TWI822342B - 高光譜相機 - Google Patents
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Abstract
一種相機包括組配成將入射光聚焦在一反射狹縫總成上之一第一透鏡。該反射狹縫總成包含組配成反射某些但非全部入射光作為返回光之一長條反射材料。該第一透鏡係組配成使來自該長條反射材料之該返回光至少部分地準直。一第一鏡係組配成反射來自該第一透鏡之該返回光。一第二鏡係組配成反射來自該第一鏡之該返回光。一光學元件係組配成依據波長分開來自該第一鏡之該返回光。一第二透鏡係組配成將來自該光學元件之該返回光聚焦在一第一偵測器上。該第一偵測器係組配成依據該第一偵測器上之二維位置測量該返回光之強度。
Description
本發明係有關於光譜成像，且更特別係有關於用於推掃式高光譜成像之緊密光學系統。
高光譜成像包含收集用於一景物之影像中各像素的光譜資料。該光譜資料配合它產生之空間位置(即，該像素)可用於尋找物體、識別材料或偵測程序。目前有三種一般光譜成像器。目前有：包含空間掃描一段時間之推掃式(線)掃描器及橫掃式(點)掃描器；包含在不同波長取得一區域之影像之光譜掃描的波段循序掃描器；及使用一陣列來瞬間產生一影像的快照高光譜成像。高光譜成像使用大部分之電磁光譜來注視物體。特別與該影像內之空間位置組合時，某些物體在該電磁光譜中留下獨特之「指紋」。被稱為光譜特徵之這些「指紋」可識別構成一掃描景物之材料或物體。
推掃式高光譜成像包含捕捉該景物之一條帶及用一稜鏡或光柵光譜地分散該狹縫影像以便由該條帶收集光譜資料。圖1概念地顯示該推掃式高光譜成像觀念，其中來自一景物3之一條帶2的光1被一相機4捕捉。該光1在這例子中朝X方向由該景物3之全部尺寸且朝正交Y方向只由該景物3之尺寸的一窄部份產生。但是，亦可朝X方向進行該景物尺寸之一部份的多次掃描。該光1係藉由一或多個透鏡5準直、使用一或多個光學元件6 (例如，繞射光柵、稜鏡等)藉由波長分開且藉由一或多個透鏡8聚焦在一偵測器7上，如圖2概念地所示。為了在任何預定時間只由該景物捕捉光1之一條帶，來自該景物之光通過放在透鏡5與偵測器7間之光路徑中的一透射帶(未圖示)，該透射帶只透射由該景物3產生之全部光的該光1之條帶部份。來自該景物之其餘光被阻擋、散射或反射離開使得它未到達該偵測器7。該透射帶可為例如具有該光1之條帶通過之一長孔(即一狹縫)的一不透明片材。該偵測器7對通過該影像之X方向尺寸的各位置測量該光1之條帶之波長分量的振幅。這用於該景物3之條帶2的空間及景物資料可呈現在亦稱為一高光譜資料方塊9的具有二空間尺寸(X, Y)及一光譜尺寸(λ)之一高光譜影像中，如圖3所示。該景物3之該等條帶2被分別地掃描且來自該等條帶之空間/光譜資料被拼接在一起以產生該景物3之一完整的高光譜資料方塊9，如圖4所示。用於該方塊內之各像素的資料值代表在該景物3內一個空間位置偵測到之一特定波長的值。因為需要大量光學組件，所以習知推掃式高光譜相機大且笨重。
因此，需要使用一更簡單且更緊密光學設計之一推掃式高光譜成像裝置。
前述問題及需求係藉由一相機來解決，該相機包括組配成將入射光聚焦在一反射狹縫總成上之一第一透鏡。該反射狹縫總成包含組配成反射某些但非全部入射光作為返回光之一長條反射材料。該第一透鏡係組配成使來自該長條反射材料之該返回光至少部分地準直。一第一鏡係組配成反射來自該第一透鏡之該返回光。一第二鏡係組配成反射來自該第一鏡之該返回光。一光學元件係組配成依據波長分開來自該第一鏡之該返回光。一第二透鏡係組配成將來自該光學元件之該返回光聚焦在一第一偵測器上。該第一偵測器係組配成依據該第一偵測器上之二維位置測量該返回光之強度。
本發明之其他目的及特徵可藉由檢視說明書、申請專利範圍及附圖來了解。
