲取這些點的圖像。確定其中一個點沿著其對極線的位置提供了該點相對於相機和投影儀的3-D位置資訊。可將多個點的所確定的3D位置擬合到平面，並且可確定關於該平面相對於相機和投影儀的距離和取向的資訊。需要至少三個點的3D位置來限定平面。圖18是在對極線1806上找到的點1802、1804的圖示。為了清晰的目的，並未圖示所有對極線。
在本發明的一個示例中，圖案投影儀和相機在同一個非接觸式多光譜測量裝置100中並且在相對於彼此固定的位置中。如圖16中所圖示的，系統的幾何在生產期間被確定一次。首先，在步驟1602中，確定相機幾何。可將相機視為針孔相機。可使用固定焦點，並且確定被稱為相機矩陣的投影矩陣。如有必要，也可對失真參數建模。然後，在步驟1604中，確定圖案投影儀的幾何。來自投影儀的光束以直線行進，因此光束撞擊到目標上所在的所有點也在該直線上。而且，光束的圖像是直線，其可被稱為對極線，其為立體視覺的常見概念。這與從相機到圖案投影儀的已知固定距離一起提供了用於確定所投影的位置標記的3-D位置的必要校準資訊。在步驟1606中，將校準資料存儲在校準資料庫1608中。
為了執行位置分析，在步驟1610和1612中，將位置標記投影到表面上。在步驟1614中，捕獲位置標記的圖像。在步驟1616中，在圖像中檢測位置標記，並且在步驟1618中，計算位置資訊。
光學圖案生成器模組應位於圖2中的多光譜測量系統110附近。它應從與多光譜測量系統110基本上相同的方向以類似的入射角對樣品進行照明。兩個系統在參考測量位置處都被對準成在相機場的軸線上居中。這確保了光學圖案生成器的光場和檢測器拾取通道的觀測場對於大的距離變化範圍重疊。因此，在進行光譜測量時在相同位置處或附近感測距離和取向角資訊。
位置校正系統的距離測量範圍由相機的視場確定。如果相機的視場不限制檢測器拾取場抑或光學圖案生成器場，則在對所獲取的位置和取向資訊進行分析之後校正測量資料。其他限制來自隨著距離的增加而減小的信號電平，以及來自相機在短距離區域中的聚焦能力以便為圖像分析提供足夠清晰的圖像。
需要校準資料來限定用於校正由多光譜測量系統產生的多光譜資料的演算法和資料參數。除了別的之外，校準利用多光譜測量系統110的硬體以及利用用例的描述來操作。用例可被表示為參考圖塊(tile)集合，或者被表示為關於它們的物理性質(例如，印刷樣品的光澤)的抽象資訊。如此處呈現的校準工作流程假設位置校正系統已經被校準。校準的輸出包括但不限於： • 這樣的校準資料：可能需要該校準資料以從多光譜檢測器讀數獲得多光譜資料； • 與位置校正相關的校準資料，可能需要該校準資料以基於位置校正系統來校正多光譜資訊； • 這樣的校準資料：可能需要該校準資料以從多光譜資料獲得色度或其他案例相依資料。
圖19中呈現了用於多光譜測量系統110的校準工作流程或方法1900。非接觸式多光譜測量裝置100可包括多光譜測量系統以獲得一個或多個塊(patch)(例如，一個或多個顏色校準塊)的多光譜資料。一個或多個顏色校準塊可選自一種或多種材料或材料類型。
多光譜測量系統校準方法1900可包括形成一組特性校準資料1918CC的步驟1918。步驟1918可包括在參考多光譜測量系統相對於一個或多個顏色校準塊的一個或多個參考位置處獲取所述一個或多個顏色校準塊的多光譜資料。一個或多個校準塊可具有一種或多種顏色並且可以具有一種或多種材料，例如，具有一種或多種外觀特性。該組特性校準資料1918CC可被存儲在非易失性電腦可讀記憶體裝置上。該組特性校準資料1918CC可例如在生產線上用於校準和校正一個或多個手持式或移動裝置的一個或多個多光譜測量系統的顏色測量。
多光譜測量系統校準方法1900可包括形成一組位置相關顏色校正參數1918a的步驟1918。位置相關顏色校正參數1918a可用於校正由例如包括生產多光譜測量系統的生產手持式裝置獲取的多光譜資料。可在一個或多個位置(被記錄為位置資料1918PD)處獲取資料，所述位置例如為可能已獲取到特性校準資料1918CC所在的位置。位置資料1918PD可包括表徵裝置1912的位置和取向測量結果，例如，其感測器和照明源中的一個或多個相對於目標、樣品或顏色校準塊的位置和取向。步驟1918可包括獲取多個塊或目標(例如，用於形成該組特性校準資料1918CC的塊的子集)的測量結果。位置相關顏色校正參數1918a可以是生產裝置和位置特定的。位置相關顏色校正參數1918a可被存儲在非易失性電腦可讀記憶體裝置上，其例如被包括在手持式裝置上。
多光譜測量系統校準方法1900可包括針對每個光譜裝置和用例形成多光譜資料校準參數1938的過程1930。多光譜資料校準參數1938可以是材料或材料類型特定的。多光譜資料校準參數1938可例如被表示為一個或多個矩陣，例如，針對每種材料類型的矩陣。例如，材料類型可以是：塗覆有無光澤墨的紙；塗覆有有光擇墨的紙；皮膚；金屬化塗料，例如包括效果顏料；布；大理石；或一類型的聚合物。多光譜資料校準參數1938可被存儲在非易失性電腦可讀記憶體裝置上，其例如被包括在手持式裝置上。
步驟1930可包括使用來自一個或多個被測量材料資料庫1910的資料，例如顏色資料(例如，顏色空間資料)。顏色空間資料可以是例如XYZ或L*a*b*資料。步驟1930可包括：相對於材料資料庫1910中所參考的一個或多個顏色校準塊，使用生產裝置的多光譜測量系統110在一個或多個位置(例如，一個或多個參考位置)處獲取所述一個或多個顏色校準塊的多光譜資料。步驟1930可包括：針對材料資料庫1910的一種或多種材料或材料類型，計算在材料資料庫1910的一個或多個塊上所取的色度距離之和的材料類型特定的最小化1936。色度距離可包括以下各者中的一者或多者：色度項(colorimetric term)，例如被表達為XYZ或L*a*b*顏色空間中的3值向量；多光譜資料校準參數項，例如被表達為尺寸是3×8的矩陣；以及多光譜資料項目，例如被表達為對應於多光譜檢測器的8個濾波器波長的8值陣列。
