一种高光谱颜色测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种高光谱颜色测量系统及测量方法,系统包括待测样本反射光获取装置、高光谱探测装置和样本平移装置，高光谱探测装置包括成像组件、分光组件和电路组件；方法包括步骤S1：根据获取的待测样本光，得到待测样本的平面像，通过入射狭缝将平面像进行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，再进行分光成像，将一维空间图像信息中的光谱信息展开，将得到的由单色像组成的二维图谱信息进行汇聚并数字化；步骤S2：将待测样本进行平移，依次获取一维空间位置信息；步骤S3：通过图像信息拼接，将一维空间位置信息展宽为二维空间图像信息，获取平面图像信息；步骤S4：将平面图像信息中每一点的光谱响应值，计算为光谱反射率数据。

说明书

技术领域

本发明涉及颜色测量技术领域，尤其是涉及一种高光谱颜色测量系统及测量方法。

背景技术

传统的颜色测量仪器可分为光电积分颜色测量仪器和分光颜色测量仪器，其中分光颜色测量仪器具有较好的测量稳定性和较高的测量精度。但是不论是光电积分测色仪还是分光测色仪在测量过程中都有一定的局限性，它们的测量对象必须具有一定的面积且颜色均匀，仪器对该面积内的颜色取平均值，即测量结果是该面积内颜色总合的平均值。例如分光测色仪的空间分辨率低，实际应用中只能对纯色区域测量，无法应对具有复杂颜色图案的场景，例如岩彩涂料、布样和产品外包装图案等，很难对图案中的某一部分的颜色进行测量，且会缺失物体表面的图像信息。

彩色相机有很高的空间分辨率，但是光谱分辨率低，不适用于精确的颜色测量和颜色传递。

高光谱成像技术相较于传统的测色仪具有“图谱合一”的特点，不仅能在获取空间图像信息的同时还能获取每个空间点相应的光谱信息，进而可以获得精确的颜色数值。在保证了高空间分辨率的同时，可以精确的测量和传递颜色数值，如果将其应用在颜色测量领域，能够满足图像测色的需求。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现将高光谱成像技术与光谱分析技术融合的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高光谱颜色测量系统，包括待测样本反射光获取装置和探测装置，探测装置采用高光谱探测装置，包括成像组件、分光组件和电路组件，并为高光谱探测装置配合设置样本平移装置，成像组件根据获取的待测样本反射光，得到待测样本的平面像，分光组件通过入射狭缝将平面像进行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，再进行分光成像，将一维空间图像信息中的光谱信息展开，将得到的由单色像组成的二维图谱信息，汇聚到电路组件上，电路组件将二维图谱信息数字化，以便数据的存储和处理，样本平移装置将待测样本相对高光谱探测装置进行平移，将一维空间位置信息展宽为二维空间图像信息。

进一步地，所述电路组件采用面阵CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)，面阵CCD的感光面与分光组件的成像面重合，同时，狭缝的单色像与面阵CCD的每一行像素完全平行。

进一步地，分光组件与面阵CCD之间设置连接装置，包括旋转环、水平移动环和前后移动管，旋转环一侧设置与面阵CCD的C扣相配合的螺纹，另一侧设置的环形接口套设在水平移动环内，通过旋转，调节面阵CCD相对分光组件的角度，使面阵CCD的每行像素与分光组件的狭缝平行，水平移动环另一侧设有两个突出部，与前后移动管的凹槽配合设置，通过水平移动，使水平移动环相对前后移动管做水平移动，调节面阵CCD在光谱维方向相对分光组件的水平位置，使面阵CCD接收的光谱信息与分光组件的光谱范围相对应，前后移动管套设在分光组件上，由于前后移动管上、下面为方形，左右面为弧形，因此无法旋转和平移，只能前后移动，通过前后移动，调节面阵CCD与分光组件的距离，使面阵CCD的感光面处于分光组件的成像面上。

