CN107436285A - 基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置及检测方法，包括光源、物镜或者透镜、位移台、滤波片，聚焦透镜、成像光谱仪,待测样品放置在所述的位移台上，光源发出的光依次通过物镜或者透镜、位移台、待测样品,待测样品辐射的光通过滤波片，聚焦透镜进入成像光谱仪中。本发明利用光源照明样品，利用位移平台实现对样品的扫描，成像光谱仪采集样品辐射的光谱信号，可以快速地得到样品的光谱和空间位置信息。本发明采用了主动照明的方式，系统的信噪比较高，可以用来实现物体的定量检测。
Description
技术领域
本发明属于高光谱检测领域，特别涉及一种基于线光源、推扫式成像光谱仪，以及精密位移台的高光谱检测分析装置及方法。
背景技术
成像光谱仪，在20世纪80年代由美国喷气推进实验室提出，其在光谱仪的基础上，加入了成像技术，改变了传统探测仪器只能获取被测目标单一信息的缺点，可以得到物体的光谱信息和空间分布信息。按其扫描方式不同，成像光谱仪可以分为摆扫式，推扫式，凝视型三种。摆扫式成像光谱仪在x方向，用机械结构完成扫描，在y轴上，利用装置的移动完成扫描，瞬时视场角较小，容易获得高质量的图像，但是机械装置比较笨重。凝视型成像光谱仪，一般利用声光可调滤波片或者渐变滤波片来分光，可以同时进行二维视场扫描，结构简单，但是不能同时提取空间信息和光谱信息，其空间分辨率和光谱分辨率也有限。推扫式成像光谱仪，一般由狭缝、准直透镜、分光模块、聚焦透镜，消高阶衍射滤光片、面阵相机组成。面阵相机的一维完成空间扫描，另一维完成光谱扫描，然后由平台移动来形成二维空间扫描。其具有体积小，光谱结构简单、灵敏度高、信噪比高、光谱分辨率高等优点，但是其扫描视场较小。随着大面阵相机技术以及大视场技术的发展，推扫式成像光谱仪是成像光谱仪的主流发展方向。
成像光谱仪常用在航空和航天等观测系统上，实现对地目标观测，用来监控植物生长，鉴别植物种类，以及鉴别军事伪装等。其主要利用的是物体对光源的反射光谱，受光源影响较大，并且由于其空间分辨率受限，对物体的定量分析比较困难。基于此，提出了一种基于线光源激发、推扫式成像光谱仪和精密位移平台的快速高通量高光谱分析检测装置。
发明内容
1、发明目的。
本发明利用线光源来激发样品，使其产生荧光、或者拉曼信号，然后利用推扫式成像光谱仪进行探测，从而实现对样品种类的识别。精密位移台用来实现对物体的一维空间扫描，结合面阵探测器的一个维度来实现对样品二维空间分布的识别。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出的一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，包括光源、物镜或者透镜、位移台、滤波片，聚焦透镜、成像光谱仪,待测样品放置在所述的位移台上，光源发出的光依次通过物镜或者透镜、位移台、待测样品,待测样品辐射的光通过滤波片，聚焦透镜进入成像光谱仪中。
更进一步具体实施方式中，光源为宽谱光源或者激光器。
更进一步具体实施方式中，还包括驱动控制器与位移台相连驱动位移台移动。
本发明提出的一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测方法，按照如下步骤进行：
1)将光谱带的个数*面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据立方转变为(面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据立)* 光谱带的个数二维矩阵；
2)对所述的步骤1)中的二维矩阵进行主成分分析法分解；
3)根据主成分分析法中的载荷矩阵判断判断异常组织的光谱形状，根据对应相应主成分的空间分布可以辅助判断异常组织的空间形状。