多光譜資料校準參數1938使得能夠將使用手持式裝置的多光譜測量系統2200SS進行的多光譜採集轉換為例如色度空間值。例如，使用者可在手持式裝置上選擇要測量其顏色的材料的類型，獲取材料的樣品或塊的一個或多個多光譜測量結果，以及借助於通過多光譜資料校準參數1938轉換多光譜測量結果來獲得材料的色度空間值2030。可在材料資料庫1910中搜索材料的色度空間值2030，以檢索被測量材料的正確顏色，例如，最接近的顏色匹配。多光譜資料校準參數1938(例如，被存儲在多光譜資料校準參數矩陣中)可使得能夠實現正確的顏色測量，無論多光譜測量系統2200SS相對於被測量樣品的位置和取向如何都是如此。多光譜測量系統校準方法1900可使得用戶能夠從一個或多個取向和位置獲取樣品的一個或多個測量結果(例如，校正的測量結果)，例如通過相對於待測量的樣品或塊連續地移動非接觸式多光譜測量裝置100來實現。
更詳細地，裝置使用多光譜感測器來獲得多光譜資料。被包括在由多光譜測量系統2200SS收集的多光譜資料2026中的增加的資料量可大於可由例如RGB或其他顏色感測器(例如，三色顏色感測器)收集的資料量。包括多光譜測量系統2200SS的移動或手持式裝置可包括用於處理多光譜資料的一種或多種方法，例如，被存儲在非易失性記憶體裝置上的用於處理多光譜資料的電腦可讀指令。多光譜資料2026可使用來自定位感測器2200PS的資料來校正，所述資料例如，相對於被測量的樣品或目標的取向和位置資料中的一者或多者。校準方法1900可用於確定參數，例如，多光譜資料校準參數，其允許針對所有用例使用多光譜資料。使用位置校正步驟2208、2024、2122來校正這些檢測到的值。參數可包括早前描述的感測器資訊，其允許在相對於目標定位裝置時增加靈活性。校準確定位置校正演算法的參數，這些參數取決於樣品或目標類型，例如，材料的類型，其取決於樣品紋理、半透明度、光澤、閃光、顏色和外觀中的一者或多者。從用戶的角度來看，參數可取決於用例，例如，測量布、皮膚、塗料、包括效果顏料的塗料、礦物質和聚合物。
如早前所提到的，位置校正的多光譜資料被用作色度校準步驟的輸入。色度校準步驟可用於將位置校正的多光譜資料變換為色度座標(例如，XYZ、L*a*b*、CIE三色激勵座標中的一者或多者)和另外的量，所述另外的量可用於在圖19中的參考資料庫1910、圖20中的2034、圖21中的2130(圖22中的資料庫2220)中(例如，在Pantone顏色庫、商業塗料資料庫和產品資料庫中的一者或多者中)針對被測量樣品、塊或目標來搜索匹配，例如，顏色匹配。校準的該部分取決於每個裝置性質以及取決於用例，例如，材料的類型。目標相關值可用於在參考資料庫(圖19中的1910、圖20中的2034、圖21中的2130、圖22中的2220)中進行搜索，其可包含使用參考裝置進行的測量並且可以是用例相依的。
用於顏色校準的方法包括可加速校準過程的改善。針對每個已校準的裝置確定從原始濾波器值獲得多光譜資料(步驟1924、1926，圖22)所需的校準資料，並且該校準資料在很大程度上獨立於用例。另一方面，位置校正參數在很大程度上取決於用例性質。目的在於確定位置校正演算法的參數(1918a，圖22)的校準過程(1918，圖22)在與多光譜感測器性質的變化(步驟1922、1924、1926和1928，圖22)相比較時被認為是准靜態的，並且是針對大批量的已校準的裝置來確定的。採用裝置的虛擬模型1934基於其感測和照明性質(特別地，1922)來確定從多光譜資料獲得參考資料(例如，顏色座標)所需的校準資料1938，以便加速校準。裝置模型1936和關於用例的資訊(例如，作為參考目標和由參考裝置1910進行的其測量的集合)被用作虛擬模型的輸入，其以比對基礎的(underlying)參考目標的測量潛在地更少的時間和資源投入來提供所模擬的多光譜資料。在搜索校準演算法的適當參數的優化1936中使用該模擬。
鑒於上述內容，校準可分為三個部分；用例相關校準1902、多光譜裝置校準1904、以及組合用例相關校準參數和裝置校準參數1930。分階段確定校準參數允許更大的靈活性並減少校準工作的重複。例如，用例相關校準1902可與不同類型的多光譜裝置組合，並且裝置校準1904可在根據需要的基礎上與不同的用例參數一起使用。
用例校準描述了用於獲得給定特定顏色資料庫(印刷品、皮膚色調、建築塗料、織物等)的參考資料的一般工作流程，並且是針對每個用例或當改變參考測量程式時執行的。針對每個非接觸式光譜測量系統進行多光譜裝置校準。如早前所提到的，定位校正參數確定1918針對相對於校準的多光譜裝置更大批量的裝置來進行一次。其取決於介質並在用例校準中被分配。用例校準可能僅偶爾進行，並且不一定與裝置校準工作流程同步。
可利用參考裝置1906來執行用例相關校準的一部分。不同的樣品類型常常需要不同的參考裝置。例如，皮膚樣品的測量可能需要利用球形分光光度計進行非接觸式測量。附加地，為了允許資料庫創建分佈在不同的用戶和/或機構當中，參考裝置應具有良好的儀器間一致性、緊密的群體(population)和良好的再現性。測量不一定必須在具有高級儀器的實驗室中進行。可由用戶使用如本文中所描述的多光譜裝置或其他移動多光譜裝置來執行測量，尤其是在用例的資料集小的情況下，例如，在資料集合保持一位用戶的皮膚測量結果的情況下(步驟2128(圖21)、步驟2226是資料集合更新的圖示)。鑒於上述情況，參考裝置優選地與要在非接觸式多光譜測量裝置100上使用的多光譜測量系統具有相同或類似的幾何，但是在以下情況下它無需是相同的：如果使用具有更適合於用例的特定組樣品的幾何的參考裝置是有利的，或者如果用例需要比多光譜測量系統所能提供的更精確的測量。參考裝置1906測量代表給定用例的樣品1908。顏色資料、度量和元資料可被存儲在參考資料庫1910中。
表徵裝置1912應與如本文中所描述的多光譜測量系統具有類似或相同的光學幾何和特性。表徵裝置用於執行代表一類型或類別的多光譜測量系統的校準步驟，並且可用於匯出如被應用於給定用例的針對該類型的多光譜的校準參數。預表徵對於一類多光譜測量系統所共有的參數減少了在單獨的單元的製造和校準期間的校準工作(步驟1904，圖19)。在步驟1914中，其被進一步採用來限定簡化模型以將測量結果從參考裝置轉換到表徵裝置，如下文更詳細描述的。進行該轉換以考慮參考裝置的不同光學器件、測量幾何和/或測量程式。該步驟可通過將參考光學器件與多光譜檢測器組合來進行，以限定參考裝置的光學器件如何影響轉換參數1914a。可在步驟1916中限定推薦的測量參數，包括積分時間、增益、信噪比(SNR)等1916a、以及平均化程式的參數。它們在稍後被存儲，以限定測量參數和統計測量校正(SMC)(參見2214，圖22)。可在步驟1918中限定定位校正參數，包括定位校正資料和定位界限1918a。
