TW201932800A - 同軸異質整合高光譜系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種同軸異質整合高光譜系統，用以接收目標物之光學影像。光學影像系統包含光學單元、光譜影像系統及勻光單元。光學單元用以將光學影像聚焦於光學單元中之焦點面上。光譜影像系統包含第一光譜影像單元及第二光譜影像單元。第一光譜影像單元及第二光譜影像單元均設置於光學單元相反於目標物之一側，用以分別接收光學影像之第一、第二範圍的波段影像資訊。勻光單元設置於光學單元周圍並與光源連接，用以均勻化光源發射之光線並將其投射至目標物。
Description
本發明係關於一種光學影像系統，具體來說，特別是一種同軸異質整合高光譜系統。
任何物質皆由原子分子所構成，依原子間或分子結構方式而有各種不同形式結構能量，使得各物質的光譜因其結構能量的差異而各不相同。一般而言，在物質的光譜影像中，光譜數在100以下稱為多譜段影像，而光譜數在100以上稱為高頻譜影像(hyper-spectral image)。
高頻譜儀(hyper-spectrometer)的應用範圍非常廣泛，可見光的頻譜、不可見光的頻譜、物體(動物/植物/礦物)影像光譜、近紅外光NIR光譜影像、多通道光纖光譜的照像系統、遠端感應、太空遙測、在生化醫療應用的光譜影像、顯示器色彩調校、智慧搜尋飛彈(Intelligent Missile Seeker,IMS)等應用。
然而，傳統的高光譜影像系統多為單段架構，於實際應用上，可觀測範圍可能略顯不足。
本發明之一目的在於提供一種同軸異質整合高光譜系統，結合雙範圍波段之高光譜影像系統，可於單一時間點下，同時取得高光譜解
析度之光譜資訊及波段影像資訊。
同軸異質整合高光譜系統係用以接收目標物之光學影像。光學影像系統較佳包含光學單元、光譜影像系統及勻光單元。光學單元用以將光學影像聚焦於光學單元中之焦點面上。光譜影像系統包含第一光譜影像單元及第二光譜影像單元。第一光譜影像單元及第二光譜影像單元均設置於光學單元相反於目標物之一側，用以分別接收光學影像之第一、第二範圍的波段影像資訊。勻光單元設置於光學單元周圍並與光源連接，用以均勻化光源發射之光線並將其投射至目標物。
相較於先前技術，本發明之光學影像系統係結合雙波段之高光譜影像系統，可於單一時間點下，同時取得高光譜解析度之光譜資訊及波段影像資訊。
1‧‧‧光學影像系統
11‧‧‧光學單元
12‧‧‧光學單元
13‧‧‧光譜影像系統
14‧‧‧勻光單元
15‧‧‧光學單元
16‧‧‧分光鏡
17‧‧‧光學單元
18‧‧‧反射鏡
131‧‧‧第一光譜影像單元
132‧‧‧第二光譜影像單元
133‧‧‧空間窗
134‧‧‧分光器
135‧‧‧感光器
136‧‧‧處理器
137‧‧‧狹縫
2‧‧‧光學影像系統
21‧‧‧光學單元
22‧‧‧光學單元
23‧‧‧光譜影像系統
24‧‧‧中繼模組
25‧‧‧勻光單元
26‧‧‧光學單元
27‧‧‧分光鏡
28‧‧‧光學單元
29‧‧‧反射鏡
30‧‧‧遮蔽單元
31‧‧‧遮蔽單元
32‧‧‧機械手臂
211‧‧‧焦點面
231‧‧‧第一光譜影像單元
232‧‧‧第二光譜影像單元
241‧‧‧中繼透鏡
T‧‧‧目標物
A‧‧‧位置
A’‧‧‧列光學影像
B‧‧‧位置
B’‧‧‧列光學影像
C‧‧‧位置
C’‧‧‧列光學影像
S‧‧‧光源
圖1A係為本發明同軸異質整合高光譜系統之一實施例示意圖。
圖1B係為本發明第一光譜影像單元之一實施例示意圖。
圖2係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖3係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖4A係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖4B係為本發明中繼模組之一實施例示意圖。
圖5係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖6係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖7係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