本發明揭露一推掃式高光譜成像裝置型相機，其使用用於由一景物之條帶影像捕捉空間及光譜資料的一簡單且緊緻光學組態。圖5顯示一相機20之例子，其包括一入射光瞳22、一第一鏡24、一第一透鏡26、一反射狹縫總成28、一第二鏡30、依據波長分開光之一光學元件32、一第二透鏡34及一(第一)偵測器36。
該入射光瞳22係任選的且可為在來自該景物之光通過的另一不透明材料中的一孔或透射材料。第一鏡24係半透明使得它容許進入該入射光瞳22之至少某些光通過(即，透射)第一鏡24。第一鏡24之一非限制例係一50%分光方塊，或透射50%之光且反射由任一方向照射它之50%之光的其他種50%分光器或鏡。第一透鏡26將來自該第一鏡24之光聚焦在反射狹縫總成28上。反射狹縫總成28 (較佳地顯示在圖6中)具有由光吸收或散射材料38製成或除了一長條反射材料40 (在此亦稱為鏡帶40)以外被光吸收或散射材料覆蓋之一頂面，該長條反射材料具有朝(第一)X方向之一長度L及朝(第二)方向Y之一寬度W (即，該第一(X)方向與該第二(Y)方向正交)，其中該長度L大於寬度W (即，該光吸收材料38緊臨該鏡帶40)。鏡帶40宜組配成配合朝X方向到達反射狹縫總成28之影像的全尺寸，但朝Y方向只到達反射狹縫總成28之影像的一小尺寸，這係藉由使長度L大於寬度W來達成。該光吸收或散射材料38包圍鏡帶40且設置來吸收或散射未被鏡帶40反射之光。光吸收或散射材料38可為例如：金屬氧化物，如黑鉻(氧化鉻)、氧化銀(Ag
2O)、蝕刻無電鍍鎳磷、氧化鐵、黑基質、碳、介電塗層、硒化銅(CuSe
5)、石墨烯；及市售黑吸收材料，如Acktar Black、Vantablack、鑽石黑ADLC及陽極氧化表面。該鏡帶40可為例如任何良好反光材料，如TiO
2、SiO
2、Ta
2O
5、Cr、Al、Au、Ag等)。就一非限制例子而言，寬度W可為例如1.5 μm且長度L可為例如3至5 mm (例如，近似偵測器36之X方向尺寸)。
第一鏡24係組配成反射被該鏡帶40反射(且通過第一透鏡26)之至少某些光朝向第二鏡30。第二鏡30反射來自第一鏡24之光朝向光學元件32，該光學元件依據波長朝不同方向分開該入射光(例如，透過繞射或折射)。就一非限制例子而言，光學元件32可為一透射繞射光柵，如圖7A所示。該透射繞射光柵可包括一透明基體32a，該透明基體上或中形成依據該光之波長以不同角度繞射通過它之光的一周期結構32b。該周期結構32b可為例如朝X方向縱向地延伸之每毫米500條繞射線(即，長峰及/或谷)。就另一非限制例子而言，光學元件32可為一稜鏡，如圖7B所示。該稜鏡可包括具有非平行邊32d (朝X方向觀察時)之一透明基體32c。第二透鏡34將來自該光學元件32之光聚焦在該偵測器36上。偵測器36可為一個二維像素感測器陣列(即，影像感測器)，該二維像素感測器陣列可藉由依據該陣列上之二維位置測量光強度來解析由該相機20之光學元件產生的二維影像。偵測器36之一非限制例子係2800 μm
2且具有每像素大約1 μm之解析度(即一像素大小)的一偵測器。來自偵測器36之輸出信號被提供至一處理器70。
第一與第二透鏡26/34可相同。各第一與第二透鏡26/34之一非限制例子可為具有堆疊在一起之二透鏡組件42，使得各透鏡26/34有四個非球面44的一透鏡堆疊體，如圖8所示。若需要四個以上非球面44，可將二個以上透鏡組件42堆疊在一起。各透鏡26/34之二透鏡組件42的尺寸可不同及/或可由不同材料製成(就一非限制例子而言，例如丙烯酸酯系聚合物及環氧系聚合物之二不同聚合物材料可分別地用於該等透鏡組件42以改善顯色效能)。透鏡26/34可為PIM(塑膠射出成型透鏡)、模製玻璃、切削且拋光之玻璃、玻璃透鏡之組合(例如，消色差透鏡)、玻璃模製透鏡、晶圓級光學件或其任何組合。
入射光瞳22、第一鏡24、第一透鏡26及反射狹縫總成28係沿著一第一光軸OA1配置(即，設置各光學元件之至少一部分)，且第二鏡30、光學元件32、第二透鏡34及偵測器36係沿著一第二光軸OA2配置，如圖9與10所示。較佳地，但非必要地，光軸OA1與OA2互相平行。如此可提供減少該等光學元件佔據之空間(即，容許減少全部光學元件占用之覆蓋區的優點。它亦簡化該等光學元件之設計(例如，因為例如該晶圓中之透鏡具有相同間距，所以它們可依一晶圓比例製作)。