關於測量與參考裝置的對應的步驟1914，執行操作以提供在表徵裝置和參考裝置之間的簡化模型，以便使它們的測量結果彼此接近。在其最簡單的形式中，該變換能夠如下限定。如果參考裝置信號是維度
Figure 02_image001
的向量
Figure 02_image003
同時表徵裝置提供濾波器回應
Figure 02_image005
(維度
Figure 02_image007
的向量)，則由B表示的對應運算元能夠被認為是一系列向量-矩陣運算。
Figure 02_image009
對於每個下標
Figure 02_image011
。其中具有用於升維的多項式的線性運算元
Figure 02_image013
，常數偏移
Figure 02_image015
，以及非線性函數
Figure 02_image017
，其用於考慮例如裝置的不同線性性質並且常常是分段多項式。它還能夠採用啟動函數的形式，使得模型包括神經網路。通過首先測量例如具有朗伯表面性質的中性目標上的非線性性質以獲得
Figure 02_image019
和
Figure 02_image021
來找到參數。然後，測量與用例相關的一系列樣品和具有明確限定的性質的樣品(例如，BCRA圖塊)，總數為
Figure 02_image023
，並開始優化問題。一個示例可為大致非線性優化問題。這些參數稍後成為由位置校正的多光譜資料形成參考資料(步驟2216、2030、2124)所需的多光譜資料1938校準參數的一部分。
Figure 02_image025
其中具有加權參數
Figure 02_image027
，以及(大致非線性)距離函數
Figure 02_image029
。後者能夠是向量範數或非線性度量，諸如，色度△E。能夠設定附加的矩陣-向量(不)等式約束，以保證對於白色圖塊來說信號或XYZ座標的差異在非線性變換之後不會漂移得離開很遠。
關於步驟1918，執行校準以獲得用於針對多光譜測量系統相對於被測量表面的距離和取向的變化進行校正的校正參數(步驟2024、2122、2208)。參考圖23，在測試下由多光譜測量系統110進行的測量記錄自以下：在目標樣品相對於樣品表面處於不同距離處(其可相對於目標距離d變化量v)以及相對於樣品表面成各種角度θ的情況下進行的測量。這些樣品測量可包括具有不同介質性質的對於案例以及顏色相關的目標(例如，具有不同光澤性質的樣品組或顏色參考樣品，如BCRA圖塊)。
所述系列測量允許設計校正方案以使用定位系統將多光譜測量系統引導到對於非接觸式測量的(一個或多個)期望位置中和其中可獲得在可用性和精度之間的期望折衷的定位界限(在步驟2016、2110、2112中使用)。邊界將定位感測器的精度考慮在內，該精度能夠被轉換成偽譜的誤差，以匯出可接受的界限。如先前所提到的，這些測量可使用表徵裝置來執行，並且能夠被假設是准靜態的，即，對處於校準下的大量裝置是恆定的。
例如，對至所需位置
Figure 02_image031
的距離
Figure 02_image033
的校正可採用多項式的形式
Figure 02_image035
。
如圖24中所示，在位置傳感器具有不完美精度的情況下，校正曲線的穩定性限定了來自定位感測器的傳播的誤差。在圖23中，裝置被定位在距目標距離d為v= 3 mm處。位置測量工作被變換為
Figure 02_image037
的值中的不確定性。期望的不確定性限定了定位的界限。參數
Figure 02_image039
可以是標量，或者它們自身包括對多光譜資料的函數相依性。
針對取向的附加校正可與距離校正一起被應用。距離和取向校正可一起、並行、順序或疊代地被應用。取向角度校正可包括雙向反射分佈函數(BRDF)參數，諸如表面效應(例如，光澤量、紋理)、樣品特性和基板性質的模型。應用BRDF模型的示例是基於具有動態確定的參數的Oren-Nayar模型的校正。見例如Michael Oren和Shree K. Nayar的Generalization of Lambert's reflectance model(在第21屆電腦圖形和交互技術年會(SIGGRAPH '94)的會議記錄中，ACM，美國紐約，第239頁至246頁)。
因而，可匯出腔角度標準差σ 對濾波器信號的相依性的案例相依模型。例如，在步驟1918期間，在校準距離
Figure 02_image041
和變化的取向角(例如，變化的平面內取向角θ )處測量具有已知材料性質的一系列用例相依塊的濾波器響應
Figure 02_image043
。使用測得的濾波器回應和已知的材料性質(例如，腔角度標準差σ )來匯出取向校正步驟的參數。例如，匯出參數
Figure 02_image045
，使得在未知樣品的測量過程(圖20)期間可使材料性質(例如，σ )與距離校正的濾波器回應
Figure 02_image047
相對應，例如
Figure 02_image049
。參數(例如，
Figure 02_image051
)是位置校正演算法參數1918a的一部分，其稍後被存儲在多光譜感測裝置的記憶體中。該程式可包括不同於對多光譜資料求和的不同形式的資料處理，諸如，取平均值、最大值等。
此外，使用多個校準塊在步驟1918期間測量表面性質。例如，在暗校準塊上測量校準距離處的濾波器回應
Figure 02_image053
的改變，以將取向相依的表面分量
Figure 02_image055
限定為在處於已校準的取向和變化的取向值的濾波器回應之間的差異。使用測量的值的作為具有引數σ,θ 的函數的樣條近似，可將該分量限定為相依性。
系統光學器件可包括發散光束。該性質導致信號隨距離而改變。可如下進行校正。假設多光譜裝置提供多光譜資料
Figure 02_image057
(對於某個N )，已校準的距離和取向是
Figure 02_image059
，並且由位置校正系統測量的距離和取向是
Figure 02_image061
。校正演算法具有以下輸入： • 多光譜數據
Figure 02_image063
作為 • 距離和取向校正演算法的參數
Figure 02_image065
。附加地，表面分量的函數相依性
Figure 02_image067