更进一步具体实施方式中，包括光源、位移台、滤波片，聚焦透镜、成像光谱仪；还包括二向色镜、透镜；所述的光源位于成像光谱仪的侧面设置，发出的光束经过二向色镜反射，然后经过透镜聚焦到待测样品上；待测样品固定在位移台上,通过控制位移台的移动对待测样品扫描；待测样品辐射的信号，依次经过透镜，二向色镜，滤波片，聚焦透镜，聚焦到成像光谱仪中。
更进一步具体实施方式中，所述的光源为线光源。
更进一步具体实施方式中，通过调整成像光谱仪的位置保持样品上的线光源或者样品辐射的信号线与成像光谱仪的狭缝保持平行。
本发明提出另一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置的检测方法，光谱带的个数*面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据立方利用光谱信息散度算法对数据进行分析：
1)对数据立方中的每个点的光谱，按其光谱最大值进行归一化；
2)针对归一化后的数据立方，求每个点的光谱概率；
3)将所有点的光谱概率相加，然后求各样本其光谱概率平均值，计算数据立方中，计算各样本每个点的光谱概率均值的光谱旋度值；
4)针对数据立方中的一个具体的空间点比较各类样品的旋度值并标定；
5)统计各标定元素的个数，计算其占矩阵比例，根据比例计算混合物中某一类样品的质量分数。；
9.根据权利要求1所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：光谱旋度的计算公式为其中，SID(x||y)表示向量x,相对于量y的旋度值，pl,ql分别代表光谱向量x,y各自在波长λl处的光谱概率值。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明利用线光源照明样品，利用位移平台实现对样品的扫描，成像光谱仪采集样品辐射的光谱信号，可以快速地得到样品的光谱和空间位置信息。
(2)本发明采用了主动照明的方式，系统的信噪比较高，可以用来实现物体的定量检测。
(3)本发明采用线光源进行照射，相比较其他平面光源，其对光源的光学元件和损耗较低，寿命大大延长。
附图说明
图1为本发明透射光路结构示意图。
图2为本发明反射光路结构示意图。
图3为本发明线光源产生方式一。
图4为本发明线光源产生方式二。
图5为本发明线光源产生方式三。
图6为本发明为样品坐标对应面阵相机的坐标。
附图标记说明：
1为激发线光源，3为位移台，4为待测样品，5为滤波片，6为聚焦透镜，7为成像光谱仪，9为位移台的控制器，8为计算机，10 为二向色镜，11为透镜；1A为点状激光器，1B为线形激光发生器， 1C为一维振镜，1D为扩束器，1E为柱透镜。
具体实施方式
实施例1
下面结合图1进行说明。对未经染色的切片组织进行探测，来辅助判断癌变组织及其边界。此时，所用的推扫式成像光谱仪波长为近红外成像光谱仪。宽谱光源1，经过物镜或者透镜2聚焦到组织待测样品4的切片上，待测样品4的切片固定在位移台3上。通过位移台3的移动来实现待测样品4的切片的一维扫描。透射光依次经过滤波片5，聚焦透镜6，进入成像光谱仪7中，8为计算机，9为位移台 3的驱动控制器。此时的线光源通将宽谱光源聚焦到狭缝上来产生。
样品坐标的y对应面阵相机的y1，面阵相机的x1为光谱扩展方向。针对样品空间的每一个x坐标对应的信号光线，我们都可以得到一幅与之对应的p*s的图像。利用精密位移台对样品进行扫描，假设扫描的步进为m,步数为l，可以得到p*s*l的数据立方，对该数据立方进行分析，可以得到样品的种类和空间分布信息。其中p为光谱带的个数，s为面阵相机横向像素点的个数，l为步进的步数。对该数据立方的处理过程如下：
1)将p*s*l的数据立方，转变为(s*l)*p的二维矩阵X；
2)对矩阵X进行主成分分析法(PCA)进行分解，X＝TPT+E,其中P为载荷矩阵,显示的是变量(如波长)的分布权重信息，可用于对矩阵X的分解进行物理或者化学上的解释。T为得分矩阵，对应相应主成分的空间分布。