操作時，來自該被掃描景物之入射光50通過入射光瞳22 (如果使用入射光瞳的話)進入該相機20，透射通過第一鏡24且被第一透鏡26聚焦在反射狹縫總成28上，如圖9所示。例如，該景物之影像被聚焦在該反射狹縫總成之該二維區域上。聚焦在該反射狹縫總成28上之大部分光被吸收或散射。但是，聚焦在該鏡帶40上的入射光50之部份被反射作為返回光52，如圖10所示。來自該鏡帶40之該返回光52 (只對應該景物之影像一條帶)通過第一透鏡26，且在該第一透鏡中該返回光被準直或至少部分地被準直。來自該第一透鏡26之返回光被第一鏡24反射朝向第二鏡30。來自該第一鏡24之返回光被第二鏡30反射朝向光學元件32。光學元件32依據波長在與鏡帶40之縱向正交(即，與產生該光之該景物條帶的縱向正交)之維度中分開來自該等第一與第二鏡26/30之返回光52，且第二透鏡34將來自該等第一與第二鏡26/30及光學元件32之返回光聚焦在偵測器36上。詳言之，該光學元件32係組配成依據波長朝該Y方向分開該返回光52，該Y方向係與鏡帶40之縱向延伸的X方向正交(比較圖6與10)。因此，相機20之光學組態朝該X方向保持該影像內之光的初始空間位置(當被該鏡帶40反射時)，同時對沿著該X方向之任何預定位置而言朝該Y方向分開該光之色光分量。這結果顯示於圖11中，其中對該鏡帶40之沿著該X方向的各位置而言，該返回光52之藍光波長分量52b被引導至該偵測器36之上部份(相對於該Y方向)，該返回光52之綠光波長分量52g被引導至該偵測器36之中心部份(相對於該Y方向)，且該返回光52之紅光波長分量52r被引導至該偵測器36之下部份(相對於該Y方向)。因此，到達該偵測器36之影像的部份朝該X方向在空間上被保存而朝該Y方向則藉由波長分開。該影像藉由依據該偵測器36上之二維位置測量該光之強度而被該偵測器36捕捉。較佳地，該偵測器36傾斜一傾斜角θ使得接收該等藍光波長分量52b的該偵測器36之部份比接收該等紅光波長分量52r的該偵測器36之部份靠近該第二透鏡34，以便適應用於不同光波長之不同焦距。就一非限制例子而言，該傾斜角θ可為4度。亦應注意的是第二鏡30之角度可選擇成最佳地配合光學元件32之繞射/折射角度。
如圖9至11所示，在任何預定時間只有來自該被掃描景物影像內之一單一窄條帶的光被引導至該偵測器36。為了掃描整個景物，該相機20可相對該被掃描景物移動，或可使用光學件使該入射光相對該相機之光學件位移，藉此可對該被掃描景物的個別條帶依序地捕捉資料。相機20可包括(或連接於)用於處理來自偵測器36之信號的處理器70以便例如處理由來自偵測器36之信號呈現之空間及光譜資料。資料處理可包括產生一高光譜資料方塊或呈現所收集資料且接著呈現該被掃描景物之其他高光譜影像，包括將由被依序掃描之該景物的個別條帶收集的資料拼湊在一起。該資料處理亦可包括比較該空間及光譜資料及一習知值之資料庫以便識別該景物、該景物中之一或多個物體及/或該景物中之材料。
圖12顯示另一例子，其中反射狹縫總成28包括一(第二)偵測器60，該偵測器被透射材料58及鏡帶40覆蓋，使得被該第一透鏡26聚焦在該反射狹縫總成28上的該景物之一全影像可被捕捉及測量(即，藉由依據該偵測器60上之二維位置測量該光之強度)。由偵測器60偵測到之影像具有對應鏡帶40之位置的一細帶缺漏。若有需要，該影像之缺漏帶可藉由從相鄰資料外插或使用來自偵測器36之信號由處理器70來填補，該等信號呈現缺漏之該影像的該部份。圖13顯示另一例子，其中透射材料58被省略。
波長分開不一定在該返回光52被第二鏡30反射後發生。例如，如圖14所示(但簡化地圖示光學元件32後之光線)，光學元件32可設置在第一與第二鏡24/30之間，而非如圖5所示地在第二鏡30與第二透鏡34之間。在這例子中，來自該第一鏡24之返回光52在被第二鏡30反射前藉由波長分開。