； • 由位置校正系統提供的位置資訊(例如，距離和取向角
Figure 02_image069
)連同校準位置
Figure 02_image071
。
演算法的輸出是距離和取向校正的多光譜值
Figure 02_image073
。
可如下實施該演算法。
1. 基於距離偏移
Figure 02_image075
進行距離校正。該步驟使多光譜值
Figure 02_image077
作為輸入，使距離校正的多光譜值
Figure 02_image079
作為輸出。例如，對於
Figure 02_image081
，
Figure 02_image083
。如先前所描述的，在步驟1918期間找到運算元
Figure 02_image085
的參數。
2. 對校正的多光譜資料求和。該步驟使距離校正的多光譜資料
Figure 02_image087
作為輸入，並且使距離校正的多光譜資料的和
Figure 02_image089
作為輸出。
3. 該和
Figure 02_image091
被用作與由校準步驟1918限定的參數的線性關係的引數以限定材料性質，在Oren-Nayar模型中使用的腔體取向的標準差σ 。該步驟的輸入包括參數
Figure 02_image093
和距離校正的多光譜資料之和
Figure 02_image095
。該步驟的輸出是表面的材料性質，例如σ 。如先前所提到的，該步驟可具有
Figure 02_image097
的形式，其中參數
Figure 02_image099
是在步驟1918期間被限定並且被存儲在裝置記憶體中的參數1918a的一部分。
4. Oren-Nayar模型用於找到在期望取向下的濾波器值與在當前取向下的濾波器值的關係，將它表示為
Figure 02_image101
。然後，將距離校正的濾波器值乘以
Figure 02_image101
以得到取向和距離校正的濾波器值
Figure 02_image104
。對於具有強表面性質的目標，在將距離校正的多光譜資料乘以
Figure 02_image106
之前，從距離校正的多光譜資料中減去取決於取向角θ並且在步驟1918期間限定的取向相依的表面分量
Figure 02_image108
。該步驟的輸入包括距離校正的多光譜資料
Figure 02_image110
。該步驟的輸出包括距離和取向校正的多光譜資料
Figure 02_image112
。例如，對於
Figure 02_image114
，
Figure 02_image116
。
可疊代該程式：再次限定距離校正，接著是取向校正。
也可由用戶在設定2036中設定或校正材料性質(例如，腔角度標準差σ )以及材料校正參數。替代地，可使用裝置照明和由相機拍攝的樣品的圖片來自動限定材料參數2010。知道了相對於相機拾取的照明的幾何，可使由相機在樣品的特定位置處檢測到的反射比或顏色資訊與該位置處的入射照明光束的角度有關。可從如上文所陳述的校正模型參數匯出BRDF和/或可使用相機2010自動檢測BRDF。自動BRDF檢測不需要在非易失性裝置記憶體中預設位置校正參數。可基於這樣的BRDF資訊對多光譜資料進行校正。
對裝置進行表徵的校準過程的另一部分1920包括用於限定對於每個多光譜測量系統相關但不對於用例相關的多光譜校準參數的步驟，因此其能夠針對每個裝置進行一次(步驟1922、1924、1926)。這涉及確定飽和度、最佳增益和其他參數以最佳地測量用例的樣品。像信噪比(SNR)和雜訊模型這樣的資料用於對測試和裝置以及處於校準下的裝置進行建模。
針對每個多光譜測量系統110的校準可被分成兩部分。第一部分目的在於限定有助於在資料處理的早期階段將來自多光譜檢測器的原始資料變換成多光譜資訊(參見步驟2022(圖20)、步驟2206(圖22))的參數。這些是校準步驟，諸如，步驟1924中的測量中性目標以確定白轉換(white transfer)和線性度資訊1924a，以及步驟1926中的黑陷光(blacktrap)測量以確定黑偏移資訊1926a。在步驟2208(圖22)中需要它們以在位置校正之前計算多光譜資訊。
針對每個多光譜測量系統110和針對每個用例執行校準的第二部分。它提供限定對在步驟2216(圖22)中計算的色度座標或其他資料的計算的參數，其需要在步驟2220(圖22)中在參考資料庫中執行搜索。為了更快的校準，在步驟1922中，在足夠數量的點處測量所有濾波器
Figure 02_image118
的濾波曲線
Figure 02_image120
和LED光譜
Figure 02_image122
。濾波曲線對應於顏色檢測器的光電二極體的濾波函數，如圖8中所圖示的。在多光譜感測器的波長域上使用求積規則Q ，產生了濾波器響應的數學近似：
Figure 02_image124
其中函數
Figure 02_image126
包括白標準化和線性化。項ε 包括附加參數，諸如，針對表徵裝置所限定的雜訊。如圖19中所示，可在步驟1928中進行附加測量，以通過將有限數量的濾波器的模擬濾波器值與真實濾波器值進行比較來進一步修整模型。它們可用於調整步驟1936中的模型或者在步驟1938中的優化期間用作支持向量。它們還可用於調整步驟1914中的運算元B。對於一些裝置，如果尚未研究用例，則應增加被測量目標的數量。該部分並不限於生產期間的測量。它們也可由使用者執行以調整模型或考慮非接觸式多光譜測量裝置100硬體中的不穩定性和漂移。樣品可與所討論的用例無關，例如，它們可以是Pantone顏色庫的一部分。物理目標可由第三方公司產生。它們的測量和隨後的校準參數校正於是為裝置工作流程(圖20)的單獨部分，其具有在伺服器上進行校正的選項。
使用已校準的裝置模型、裝置參數(諸如，SNR)、利用已校準的裝置測量的樣品和參考裝置資料庫，在步驟1938中匯出並存儲優化的參數。優化的參數用於從來自多光譜顏色檢測器的值匯出濾波器或色度資料。可使用與用於運算元B的公式類似的公式來在校準之前調整信號。對於被選擇作為參考資料的值，在校準步驟期間確定校準參數。它類似於運算元B的優化問題。例如，該優化提供線性運算元以將多光譜座標變換為XYZ色度座標，接著是變換為L*a*b*座標，接著是另一次線性校正。在這種情況下，校正模型可為如下。假設(位置校正的)多光譜資訊由作為長度為