3)根据P可以判断异常组织的光谱形状，根据T可以辅助判断异常组织的空间形状。
实施例2
系统的光路结构如图2所示。图2中，1为激发线光源，3为位移台，4为待测样品，5为滤波片，6为聚焦透镜，7为成像光谱仪，9 为位移台的控制器，8为计算机，10为二向色镜，11为透镜，由计算机来控制成像光谱仪数据的采集以及位移台的移动。由线光源1发出的光线经过二向色镜10反射，然后经过透镜11聚焦到待测样品4 的切片上。待测样品4固定在位移台3上，通过控制位移台3的移动，对样品的扫描；样品辐射的信号，依次经过聚焦透镜11，二向色镜10，滤波片5，聚焦透镜6，聚焦到推扫式成像光谱仪中。系统的一个难点在与为了保证收集信号的效率和系统的灵敏度，需要使照在样品上的线光源或者样品辐射的信号线与成像光谱仪的狭缝严格平行，这一点通过调整成像光谱仪的位置来保证。
图3中，1A为点状激光器，1B为线形激光发生器，用点状激光器1A来照射线形激光发生器1B来产生线光源。图4中，1C为一维振镜，点光源照射一维振镜1C，通过控制一维振镜的转动来产生线光源。图5中，1A为点状激光器，1D为扩束器，1E为柱透镜，点状激光1A 经过扩束器1D，然后再经过柱透镜1E产生线光源。
系统的工作过程如下：
对粉末混合物的快速定量检测。假设现在有一种粉末状混合物，已知该混合物由粉末A和B组成，A和B的荧光光谱有差异，利用该系统可以快速判断混合物中A的含量。具体过程如下：
首先，将粉末A放置在定制的容器中，将容器固定在位移台上。 405nm的线光源经过二向色镜10反射，照在样品A上，形成一条激光线，激发样品A的荧光。辐射样品的荧光，依次经过二向色镜10，滤波片3，聚焦透镜6，被聚焦到成像光谱仪的狭缝上，进入成像光谱仪中。这里所用的成像光谱仪为可见光/近红外成像光谱仪。在一次采集过程中，我们可以得到一幅p*s的图像。通过移动位移平台来实现对样品的扫描，设位移平台的步进为m1,步数为l1，这样我们可以得到一个p*s*l1的数据立方。实际上，s*l1代表的是样品A的空间信息，我们得到的是s*l1的点的光谱，每个点的光谱维度为p。接下来利用由Chein-I Chang提出的光谱信息散度算法对数据进行分析。过程如下：
1)对数据立方中的每个点的光谱，按其光谱最大值进行归一化。
2)针对归一化后的数据立方，求每个点的光谱概率。λj表示空间点一个波长的强度值，P({λj}),pj均表示波长λj的概率。则对于一个具体的空间点来说，其光谱概率可以表示为向量(p1,p2,…,pp)。
3)将所有点的光谱概率相加，然后求其平均值，作为样品A的光谱概率均值。
同样地，我们可以得到样品B的光谱概率均值 Pmean(B)＝(pB1，pB2,…pBp)。
接下来，分别配置A的质量分数为5％，10％，20％，50％的A和B 的混合物，将混合物依次放置在定制的容器中，利用图1所示的系统，扫描得到p*s*l2,p*s*l3,p*s*l4,p*s*l5,p*s*l6的数据立方。下面以含A质量分数为5％的混合物的数据立方p*s*l2为例，说明对混合物数据立方的处理过程。
1)对数据立方中的每个点的光谱，按其光谱最大值进行归一化。
2)针对归一化后的数据立方，求每个点的光谱概率。
3)计算数据立方中，每个点的光谱概率关于Pmean(A)和Pmean(B) 的光谱旋度值。光谱旋度的计算公式为其中，SID(x||y)表示向量x,相对于量y的旋度值，pl,ql分别代表光谱向量x,y各自在波长λl处的光谱概率值。
4)针对数据立方中的一个具体的空间点data(:,s,l2),比较 SID(data(:,s,l2)||Pmean(A))与SID(data(:,s,l2)||Pmean(B)) 的大小，如果前者小于后者，则令spa_data(s,l2)等于0，反之则令 spa_data(s,l2)＝1.