进一步地，旋转环设有弧形槽，水平移动环设有一组调节通孔，前后移动管设有椭圆形通孔和固定螺孔，通过螺丝穿过配合设置的弧形槽、调节通孔与椭圆形通孔与另一侧的螺母连接，固定旋转环、水平移动环和前后移动管的相对位置，前后移动管的固定螺孔，通过螺丝固定在分光组件上。

进一步地，所述样本平移装置包括电机、传动带、丝杆、位移台和光电开关，电机通过传动带驱动丝杆轴向运动，丝杆带动位移台，将待测样本相对待测样本反射光获取装置的采样口进行平移，光电开关用于检测位移台的位置，限制移位台的行程。在采样口所在平面配合设置面板，样本通过夹具夹持在面板上，面板与位移台固定连接，保证样本平面在镜头物平面上，在采样时不移动、不晃动，样本跟随面板一起移动。

进一步地，所述待测样本反射光获取装置包括：积分球和照明光源，积分球侧壁设有光源入射孔，光源入射孔两侧设置挡板，避免照明光源的光直接投射到样本表面或者被分光探测装置直接接收，积分球底部设有长方形采样口，以适应高光谱相机数据采集的特点(因为分光组件的狭缝对应电路组件的一行像素，再通过样本平移装置依次获取并拼接，得到的是一个类似矩形的图像，最大限度的提高分光组件、电路组件的利用率)，同时保证积分球的匀光效果，积分球顶部一侧设置探测口，用于探测装置获取待测样本光。

积分球顶部另一侧设置正方形光阱，光阱外部设置由步进电机控制的可开合弧面盖板，可开合弧面盖表面喷涂了与积分球内壁材质相同的硫酸钡，可开合弧面盖闭合时，能够补全积分球光阱的缺口，通过可开合弧面盖的闭合与张开实现被测样品包含镜面光和不包含镜面光两种测量条件的切换。

进一步地，所述待测样本反射光获取装置的采样口处设置喷涂硫酸钡的可移动白板，用于白校准，测量采样时，白板移到一边不影响仪器的正常工作；仪器工作一段时间后，白板移至采样口进行白校准，保证仪器测量的长期稳定性；高光谱相机分光组件对狭缝成平行排列的单色像，因此，在汞氩灯照明下，高光谱相机采集白色平面物体的原始图像为一系列相互平行的亮线，可通过这些亮线与每行像素的平行度和所占像素数来评价高光谱相机的面阵CCD部分是否装调成功，所述白板移至采样口，高光谱探测装置对白板采样，通过狭缝在电路组件上的单色像，确定电路组件是否与狭缝平行，若平行，则狭缝的单色像接收同一行像素；根据电路组件的感光面在分光组件成像面上的清晰度，判断电路组件是否处于成像面上。

照明光源，采用中心波长为400nm和700nm的窄波段LED灯和色温5000K的暖白LED灯的组合，保证照明光源的强度且光谱在400-700nm范围内分布充足。

一种高光谱颜色测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：根据获取的待测样本光，得到待测样本的平面像，通过入射狭缝将平面像进行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，再进行分光成像，将一维空间图像信息中的光谱信息展开，将得到的由单色像组成的二维图谱信息进行汇聚并数字化；

各个视场的主光线尽可能的垂直入射到狭缝上，减小分光组件不同视场的入射角度。

确定电路组件的感光芯片尺寸、像敏单元尺寸；通过分光组件的缩小比、狭缝长度、线色散、工作光谱范围，确定空间维的最大长度、光谱的最大长度，根据空间维的最大长度和光谱维的最大长度，确定感光芯片的尺寸；由于谱线弯曲和色畸变的存在，像敏单元的尺寸在谱线弯曲和色畸变的大小两倍以上。