Figure 02_image128
的向量
Figure 02_image130
表示(在一些情況下，如果表徵裝置和校準裝置類似，則
Figure 02_image132
)。為了圖示，我們假設運算元Β具有僅作用於XYZ座標上的矩陣乘法和偏移的簡單形式。圖22中的步驟2216採用以下形式：
Figure 02_image134
其中LAB是實施從XYZ出發的標準L*a*b*計算的函數，
Figure 02_image136
是具有3行和
Figure 02_image138
列的矩陣，向量
Figure 02_image140
具有3行。這些元素是多光譜資料校準參數1938的一部分，並且可在步驟1936中通過獲得模擬原始資料
Figure 02_image142
、將其變換為多光譜資料並運行優化來限定。各種評價函數都是可能的，包括命中率。一個簡單的例示將是對於參考裝置的平方差。假設，如先前那樣，存在
Figure 02_image144
個參考目標，並且對應的參考L*a*b*座標是
Figure 02_image146
。優化問題可陳述如下：
Figure 02_image148
或者，例如，對於包括八個濾波器的多光譜檢測器：
Figure 02_image150
其中參數
Figure 02_image152
被限定為具有加權參數
Figure 02_image154
和(大致非線性)距離函數
Figure 02_image156
的問題等式1的解。可在非接觸式多光譜測量裝置100上或在雲伺服器上進行優化步驟。
如前所述，校準和校正演算法被設計成作用於光譜測量資料。該概念提供了更高的準確度，並增加了在支援具有不同校準要求的不同應用的開放系統架構中使用資料集的靈活性。校準從資料的多光譜性質中獲益。還有可能的是，在超光譜或全光譜測量系統的情況下(例如，當通道在全波長範圍上以10 nm或更小的步長提供對信號的近似時)，通道的數量以及它們的定位將允許直接計算色度座標。在超光譜或全光譜測量系統中，還能夠避免校準矩陣。
裝置表徵(1914、1922、1924、1926、1928)用於模擬多光譜測量系統。該步驟允許計算多光譜測量系統110將針對被保持在樣品資料集合中的樣品集合所提供的多光譜資料。可在電腦上執行對由參考裝置進行的大量測量的濾波器回應的這種在很大程度上為虛擬的模擬，以限定獲得圖22中的步驟2216中所描述的濾波器和色度資料所需的參數。
裝置校準還可涉及測量來自樣品庫的樣品1928。這允許每個已校準的裝置包括對校準資料的校正。該步驟在圖19中作為單獨的塊呈現。如果具有受控標準性質的樣品資料被分配給使用者或由使用者購買，則該步驟可部分地被委託給最終用戶。
圖20a、圖20b、圖21和圖22分別從時間、順序和資料流程三個視角圖示了利用根據本發明的非接觸式多光譜測量裝置100進行測量所涉及的步驟。圖20a和圖20b示出了工作流程如何隨時間的推移而進展的示例。參考圖20a，初始步驟是啟動軟體應用程式2002。啟動位置測量2004，計算裝置位置(即，相對於感興趣表面的距離和取向)2006，並且向用戶提供引導2008，從而相對於待測量表面以適當的距離和取向來定位非接觸式多光譜測量裝置100。在2010中檢索適當的用例校準資料。繼續測量和計算位置，2014，並且如果位置准許測量2016，則進行一次或多次測量2018。可使用統計測量校正程式(SMC)將若干測量結果平均化或進行統計組合，該SMC可包括但不限於在校準的步驟1920中限定的平均化程式。
可在啟動和未啟動LED照明源的情況下進行測量2018，以允許利用諸如白轉換和黑偏移2022之類的輸入參數來針對環境光進行校正2020。在如早前所描述的裝置特定校準過程1904的裝置特定校準步驟1922、1924、1926期間找到用於步驟2022的參數。附加地，可由環境光感測器測量環境光。時間調製光和解複用也可用於環境光校正(鎖相技術)。可對來自多光譜檢測器的多光譜資料進行校正以補償相對於被採樣表面的裝置距離和取向(在優化的步驟1918期間找到參數1918a)2024，並且補償環境光2020以產生校正的多光譜資料2026。然後，可針對選定的用例校正多光譜資料2028。如早前所描述，在裝置和用例特定校準期間找到用於校正的參數1938。在2030中訪問參考資料。然後，可使用校正的光譜資料來搜索2032顏色資料庫2034，可顯示結果2036。
參考圖20b，提供了工作流程的另一示例。在步驟2050中啟動多光譜測量系統110，以獲得多光譜濾波器回應2052。在步驟2056中針對白轉換、線性度、黑偏移參數2054校正多光譜濾波器回應。在步驟2058中執行對環境光的校正以提供多光譜資料2060。啟動位置測量並獲得裝置位置(即，相對於感興趣表面的距離2068和取向角2082)2070。可進行對來自多光譜檢測器的多光譜資料的校正2074以補償距被採樣表面的裝置距離2068，從而產生距離校正的多光譜資料2072。經處理的多光譜資料2076被存儲在記憶體中。
訪問取向資料2082和取向校準資訊2078。在步驟2080中，取決於用例來訪問作為樣品的表面的材料性質2084。然後，可針對多光譜系統朝向被採樣表面的取向2082、被採樣表面的模型2088和其他表面性質2090來校正2086多光譜資料，以產生距離和取向校正的多光譜資料2092。
圖21圖示了用於利用根據本發明的裝置獲得顏色測量的邏輯序列，該邏輯序列包括可被由用戶動作或由超時觸發的事件中斷的若干個循環。當使用者打開應用程式2102時，該部分中的工作流程開始。在啟動應用程式之後，定位系統(可選地與相機一起)開始觀測場景以綁定位置標記2104。在步驟2106中，作出是否繼續進行測量的決定。在任一種情況下，可在2104、2108處繼續監測裝置位置。在2110中，顯示器可顯示視聽資訊以引導使用者更接近期望的位置。定位系統的相機定位標記可以是可見的，使得測量的近似位置是可見的。相機還能夠捕獲整個場景(樣品是其一部分)，使得用戶得到樣品連同其在場景中的位置的附加資訊。應用程式等待使用者輸入以開始測量或一系列測量。