圖8係為本發明同軸異質整合高光譜系統之另一實施例示意圖。
以下將以圖式配合文字敘述揭露本發明的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪出。
請參閱圖1A及圖1B。同軸異質整合高光譜系統1係用以接收目標物T之光學影像。同軸異質整合高光譜系統1較佳包含光學單元11、12、光譜影像系統13及勻光單元14。光學單元11、12較佳但不限於使用鏡頭、影像光纖探頭、顯微鏡、望遠鏡等。在實際應用上，本領域通常知識者可視目標的大小、距離目標的遠近等因素，彈性選擇光學單元11、12的實施方式。主要係用以將接收到的光學影像聚焦於其焦點面(圖未示)上。焦點面上所形成目標物T的光學影像包含多個列光學影像，這些列光學影像係彼此平行。換言之，於焦點面之成像可分為一連串的列光學影像，這些列光學影像可以被傳遞至後方的光譜影像系統13中。
光譜影像系統13較佳包含第一光譜影像單元131及第二光譜影像單元132，例如是高光譜儀，但不以此為限。詳細而言，如圖1B所示，以第一光譜影像單元131為例，第一光譜影像單元131包含空間窗(spatial window)133、分光器134、感光器135以及處理器136。空間窗133具有狹縫137。於本實施例中，空間窗133係用以讓所接收到的列光學影像經由空間窗133的狹縫137通過空間窗133。分光器134係用以將通過狹縫137的列光學影像衍射成二維影像，例如二維高頻譜影像(hyper-spectral image)。感光器
135係用以將此二維高頻譜影像轉換為電子訊號，其中感光器135可至少包含電荷藕合元件以及互補式金氧半導體其中之一。處理器136係用以根據此電子訊號分析二維高頻譜影像。如此，第一光譜影像單元131將列光學影像全數擷取之後，進而可解析整個目標物T的高頻譜影像。
第一光譜影像單元131及第二光譜影像單元132均設置於光學單元11、12相反於目標物T之一側，用以分別接收光學影像之第一、第二範圍的波段影像資訊。於此實施例中，目標物T、光學單元11及第一光譜影像單元131較佳排列於同一直線上。類似地，目標物T、光學單元12及第二光譜影像單元132亦排列於同一直線上。並且，光學單元11及第一光譜影像單元131與光學單元12及第二光譜影像單元132並排設置。
於此實施例中，第一及第二範圍的波段影像資訊之波長不相同，本實施例係以可見光及短波紅外光為例，但不以此為限，只要兩個範圍波段影像資訊的波長相異即可。
勻光單元14設置於光學單元11、12周圍並分別與外部光源S連接，用以均勻化光源發射之光線並將其均勻投射至目標物T之觀測面上。其目的在於，使成像時減少光斑及外界環境光的影響，用以降低影像量測時所產生的誤差。於本實施例中，勻光單元14係分別架設於光學單元11、12側邊，但不以此為限。於其他實施例中，亦可於兩個光學單元11、12之間僅架設一個勻光單元14。
勻光單元14較佳但不限於使用柱狀透鏡。利用柱狀透鏡可以將光源S所射出的光線轉換為線光源或面光源，以供不同掃描方式使用。光源S可以是發光二極體、雷射光、鹵素燈、冷光燈、螢光燈等，並無特定限
制。光源S可透過光導管(圖未示)與勻光單元14連接，提高光線傳遞效率。
本發明之另一實施例，請參閱圖2，其硬體架構大致與前述實施例相同。其差異在於，本實施例僅需要一個光學單元15，並且，於光學單元15後方設置分光鏡16。詳細而言，分光鏡16係位於光學單元15及光譜影像系統13之間。光學單元15將接收到的光學影像傳遞至分光鏡16，藉由分光鏡16分別將不同範圍波段的光學影像資訊傳遞至第一光譜影像單元131及第二光譜影像單元132。本實施例之分光鏡16係以925nm波長為分界，但不以此為限。
本發明之另一實施例，請參閱圖3。本實施例亦僅需一個光學單元17，其差異在於，於分光鏡16旁設置反射鏡18，反射鏡18將分光鏡16傳遞而來的光學影像資訊反射至對應的光譜影像單元。於此實施例中，第一光譜影像單元131係直接接收分光鏡16所傳遞的第一範圍波段影像資訊，第二光譜影像單元132則接收由反射鏡18所反射而來的第二範圍波段影像資訊。