步骤S2：将待测样本进行平移，依次获取一维空间位置信息；

步骤S3：通过图像信息拼接，将一维空间位置信息展宽为二维空间图像信息，获取平面图像信息；

步骤S4：将平面图像信息中每一点的光谱响应值，计算为光谱反射率数据。

进一步地，所述步骤S1中，电路组件接收二维图谱信息时，平行于狭缝方向的每行像素接收待测样本在各个波长下的单色像，采集同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道包含待测样本在狭缝视场内的所有空间位置信息及一个波段下的光谱信息，对于垂直于狭缝方向的每列像素，采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个空间通道，每个空间通道包含待测样本的所有波长信息(高光谱相机工作光谱范围内)及待测样本在空间中一点的位置信息，将电路组件获取的图谱数据中，包含所有空间位置信息的方向作为光谱维，包含所有光谱信息的方向作为空间维，构建二维图谱信息。

进一步地，所述步骤S2中，待测样本的平移速度通过如下公式得到：

其中V

本发明的优势和有益效果在于：

本发明通过高光谱颜色测量系统，通过设计的高光谱探测装置，将目标成像到狭缝处，后续的光学系统将狭缝上每一点的入射光分解成单色光，因而保留了狭缝视场的图像信息和每点的光谱信息，再通过移位扫描的方式获得目标完整的图像信息和光谱信息；由于高光谱探测装置一次只能采集空间位置一条线上的光谱信息，因此设计了样品平移装置，推动整个样品平台产生精确的位移，能使其与相机采集帧频以及成像物镜的空间分辨率相匹配，形成不失真的扫描图像。从而通过高光谱成像技术把成像技术和光谱分析技术融合在一起，在获取目标图像信息的同时获取图像中每一点的光谱信息。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

图2是本发明的系统结构示意图。

图3是本发明的系统中高光谱探测装置的原理图。

图4a是本发明的系统中面阵CCD接收图谱信息示意图。

图4b是本发明的系统中面阵CCD的空间通道示意图。

图4c是本发明的系统中面阵CCD的光谱通道示意图。

图5a是本发明的系统中面阵CCD的连接装置示意图。

图5b是本发明的系统中面阵CCD的连接装置分解图。

图6a是本发明的系统中汞氩灯照明下面阵CCD调节前的狭缝图。

图6b是本发明的系统中汞氩灯照明下面阵CCD调节后的狭缝图。

图7a是本发明的系统中样本平移装置的结构示意图。

图7b是本发明的系统中样本平移装置的面板和夹具结构示意图。

图8是本发明的方法中高光谱探测装置的成像示意图。

其中：1、成像组件，2、分光组件，3、连接装置，4、面阵CCD，5、积分球，6、水平移动环，7、旋转环，8、固定螺孔9、前后移动管，10、调节通孔，11、弧形槽，12、凹槽，13、突出部，14、椭圆形通孔，15、传动带，16、丝杆，17、位移台，18、光电开关，19、电机，20、夹具，21、面板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1、图2所示，本实施例的高光谱颜色测量系统，基于CIE规定的几何条件，采用直径为180mm、内壁喷涂硫酸钡的积分球5对LED匀光，为样本提供漫射照明，8°角接收信号光的照明观测几何条件；使用高光谱相机作为系统的分光探测部分；为了获取样本完整的图像信息，添加样本平移装置，使样本与高光谱相机产生相对位移。

由于LED功耗低，寿命长，响应快，能实现开灯即测。但是，即使是全光谱LED光谱范围也不能完全覆盖400-700nm。因此，本实施例使用积分球5对LED组合光源匀光，使用中心波长为400nm和700nm的窄波段LED和色温5000K的暖白LED组合作为照明光源，保证照明光源的强度且光谱在400-700nm范围内分布充足。

积分球5侧壁的开口用作光源入射孔，LED发出的光投射到积分球5内壁另一侧。光源入射孔两侧安装了两个挡板，防止LED发出的光直接投射到样本表面或者被探测器直接接收。