在用戶開始(一次或多次)測量之後，使用已經由位置校正系統計算和識別的定位標記來識別相對於被採樣表面的裝置距離和角度。應用程式提供關於如下的視覺指示：位置是否在界限中2112以使得能夠在能夠被校正的界限內執行測量。在校準的步驟1918期間決定界限。取決於在校準期間限定或者附加地由用戶改變的在位置和測量精度之間的折衷，應用程式判定位置是否足夠接近2112以使得可於在螢幕上向使用者示出引導期間應用感測器校正。如果判定是否定的，則由用戶或通過超時作出是否應進行測量或是否將嘗試進一步定位的決定。
如果位置是適當的，則如下文所描述在具有和不具有附加照明的情況下執行測量2116，以補償環境光。可在2118中停止測量，或者可進行附加的測量。將測量結果存儲在裝置記憶體中，並且應用循環終止條件。如果循環繼續，則如早前所描述的進行一系列測量。
如果測量結束，則通過應用包括以下各者的步驟來處理在循環期間收集的資料：校正環境光和計算多光譜資料2120、針對相對於表面的距離和角度進行校正2122、以及計算參考資料2124。傳遞來自定位感測器、相機和多光譜感測器的經聚合和處理的資訊以進行搜索2126，將結果視覺化2128，附加地更新樣品資料集合2130。在工作流程結束之後，使應用程式進入待機模式，以便使用者開始另一系列測量或以其他方式與應用程式交互，例如，通過改變測量參數來交互。
當啟動應用程式時，但在發出樣品採集命令之前，系統是有效的，其中定位感測器觀測場景。它識別定位標記。使用若干測量結果來執行平均化和位置校正，其目的在於色度資訊。
系統具有可由使用者通過應用程式訪問的單獨設定。在開始測量之前或在樣品資料集合(通常包括但不限於具有對應度量的顏色庫)中執行測量之前，用戶能夠改變用例身份並供應與特定測量相關的元資料，諸如，用戶年齡、地理位置、測量時間等。在一些應用中，例如當被測量樣品是人類皮膚時，該元資料影響校準資料並且能夠用於搜索度量，因此樣品資料集合不必簡化至(reduced to)顏色。高級設定包括諸如平均化程式、增益和積分時間之類的測量參數。這些是在利用表徵裝置進行校準期間針對每個用例所預設的，但也可由使用者根據需要進行改變。用戶還可關於在可用性和定位精度之間的折衷來設定瞄準界限。
圖22中示出了單次測量的資料流程，從開始測量到顯示結果。為了圖示的目的，此處示出的是測量由用戶觸發，諸如，手動地觸發或通過語音觸發。如圖21中所描繪的，這不是唯一的選項，也可當使用者改變並調整位置時以自動模式執行測量，直到過程中斷。在任何情況下，該方案中的單次測量均可包括多個照明和測量對以補償環境光。對於一些應用，例如當多光譜測量系統被嵌入到具有有限或沒有人類使用者介面的裝置中時，測量將由裝置和相關聯的編程而不是由手動輸入來觸發。在這種情況下，顯示器和使用者介面用於輸入設定。
在由用戶發出樣品識別命令2202之後，啟動硬體。由多光譜檢測器測量濾波器回應2204。由多光譜檢測器測量的信號通過初始處理步驟，其中校正暗電流、線性度等2206。應用白校正和濾波器串擾校正，從而產生多光譜資訊2208。這些參數在如早前所描述的校準的步驟1922、1924和1926期間找到。
同時，裝置相機獲取樣品的圖像以限定裝置相對於樣品的距離和取向2210。定位系統可被設計成與裝置相機一起起作用，具有它自己的相機或者在沒有裝置相機的情況下使用以限定位置(例如，使用飛行時間或採用立體視覺)。
當存在其他感測器2212(例如，時鐘、GPS)時，則可在資料上附加使用者設定(年齡等)以形成可在校正過程2208中(例如，當校正來自皮膚的偽譜時)或在樣品資料集合中進行搜索(例如，搜索與使用者相關的最新皮膚資料)期間使用的樣品元資料2214。
針對環境光校正多光譜資料2208。使用定位資訊和在校準(早前所描述的校準過程的步驟1918)期間針對每個用例確定的用於位置校正的演算法來進一步校正多光譜資料。定位資訊包括但不限於距離和取向(例如，能夠由定位系統供應樣品彎曲)。如上文所描述的，單次測量可以是一系列測量的一部分。這些測量可用於進一步將值插入到期望的位置並執行平均化以最小化定位感測器誤差和其他隨機效應，如下一段中所描述的。這些參數是在校準的步驟1920中找到的SMC參數的一部分。
將校正的濾波器回應和位置資訊供應給下一處理步驟(也在2208中)，其中在執行多次測量的情況下將濾波器回應平均化。使用通過對多光譜測量系統的校準所供應的校準參數2218來進一步校正濾波器回應2216。校準包括但不限於用於考慮在參考裝置和多光譜測量系統之間的幾何或其他差異的校準。在裝置特定和用例特定的校準期間，在1938中，這些參數被找到並存儲。校準資料還校正單獨的裝置特徵，使得可將統一資料與樣品資料庫一起使用。此外，使用校準以處理來自多光譜資料的參考資料(例如，色度資料)。例如，計算XYZ或L*a*b*。資料是特定於用例身份的，並且可能能夠使用元資料進行更改。在圖22中，校準參數被存儲在處理單元中。可附加地通過供應單元身份而從基於雲的伺服器或在伺服器上訪問這些校準參數。
可將光譜資料轉移到雲伺服器以供進一步處理。參考資料庫2220可被存儲在伺服器上，不過該步驟也可以或替代地在處理單元中發生。資料庫可包括由第三方供應商測量的針對不同照明的樣品顏色資料、以及與使用者相關且因此由用戶或一組使用者創建的資料(諸如，隨時間的推移所獲得的使用者的皮膚資料)。
色度系統的校準資料的一部分可被存儲在伺服器/雲上，並且使用單元ID進行訪問以用於後處理。資料庫還可包括與被測量的樣品相關並且可通過顏色和外觀資訊識別的產品(諸如，用於皮膚的粉底產品或塗料)。
樣品資料集合還包含度量和一組規則以查找與被測量樣品的最接近匹配，因此其可包括專家系統的某些功能。這些程式用於在顏色庫中進行搜索以找到最接近匹配2222。例如，可使用元資料來決定匹配，諸如，尋找用戶皮膚的最新測量結果。替代地，可通過使用色度資料來尋求最接近匹配，例如，通過計算包括在不同發光體下對於被測量樣品ΔE的加權和的度量。
如果搜索和測量成功2224，則可更新資料庫2226，例如，擴增使用者的皮膚測量資料庫或者將新吸入的顏色資訊與由使用者支援的資料一起添加。然後，將工作流程傳遞回到裝置2228，更具體地，傳遞回到可顯示吸入專案的顏色2230或樣品資訊2232的應用程式。如果資料庫中的測量和/或搜索失敗，則工作流程也被傳遞回到應用程式2234。
裝置的相機用於相對於裝置來瞄準和定位樣品。可在裝置顯示器上視覺化相機的所獲取的圖像。定位標記可上覆在單獨的圖像上以將使用者引導至最佳位置。這為操作員提供了直接的使用者交互，並有助於支援和控制測量工作流程。