圖15A與15B顯示其他例子，其中該第一鏡24係定位成使得該入射光50繞過第一鏡24到達第一透鏡26 (例如，第一鏡24未直接地定位在入射光瞳22與第一透鏡26之間，因此該入射光可在未遇到第一鏡24之情形下前進至第一透鏡26)。該第一鏡24係定位成反射來自反射狹縫總成28之全部返回光52。此光學組態之優點係沒有因通過該第一鏡24造成入射光50之一部分的損失。入射光50完全地避開第一鏡24。此外，第一鏡24可為反射全部(或實質上全部)返回光52之一高反射元件。對該入射光50 (藉由不必通過第一鏡24)及返回光52 (藉由避免將第一鏡24組配成只反射某些返回光52)而言，避免光損失可增加到達偵測器36之光的位準(即，增加任何訊噪比)。圖16A與16B顯示圖15與15B之光學組態(但簡化地圖示光學元件32後之光線)，但是光學元件32係設置在第一與第二鏡24/30之間，而非在第二鏡30與第二透鏡34之間。
圖17顯示包括第一透鏡組件80及第二透鏡組件84的第一與第二透鏡26/34之另一非限制例子。該第一透鏡組件80包括二相對凸球面82。第一透鏡組件可為一單一元件或可為膠黏在一起之二元件，如圖17所示。就一非限制例子而言，第一透鏡組件80可由N-BAK4型玻璃形成。該等凸球面82可未被塗覆或可被塗覆(就一非限制例子而言，該塗層可為可使通過視域之解析度最佳化的厚度大約0.03 mm的一丙烯酸聚合物)。該第二透鏡組件84包括二相對的表面86與88，其中表面86係凹球形且面對該第一透鏡組件80，並且表面88平坦。就一非限制例子而言，第二透鏡組件84可由N-SF11型玻璃形成。表面86與88可未被塗覆或被塗覆。就一非限制例子而言，該第一與第二透鏡組件80與84之總厚度可為大約10 mm。
相機20具有許多優點。該相機只包括二透鏡26/34 (其中雙向地使用該透鏡26將光聚焦在該反射狹縫總成28上且聚焦由反射狹縫總成28反射之光)、二鏡及一折疊設計，藉此該等光學元件配置在二平行光軸上。因此，該相機之大小可作成比較小以使該相機20可穿戴或整合在例如一行動電話之一行動裝置中。該相機20沒有移動部件、簡化操作、減少電力消耗且提供更高可靠性。相較於具有較大且較多光學元件之其他相機系統，該光學系統提供增加之解析度。使用反射狹縫總成28容許在未阻擋被鏡帶40反射之光到達光學元件32及偵測器36的情形下納入沿著該第一光軸OA1定位之任選偵測器60。處理器70可組合來自偵測器36及偵測器60兩者之資料以產生一常規影像(來自偵測器60)及一高光譜影像(來自偵測器36)之一重疊影像。
應了解的是本發明不限於上述及此所示之該(等)例子，而是包含落在任何請求項之範圍內的任何或全部變化例。例如，在此引用本發明非意圖限制任何請求項或請求項用語之範圍，只是引用可被一或多個請求項涵蓋之一或多個特徵。上述材料、程序及數字例子只是示範且不應被視為限制該等請求項。
1:光
2:條帶
3:景物
4,20:相機
5,8:透鏡
6,32:光學元件
7:偵測器
9:高光譜資料方塊
22:入射光瞳
24:第一鏡
26:第一透鏡,透鏡
28:反射狹縫總成
30:第二鏡
32a,32c:透明基體
32b:周期結構
32d:非平行邊
34:第二透鏡,透鏡
36:(第一)偵測器
38:光吸收或散射材料,光吸收材料
40:長條反射材料,鏡帶
42:透鏡組件
44:非球面
50:入射光
52:返回光
52b:藍光波長分量
52g:綠光波長分量
52r:紅光波長分量
58:透射材料
60:(第二)偵測器
70:處理器
80:第一透鏡組件
82:凸球面
84:第二透鏡組件
86,88:表面
L:長度
OA1:第一光軸
OA2:第二光軸
W:寬度
θ:傾斜角
圖1係一習知高光譜相機之立體圖。
圖2係一習知高光譜相機之示意圖。
圖3係一高光譜資料方塊內之一單行像素的圖示。
圖4係一高光譜資料方塊內之全部像素的圖示。