值得一提的是，本實施例透過反射鏡18設置，可使兩個光譜影像單元並排設置，相較於圖2之實施例，能有效縮減整個系統的體積。
須說明的是，於實務上來說，依據目標物T是否適合移動，其掃描方式亦有不同。於一情況下，光學影像系統1較佳可適用於目標物T適合移動掃描之方式。亦即，目標物T可相對於同軸異質整合高光譜系統1進行移動。於實際操作時，可將目標物T置放於移動平台上，例如步進馬達移動平台、輸送帶或其他類似的裝置。當目標物T移動時，光譜影像系統13係被固定其位置及觀測視野。並且，於目標物T移動的過程中，掃描並依序
建立各個列光學影像的光譜資訊。進一步而言，第一光譜影像單元131可建立某一波段(例如可見光，但不以此為限)列光學影像的光譜資訊(即第一波段影像資訊)，而第二光譜影像單元132則建立另一波段列(例如短波紅外光，但不以此為限)光學影像的光譜資訊(即第二波段影像資訊)。於此實施例中，光線較佳採用線光源所射出之光線。
於另一情況下，可適用於目標物T不適合移動之情形。於此情況下可將光譜影像系統13架設於移動平台上，例如透過步進馬達驅動平台。亦即，光譜影像系統13可相對於目標物T移動。據此，同軸異質整合高光譜系統1可對目標物T進行掃描。需說明的是，此掃描方式較佳以面光源所產生的光線來對目標物T進行照射。
上述當目標物T不適合移動之情形，亦可透過移動整個同軸異質整合高光譜系統1來做掃描。亦即，同軸異質整合高光譜系統1可相對於目標物T移動。於此情況下，光線較佳採用線光源所射出之光線。同軸異質整合高光譜系統1之移動方式如同上述實施例，在此不另行贅述。
本發明之另一實施例，請參閱圖4A及圖4B。本實施例之硬體架構與圖1A及圖1B類似，同軸異質整合高光譜系統2較佳包含光學單元21、22、光譜影像系統23及勻光單元25。光譜影像系統23包含第一光譜影像單元231及第二光譜影像單元232。其差異在於，本實施例係於光學單元21、22及光譜影像系統23之間設置中繼模組24。中繼模組24可相對於光學單元21、22、光譜影像系統23、勻光單元25及目標物T移動。
中繼模組24可包含中繼透鏡241，如圖4B所示，以第一光譜影像單元231為例，若中繼透鏡241在位置B，則中繼透鏡241可傳遞一列光
學影像B’至第一光譜影像單元231；若中繼透鏡241移動至位置A時，中繼透鏡241可傳遞另一列光學影像A’至第一光譜影像單元231；若中繼透鏡241移動至位置C時，中繼透鏡241可傳遞又一列光學影像C’至第一光譜影像單元231。
藉此，在中繼模組24逐一將這些列光學影像傳遞給第一光譜影像單元231之後，第一光譜影像單元231可擷取整個目標物T的影像並解析整個目標物T的光譜資訊。需說明的是，為使中繼模組24能夠移動，如同前述實施例所述，可將中繼模組24設置於微動設備(圖未示)上，微動設備例如是以滑軌、步進馬達以及計算機等元件所組成之設備。
在本實施例中，中繼透鏡241可將列光學影像從一處轉播放到另一處，而不改變列光學影像本身的大小，可大幅降低光程差的問題，進而提昇光學影像的品質。
其餘細部架構與掃描方式與前述實施例相同，在此不另行贅述。
本發明之另一實施例，請參閱圖5，本實施例與圖2實施例類似，其差異在於設置中繼模組24於光學單元26及光譜影像系統23之間。並且，於光學單元26後方設置分光鏡27。詳細而言，分光鏡27係位於光學單元26及光譜影像系統23之間。光學單元26將接收到的光學影像傳遞至分光鏡27，藉由分光鏡27分別將不同範圍波段的光學影像資訊傳遞至第一光譜影像單元231及第二光譜影像單元232。其餘細部架構與掃描方式與前述實施例相同，在此不另行贅述。
本發明之另一實施例，請參閱圖6，與圖3實施例類似，其差
異在於設置中繼模組24於光學單元28及光譜影像系統23之間。並於分光鏡27旁設置反射鏡29，反射鏡29將分光鏡27傳遞而來的光學影像資訊反射至對應的光譜影像單元。於此實施例中，第一光譜影像單元231係直接接收分光鏡27所傳遞的第一範圍波段影像資訊，第二光譜影像單元232則接收由反射鏡29所反射而來的第二範圍波段影像資訊。