由於定位感測器的資訊，定位標記可被放置在圖像上。如果使用點圖案投影儀，則點自身可用於引導用戶，如圖25中所示，其中圓圈指示點應處於的範圍。另一選項是使用位置資訊來將標記放置在圖像上。
SW應用程式已存儲了可用於針對不同的距離和角取向來計算在樣品上的檢測器拾取區域的位置的資訊。這能夠通過三角計算來完成。這有助於SW應用程式在顯示器上提供用於顏色感測器的測量場的虛擬位置的位置標記。使用者可使用該虛擬標記來將其定位在樣品圖像中的期望位置處。
存在利用距離和角度控制來在顯示器上圖形地支援使用者的不同的可能性。一種可能性是使用矩形控制視窗，其中標記的位置對應於測量的角度。目標是通過使具有光譜感測器的非接觸式多光譜測量裝置100傾斜來將標記移位元到視窗的中心。當對準超出角度公差時，標記為紅色。一旦角度對準在預定的公差極限內，標記就變為綠色。這在圖26中示出。能夠針對距離控制應用類似的概念。這在圖27中示出。可將這樣的對準特徵疊加到場景的真實相機圖像。
起始測量週期並產生有效結果的第一種方法是對準非接觸式多光譜測量裝置100的距離和角取向，直到顯示器指示該位置在圍繞參考位置的公差帶內。然後，通過控制交互開始單次測量。控制交互可包括按下按鈕或語音命令。
第二種方法是圍繞參考位置執行一系列多次測量。存儲所有測量結果。對於每次測量，校正距離。將每次測量的角度資訊用於以參考角度的測量結果的插值。
本發明的示例性實施例包括但不限於以下各者。
一種用於測量感興趣表面的反射性質的多光譜測量系統，包括：多光譜檢測器，其被構造為測量多個光學輻射帶中的光譜資訊，每個光學輻射帶對應於一濾波函數，所述多光譜檢測器包括多個光電二極體，每個光電二極體具有對應於濾波函數之一的濾波器，對應於濾波函數中的每個存在至少兩個光電二極體，所述光電二極體位於呈二維陣列的點對稱佈置中；觀測光學器件，其具有光圈並且被構造成觀測感興趣的表面；其中，所述多個光電二極體中的每個相對於所述光圈位於不同的位置中，並且其中，通過組合點對稱的光電二極體的測量結果來補償每個光電二極體的感興趣表面的視場的差異。
如上所述的多光譜測量系統，其中，所述多個光學輻射帶包括至少六個光學輻射帶。
如上所述的多光譜測量系統，所述多光譜測量系統還包括至少一個照明源，所述照明源至少照明視場。
如上所述的多光譜測量系統，其中，至少一個照明源是非准直照明源。
如上所述的多光譜測量系統，其中，所述多光譜測量系統還包括至少一個照明源，所述照明源至少照明視場，其中，至少一個照明源在可見光範圍上發射光學輻射。
如上所述的多光譜測量系統，其中，所述多光譜測量系統包括至少一個照明源，其中，所述至少一個照明源發射可見光輻射和紅外輻射，並且其中，所述多光譜檢測器具有對應於可見光和近紅外光學輻射的濾波函數。
如上所述的多光譜測量系統，其中，多光譜測量系統包括至少一個照明源，其中，所述至少一個照明源發射可見光輻射和紫外輻射，並且其中，所述多光譜檢測器具有對應於可見光和近紫外光學輻射的濾波函數。
一種非接觸式多光譜測量裝置，所述非接觸式多光譜測量裝置包括如上所述的多光譜測量系統，並且所述非接觸式多光譜測量裝置還包括：位置測量系統，所述位置測量系統用於測量所述多光譜測量系統相對於感興趣表面的位置值；以及用於基於來自位置測量系統的檢測到的位置值來校正來自多光譜測量系統的多光譜值的機構。
如上所述的非接觸式多光譜測量裝置，其中，所述測量裝置包括移動通信裝置。
如上所述的非接觸式多光譜測量裝置，其中，所述位置測量系統選自包括以下各者的組：圖案投影儀和相機、相機自動聚焦系統、立體視覺系統、鐳射測距儀和飛行時間距離感測器。
10‧‧‧測量系統 12‧‧‧光源 14‧‧‧檢測器 16a,16b‧‧‧目標表面 100‧‧‧非接觸式多光譜測量裝置 110‧‧‧多光譜測量系統 112‧‧‧照明源 114‧‧‧多光譜感測器 116a,116b‧‧‧目標表面 120‧‧‧位置校正系統 122‧‧‧相機 124‧‧‧處理器 128‧‧‧顯示器 130‧‧‧資料庫 132‧‧‧電腦網路 140‧‧‧外部透鏡 142‧‧‧光圈 144‧‧‧機械光圈 150‧‧‧光學設計 152,154‧‧‧表面反射 156‧‧‧透鏡 158‧‧‧光圈 801-808‧‧‧濾波器帶通函數 1802,1804‧‧‧點 1806‧‧‧極線
圖1是已知的45/0測量幾何的示例的示意圖。
圖2是根據本發明的非接觸式多光譜測量裝置的示例的框圖。
圖3是根據本發明的方面的回復反射測量系統的示例的示意圖。
圖4是根據本發明的另一方面的包括相機的回復反射測量系統的示例的示意圖。
圖5是包括根據本發明的另一方面的包括相機的回復反射測量系統的示例的照明場和視場的示意圖。
圖6是由回復反射測量系統在距被測量表面為目標距離處以及距被測量表面為目標距離±5 mm處提供的響應值的曲線圖。
圖7是示出由回復反射測量系統提供的在距被測量表面為目標距離+5 mm和目標距離-5 mm的距離處的響應值相對於在距被測量表面為目標距離處的響應值的比率的曲線圖。
圖8是可用於實施本發明的多光譜檢測器的濾波函數的曲線圖。
圖9A是可用於實施本發明的多光譜檢測器的光電二極體佈局的示例。
圖9B是可用於實施本發明的多光譜檢測器的光電二極體佈局的另一示例。
圖9C是至可用於實施本發明的多光譜檢測器的光電二極體佈局的光路的簡化圖。
圖10和圖11圖示了可用於實施本發明的光學設計的示例。
圖12圖示了可用於實施本發明的折疊光路光學設計的示例。
圖13和圖14圖示了根據本發明的另一方面的根據多光譜測量系統的示例的在照明源和多光譜檢測器之間的空間關係的示例。
圖15圖示了根據本發明的另一方面的相對於被測量表面的照明路徑和觀測路徑之間的空間關係的示例。
圖16是根據本發明的另一方面的圖示用於校準和使用位置檢測系統的步驟的流程圖，該位置檢測系統可用於實施回復反射測量系統。
圖17圖示了點圖案投影的示例，該點圖案投影可被實施以確定位置和角度資訊。
圖18圖示了點圖案檢測的示例，該點圖案檢測可被實施以確定位置和角度資訊。
圖19圖示了用於生成用例校準參數和多光譜裝置校準參數的校準程式。
圖20a和圖20b圖示了根據本發明的另一方面的使用回復反射測量系統的測量過程相對於時間的示例。
圖21圖示了根據本發明的另一方面的使用回復反射測量系統的測量過程的邏輯流程圖的示例。