5)统计spa_data(s，l2)中值为0的元素的个数，计算其占矩阵 spa_data(s,l2)的比例ratio1。
6)针对A的质量分数为10％，20％，50％的A和B的混合物，参考步骤1)-5)，计算ratio2,ratio3,ratio4。
7)拟合ratio1,ratio2,ratio3,ratio4与5％，10％，20％，50％的函数关系。
8)将未知质量分数的A和B的混合物置于定制的容器中，利用系统进行扫描，得到维度为p*s*lmix的数据立方，参考步骤1)-5)，统计spa_data(s,lmix)中元素0所占得比例。
9)根据8)和7)计算混合物中A的质量分数。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：包括光源(1)、物镜或者透镜(2)、位移台(3)、滤波片(5)，聚焦透镜(6)、成像光谱仪(7),待测样品(4)放置在所述的位移台(3)上，光源(1)发出的光依次通过物镜或者透镜(2)、位移台(3)、待测样品(4),待测样品(4)辐射的光通过滤波片(5)，聚焦透镜(6)进入成像光谱仪(7)中。
2.根据权利要求1所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：光源(1)为宽谱光源或是激光器。
3.根据权利要求1所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：还包括驱动控制器(9)与位移台(3)相连驱动位移台(3)移动。
4.一种使用权利要求1所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置的检测方法，其特征在于按照如下步骤进行：
1)将光谱带的个数*面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据立方转变为(面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据)*光谱带的个数二维矩阵；
2)对所述的步骤1)中的二维矩阵进行主成分分析法分解；
3)根据主成分分析法中的载荷矩阵判断判断异常组织的光谱形状，根据对应相应主成分的空间分布可以辅助判断异常组织的空间形状。
5.一种基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：包括光源(1)、位移台(3)、滤波片(5)，聚焦透镜(6)、成像光谱仪(7)；还包括二向色镜(10)、透镜(11)；所述的光源(1)位于成像光谱仪的侧面设置，发出的光束经过二向色镜(10)反射，然后经过透镜(11)聚焦到待测样品(4)上；待测样品(4)固定在位移台(3)上,通过控制位移台的移动对待测样品(4)扫描；待测样品(4)辐射的信号，依次经过透镜(11)，二向色镜(10)，滤波片(5)，聚焦透镜(6)，聚焦到成像光谱仪(7)中。
6.根据权利要求5所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：所述的光源为线光源(1)。
7.根据权利要求5所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置，其特征在于：通过调整成像光谱仪的位置保持样品上的线光源或者样品辐射的信号线与成像光谱仪的狭缝保持平行。
8.一种使用如权利要求5所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置的检测方法，其特征在于光谱带的个数*面阵相机横向像素点的个数*步进的步数的数据立方利用光谱信息散度算法对数据进行分析：
1)对数据立方中的每个点的光谱，按其光谱最大值进行归一化；
2)针对归一化后的数据立方，求每个点的光谱概率；
3)将所有点的光谱概率相加，然后求各样本其光谱概率平均值，在所述的数据立方中，计算各样本每个点的光谱概率均值的光谱旋度值；
4)针对数据立方中的一个具体的空间点比较各类样品的旋度值并标定；
5)统计各标定元素的个数，计算其占矩阵比例，根据比例计算混合物中某一类样品的质量分数。
9.根据权利要求8所述的基于线光源激发的快速高通量高光谱检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的光谱旋度的计算公式为其中，SID(x||y)表示向量x,相对于量y的旋度值，pl,ql分别代表光谱向量x,y各自在波长λl处的光谱概率值。
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