本發明之另一實施例，請參閱圖7。本實施例主要係為了隔絕外界環境光源對於系統掃描之影響。如圖所示，可於同軸異質整合高光譜系統1、2前端連接設置遮蔽單元30，例如殼體、蓋體、罩體等，只要能隔絕外界環境光源即可。遮蔽單元30內部可以深色塗料(例如黑色)塗佈，以減少雜散光之影響。此實施例之遮蔽單元30係完全遮蔽外界環境光源，但不以此為限。此外，本實施例僅以第一光譜影像單元231繪示為例，但不以此為限制，於實際應用時亦適用於本發明前述各實施例之光學影像系統，特此說明。
於另一實施例中，如圖8所示，遮蔽單元31係以弧形構造為例，但不以此為限。本實施例之遮蔽單元31僅部分遮蔽外界環境光源，以減低光譜影像之雜訊。此外，為便利不同角度掃描，本實施例之同軸異質整合高光譜系統1、2亦可連接於機械手臂32設置。類似地，本實施例僅以第一光譜影像單元231繪示為例，然而，於實際應用時亦適用於本發明前述各實施例之光學影像系統。
需說明的是，為達上述效果，光學單元(以15為例)與勻光單元(以14為例)較佳均設置於遮蔽單元30、31內部。
相較於先前技術，本發明之同軸異質整合高光譜系統係結合
雙波段之高光譜影像系統，可於單一時間點下，同時取得高光譜解析度之光譜資訊及波段影像資訊。
Claims (13)
- 一種同軸異質整合高光譜系統，用以接收一目標物之光學影像，該同軸異質整合高光譜系統包含：至少一光學單元，用以將該光學影像聚焦於該光學單元中之一焦點面上；一光譜影像系統，包含：一第一光譜影像單元，設置於該光學單元相反於該目標物之一側，用以接收該光學影像之一第一範圍波段影像資訊；以及一第二光譜影像單元，設置於該光學單元相反於該目標物之一側，用以接收該光學影像之一第二範圍波段影像資訊；以及一勻光單元，設置於該光學單元周圍並與一光源連接，用以均勻化該光源發射之光線並將該光線投射至該目標物。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，更包含一分光鏡，設置於該第一光譜影像單元、該第二光譜影像單元及該光學單元之間，該分光鏡用以將該第一範圍波段影像資訊及該第二範圍波段影像資訊分別傳遞至該第一光譜影像單元及該第二光譜影像單元。
- 如請求項2所述之同軸異質整合高光譜系統，更包含一反射鏡，與該分光鏡並排設置，用以將自該分光鏡取得之該第一或第二範圍波段影像資訊反射至對應之該第一或第二光譜影像單元。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，更包含一中繼模組，設置於該光學單元與該光譜影像系統之間，該中繼模組可相對於該光學單元、該光譜影像系統、該勻光單元及該目標物移動。
- 如請求項4所述之同軸異質整合高光譜系統，更包含一分光鏡，設置於該第一光譜影像單元、該第二光譜影像單元及該中繼模組之間，該分光鏡用以將該第一範圍波段影像資訊及該第二範圍波段影像資訊分別傳遞至該第一光譜影像單元及該第二光譜影像單元。
- 如請求項5所述之同軸異質整合高光譜系統，更包含一反射鏡，與該分光鏡並排設置，用以將自該分光鏡取得之該第一或第二範圍波段影像資訊反射至對應之該第一或第二光譜影像單元。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該第一範圍波段影像資訊及該第二範圍波段影像資訊之波長不相同。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該目標物可相對於該同軸異質整合高光譜系統移動。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該同軸異質整合高光譜系統可相對於該目標物移動。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該光譜影像系統可相對於該目標物移動。
- 如請求項8或9所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該光源係藉由該勻光單元轉換為一線光源。
- 如請求項10所述之同軸異質整合高光譜系統，其中該光源係藉由該勻光單元轉換為一面光源。
- 如請求項1所述之同軸異質整合高光譜系統，該同軸異質整合高光譜系統係與一遮蔽單元連接，用以完全或部分遮蔽外界環境光源，其中該光學單元與該勻光單元係設置於該遮蔽單元內部。
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