圖22圖示了根據本發明的另一方面的使用回復反射測量系統的測量過程的資料流程圖的示例。
圖23圖示了根據本發明的另一方面的用於確定回復反射測量系統的距離和角度位置校正參數的設置的示例。
圖24是圖示當距被測量表面的距離變化時多光譜檢測器的回應曲線的曲線圖。
圖25是根據本發明的另一方面的使用來自位置感測器的即時取景(live-view)回饋以輔助用戶瞄準樣品表面的示例，其可用於回復反射測量系統。
圖26和圖27是根據本發明的另一方面的使用視覺回饋以輔助使用者瞄準樣品表面的示例，其可用於回復反射測量系統。

Claims (11)

  1. 一種用於測量感興趣表面的反射性質的多光譜測量系統，所述多光譜測量系統包括： 多光譜檢測器，所述多光譜檢測器被構造為測量多個光學輻射帶中的光譜資訊，每個光學輻射帶對應於濾波函數，所述多光譜檢測器包括多個光電二極體，每個光電二極體具有對應於所述濾波函數中的一個的濾波器，對應於所述濾波函數中的每個存在至少兩個光電二極體，所述光電二極體位於呈二維陣列的點對稱佈置中；以及 觀測光學器件，所述觀測光學器件具有光圈並且被構造成觀測所述感興趣的表面； 其中，所述多個光電二極體中的每個相對於所述光圈位於不同的位置中，並且其中，通過組合點對稱的光電二極體的測量結果來補償每個光電二極體的感興趣表面的視場的差異。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，其中，所述多個光學輻射帶包括至少六個光學輻射帶。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，所述多光譜測量系統還包括至少一個照明源，所述照明源至少照明所述視場。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的多光譜測量系統，其中，所述至少一個照明源是非准直照明源。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，其中，所述多光譜測量系統還包括至少一個照明源，所述照明源至少照明視場，其中，至少一個照明源在可見光範圍上發射光學輻射。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，其中，所述多光譜測量系統包括至少一個照明源，其中，所述至少一個照明源發射可見光輻射和紅外輻射，並且其中，所述多光譜檢測器具有對應於可見光和近紅外光學輻射的濾波函數。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，其中，所述多光譜測量系統包括至少一個照明源，其中，所述至少一個照明源發射可見光輻射和紫外輻射，並且其中，所述多光譜檢測器具有對應於可見光和近紫外光學輻射的濾波函數。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，其中，通過將點對稱光電二極體的測量值相加來組合點對稱光電二極體的測量結果。
  9. 一種非接觸式多光譜測量裝置，所述非接觸式多光譜測量裝置包括根據申請專利範圍第1項所述的多光譜測量系統，並且所述非接觸式多光譜測量裝置還包括： 位置測量系統，所述位置測量系統用於測量所述多光譜測量系統相對於感興趣表面的位置值；以及 用於基於來自所述位置測量系統的檢測到的位置值來校正來自所述多光譜測量系統的多光譜值的機構。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的非接觸式多光譜測量裝置，其中，所述測量裝置包括移動通信裝置。
  11. 根據申請專利範圍第9項所述的非接觸式多光譜測量裝置，其中，所述位置測量系統選自包括以下各者的組：圖案投影儀和相機、相機自動聚焦系統、立體視覺系統、鐳射測距儀和飛行時間距離感測器。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240085323A1 (en) * 2022-09-13 2024-03-14 Datacolor, Inc. Method and apparatus for measuring surface gloss and spectral reflectance

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7193716B2 (en) * 2004-12-01 2007-03-20 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Arrangement of color filters for characterizing the color of an aggregate light
US20080180665A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Redman David J Measuring color spectra using color filter arrays
US8423080B2 (en) 2008-06-30 2013-04-16 Nokia Corporation Color detection with a mobile device
US10049294B2 (en) 2015-01-30 2018-08-14 X-Rite Switzerland GmbH Imaging apparatus, systems and methods
US9316539B1 (en) 2015-03-10 2016-04-19 LightHaus Photonics Pte. Ltd. Compact spectrometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114485942A (zh) * 2022-02-16 2022-05-13 南京大学 一种高光谱配准方法及其成像系统
CN114485942B (zh) * 2022-02-16 2024-05-28 南京大学 一种高光谱配准方法及其成像系统

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