圖5係一相機之示意圖。
圖6係該反射狹縫之立體圖。
圖7A係依據波長分開光之作為該光學元件的一繞射光柵的側視圖。
圖7B係依據波長分開光之作為該光學元件的一稜鏡的側視圖。
圖8係該第一或第二透鏡之側橫截面圖。
圖9係顯示進入該相機之入射光路徑的相機示意圖。
圖10係顯示該相機內之返回光路徑的相機示意圖。
圖11係顯示依據該相機內之波長分開光的示意圖。
圖12係該反射狹縫總成之另一例子的立體圖。
圖13係該反射狹縫總成之又一例子的立體圖。
圖14係該相機之另一例子的示意圖。
圖15A與15B係該相機之其他例子的示意圖。
圖16A與16B係該相機之另外例子的示意圖。
圖17係該第一或第二透鏡之另一例子的側橫截面圖。
20:相機
22:入射光瞳
24:第一鏡
26:第一透鏡，透鏡
28:反射狹縫總成
30:第二鏡
32:光學元件
34:第二透鏡，透鏡
36:(第一)偵測器
40:長條反射材料，鏡帶
52:返回光
70:處理器
OA1:第一光軸
OA2:第二光軸
Claims (19)
- 一種相機，其包含： 一第一透鏡，其組配成將入射光聚焦在一反射狹縫總成上，其中該反射狹縫總成包含組配成反射某些但非全部入射光作為返回光之一長條反射材料； 其中該第一透鏡係組配成使來自該長條反射材料之該返回光至少部分地準直； 一第一鏡，其組配成反射來自該第一透鏡之該返回光； 一第二鏡，其組配成反射來自該第一鏡之該返回光； 一光學元件，其組配成依據波長使來自該第一鏡之該返回光分開；及 一第二透鏡，其組配成將來自該光學元件之該返回光聚焦在一第一偵測器上，其中該第一偵測器係組配成依據該第一偵測器上之二維位置來測量該返回光之強度。
- 如請求項1之相機，更包含： 一處理器，其組配成由該第一偵測器測得之光的強度產生一高光譜影像。
- 如請求項1之相機，其中： 該第一鏡、該第一透鏡及該反射狹縫總成係沿著一第一光軸配置；且 該第二鏡、該第二透鏡及該第一偵測器係沿著與該第一光軸平行之一第二光軸配置。
- 如請求項3之相機，其中該光學元件係沿著該第二光軸配置。
- 如請求項1之相機，其中該光學元件係一透射繞射光柵。
- 如請求項1之相機，其中該光學元件係一稜鏡。
- 如請求項1之相機，其中： 該長條反射材料具有一長度(L)及一寬度(W)； 該長度(L)大於該寬度(W)； 該長度(L)朝一第一(X)方向延伸；且 該光學元件係組配成朝與該第一(X)方向正交之一第二(Y)方向依據波長分開該返回光。
- 如請求項7之相機，其中該光學元件包括朝該第一(X)方向縱向地延伸之繞射線。
- 如請求項1之相機，其中該光學元件係設置在該第二鏡與該第二透鏡之間。
- 如請求項1之相機，其中該光學元件係設置在該第一鏡與該第二鏡之間。
- 如請求項1之相機，其中該第一鏡係組配成將該入射光透射至該第一透鏡。
- 如請求項11之相機，其中該第一鏡係一50%分光器。
- 如請求項1之相機，其中該第一透鏡包含具有至少四個非球面之一透鏡堆疊體。
- 如請求項1之相機，其中該第二透鏡包含具有至少四個非球面之一透鏡堆疊體。
- 如請求項1之相機，其中該第一透鏡包含： 一第一透鏡組件，其包括二相對凸球面；及 一第二透鏡組件，其包括面對該第一透鏡組件之一第一凹面及一第二平坦面。
- 如請求項1之相機，其中該第二透鏡包含： 一第一透鏡組件，其包括二相對凸球面；及 一第二透鏡組件，其包括面對該第一透鏡組件之一第一凹面及一第二平坦面。
- 如請求項1之相機，其中該反射狹縫總成包含緊臨該長條反射材料之光吸收材料。
- 如請求項1之相機，其中該反射狹縫總成更包含： 一第二偵測器，其組配成依據該第二偵測器上之二維位置測量被該第一透鏡聚焦之入射光的強度。
- 如請求項18之相機，更包含： 一處理器，其組配成由該第一偵測器測得之光的強度及由該第二偵測器測得之光的強度產生一重疊影像。
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