为了适应高光谱相机数据采集的特点同时保证积分球5的匀光效果，本实施例积分球5的底部的采样口为36*10mm的长方形结构，同时在采样口处设置了喷涂硫酸钡的可移动白板。仪器进行测量采样时，白板移到一边不影响仪器的正常工作；仪器工作一段时间后，白板移至采样口进行白校准，保证仪器测量的长期稳定性。

在采样口平面法线8°角方向设置了一个25.5*45mm的正方形开口作为光阱。光阱外部设置一个由步进电机控制的弧面盖板，盖板表面喷涂了与积分球5内壁同样材质的硫酸钡，盖板闭合可补全积分球5光阱的缺口。盖板的闭合与张开实现被测样品包含镜面光和不包含镜面光两种测量条件的切换。

高光谱相机部分负责对目标物体成像，再经过后续的分光组件2将一维图像信息色散分光成像到面阵探测器上。如图2、图3所示，高光谱相机由望远成像组件1、分光组件2和电路组件构成，

望远成像组件1，将目标物成像于分光组件2中狭缝所在的平面上，主要决定了整个高光谱探测装置的空间分辨率，各个视场的主光线尽可能的垂直入射到狭缝上，减小分光组件2不同视场的入射角度。

分光组件2，通过入射狭缝将望远成像组件1所成的平面像进行剪切，获得狭缝尺寸的一维空间图像信息，再经过分光成像，将一维空间图像信息中的光谱信息展开，成为由单色像组成的二维图谱，汇聚到面阵探测器上。分光组件2决定了整个高光谱探测装置的光谱分辨率，以及最终成像的谱线弯曲和谱线色畸变。

电路组件，接收最终的二维图谱信息，将其转化为数字信息，以便数据的存储和处理，通过面阵CCD4来实现，面阵CCD4主要决定了数据的采样速度，同时也影响整个系统的空间分辨率和光谱分辨率。

分光组件2对狭缝成单色像汇聚在面阵CCD4上，面阵CCD4接收二维图谱信息时，平行于狭缝方向的每行像素接收目标在各个波长下的单色像，采集同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道均包含目标在狭缝视场内的所有空间位置信息，但只含一个波段下的光谱信息；垂直于狭缝方向的每列像素采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个空间通道，每个空间通道均包含目标的所有波长信息(高光谱相机工作光谱范围内)，但只具有目标在空间中一点的位置信息。将CCD采集的图谱数据在包含所有空间位置信息的方向称为光谱维，包含所有光谱信息的方向称为空间维，如图4a至4c所示。

确定感光芯片的尺寸，分光组件2的缩小比为1，狭缝长度为12mm，线色散为6.89um/nm，工作光谱范围为400-1000nm，则空间维的最大长度为12mm，光谱维的最大长度为6.762mm。1/1.2″英寸感光芯片的尺寸为11.3mm*7.1mm，使用该尺寸的芯片，能够充分利用分光组件2的性能，同时留有一定余量，便于装配调节。

确定像敏单元的尺寸，像敏单元的尺寸将影响最终图像的空间分辨率和光谱分辨率，像敏单元的尺寸越小，光谱通道和空间通道数越多，相应的分辨率就越高，但是由于谱线弯曲和色畸变的存在，像敏单元的尺寸应在谱线弯曲和色畸变的大小两倍以上。

望远成像组件1与分光组件2对接，分光组件2与面阵CCD4的连接有很高的要求，CCD感光面要与分光组件2的成像面完全重合，同时狭缝的单色像要与CCD的每一行像素完全平行。

如图5a、图5b所示，本实施例中，分光组件2与面阵CCD4之间设置连接装置3，包括旋转环7、水平移动环6和前后移动管9，旋转环7一侧设置与面阵CCD4的C扣相配合的螺纹，另一侧设置的环形接口套设在水平移动环6内，通过旋转，调节面阵CCD4相对分光组件2的角度，使面阵CCD4的每行像素与分光组件2的狭缝平行，水平移动环6另一侧设有两个突出部13，与前后移动管9的凹槽12配合设置，通过水平移动，使水平移动环6相对前后移动管9做水平移动，调节面阵CCD4在光谱维方向相对分光组件2的水平位置，使面阵CCD4接收的光谱信息与分光组件2的光谱范围相对应，前后移动管9套设在分光组件2上，由于前后移动管9上、下面为方形，左右面为弧形，因此无法旋转和平移，只能前后移动，通过前后移动，调节面阵CCD4与分光组件2的距离，使面阵CCD4的感光面处于分光组件2的成像面上。旋转环7设有弧形槽11，水平移动环6设有一组调节通孔10，前后移动管9设有椭圆形通孔14和固定螺孔8，通过螺丝穿过配合设置的弧形槽11、调节通孔10与椭圆形通孔14与另一侧的螺母连接，固定旋转环7、水平移动环6和前后移动管9的相对位置，前后移动管9的固定螺孔8，通过螺丝固定在分光组件2上。

镜头的端面应与积分球5采样口所在的平面平行，否则无法对整个物平面清晰成像，高光谱相机的光轴与积分球5采样口的中心重合(在统一高度)。由于镜头成像光路的可逆性，人眼可以直接看到镜头对狭缝所成的像，左右调节相机的位置，使狭缝的像在积分球5采样口的中间位置，此时高光谱相机的物平面与采样口平面重合。

高光谱相机分光组件2对狭缝成平行排列的单色像，因此，在汞氩灯照明下，高光谱相机采集白色平面物体的原始图像为一系列相互平行的亮线。可通过这些亮线与每行像素的平行度和所占像素数来评价高光谱相机的CCD部分是否装调成功。用汞氩灯作为照明光源，置于积分球5中，积分球5的白板移至采样口，高光谱相机对白板采样。对于CCD是否与狭缝平行也可通过狭缝在CCD上的单色像来确定，如果狭缝与CCD平行，则狭缝的单色像被同一行像素接收。当CCD感光面在分光组件2的像面上时，图像的清晰度最高，由此可以判定CCD是否处于成像面上，如图6a、6b所示。

测量系统先通过高光谱相机获取样品表面一条线上的光谱数据，由于高光谱相机固定不动，一次只能获取狭缝尺寸大小的图像，只能持续采集同一位置的一维空间光谱信息，将狭缝大小的一维图像拼接，才能获取目标物完整的平面图像信息，因此，设计平移装置，使样本与相机产生相对移动，进行推扫，使线动成面，从而将一维空间位置信息展宽为二维空间图像信息。

本实施例通过精密丝杆16将样本平台与高精度一体化集成步进电机19连接，步进电机19带动丝杆16旋转推动样本平台产生精确的位移。如7a所示，步进电机19与丝杆16通过传动带15连接，丝杆16上嵌置的连接块连接到位移台17上，光电开关18检测位移台17的位置，限制样品平台的行程。

如图7b所示，积分球5采样口所在平面安置了一块合金面板21，合金面板21与样本平台相连接，与积分球5是分离的结构，合金面板21上开采样口。采样时，样本通过夹具20夹持在面板21上，保证样本平面在镜头物平面上，在采样时不移动、不晃动，样本跟随面板21一起移动。

数据处理时再将线空间图像信息拼接，从而获取平面图像信息。最终的成像质量不仅受到光学系统的影响，还会受到拼接匹配度的影响。样本的平移速度，必须要与镜头的空间分辨率、高光谱相机的采样速度和探测器感光面的尺寸相匹配，才能获取不失真的图像，否则拼接出来的图像将会在推扫方向上拉伸或压缩。

如图8所示，图中省略了分光组件2，将分光组件2的狭缝所在的平面作为探测器的接收位置。

样本平移速度V

式中L表示工作距离，y表示感光面空间维的大小，f表示成像透镜组镜头的焦距，fps表示相机的采样帧频，N表示空间维的像素数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。