一种基于手机的便携式多光谱成像装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光谱成像技术领域，涉及一种基于手机的便携式多光谱成像装置和方法；首先提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括手机、LCTF、光学镜头或光路转换器；所述手机、LCTF、光学镜头或光路转换器依次连接，光学镜头、LCTF和手机相机的光路共轴；然后，利用手机软件设置图像釆集参数，指定扫描起始波长、终止波长和波长增量参数，实现对检测对象光谱及图像信息的采集，并进行模型分析预测；本发明专利技术公开的基于手机的便携式多光谱成像装置具有高精度、低功耗、高便捷性和优异的场景融入性等优势，可以应用于农产品检测、食品安全检测和医疗健康诊断等多个领域。

A Portable Multispectral Imaging Device and Method Based on Mobile Phone

The invention belongs to the technical field of spectral imaging, and relates to a portable multi-spectral imaging device and method based on mobile phone. Firstly, a portable multi-spectral imaging device based on mobile phone is provided, including mobile phone, LCTF, optical lens or optical path converter; the mobile phone, LCTF, optical lens or optical path converter are connected in turn, optical lens, LCTF and optical path coaxial of mobile phone camera. Secondly, the mobile phone software is used to set image acquisition parameters, specify scanning start wavelength, termination wavelength and wavelength increment parameters to realize the acquisition of spectral and image information of the detected object, and carry out model analysis and prediction. The portable multi-spectral imaging device based on the mobile phone has the advantages of high accuracy, low power consumption, high convenience and excellent scene integration. It can be applied in many fields, such as agricultural products detection, food safety detection and medical health diagnosis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于手机的便携式多光谱成像装置和方法
本专利技术属于光谱成像
，具体涉及一种基于手机的便携式多光谱成像装置和方法，可以应用于食品安全检测、健康诊断等领域。
技术介绍
多光谱成像技术获得的光谱图像立方体中不仅包含待测物质高分辨率的二维形貌信息，而且所含的光谱信息又能反映出物质的化学组成成份。多光谱成像分析把成熟的图像分析方法和光谱分析方法结合起来，与单纯的图像分析或光谱分析方法相比，获得的信息量更大，功能更多，分析也更为灵活。目前，光谱成像分析技术的应用范围覆盖了遥感、生物、医药、农药、食品考古等诸多领域。国外关于多光谱技术的发展始于20世纪80年代，主要应用于航空航天等遥感领域。典型的多光谱产品有：荷兰Quest-innovations公司研制的5CCD多光谱相机Condor5；XybionElectroics公司开发的旋转滤光片轮式CCD多光谱相机系统等。我国的对多光谱成像技术的研究主要集中在机载传感器的研制方面；这些设备系统复杂，使用要求稳定性高且专业性很强，民用领域的推广应用程度很低。开发设备结构简单、便携易用的多光谱成像设备对于在农产品检测、食品安全检测和医疗健康诊断的应用意义重大。滤光器式多光谱成像仪的滤光器包括固定滤光片轮、电可调谐滤光器等，其中电可调谐滤光器中最常用的有液晶可调谐滤光器(LiquidCrystalTunableFilters，LCTF)。滤光片轮是由一系列具有不同固定波长的滤光片组合而成，通过手动转动滤光片轮来获得不同波长的光谱图像，其原理及构造较为简单，但是它具有一些缺点，如：扫描速度较慢，使用范围较小并且使用寿命较短。液晶可调谐滤光器是电可调谐的滤光器，具有调节波段范围广、调谐速度快、可调谐至使用范围内任意波段、可靠性高及体积较小、方便携带等优点。LCTF对所需衍射波段之外的光具有很高的抑制比，因此很容易获得较高质量的多光谱图像。现有的便携式多光谱成像系统多为滤光片式多光谱成系统，例如申请公布号为CN103308466的专利文献公开了一种便携式滤光片色轮型多光谱成像系统及其光谱图像处理方法，包括成像仪镜头、滤光片色轮、步进电机、滤光片组、黑白图像传感器、控制模块及计算机。申请公布号CN107515045的专利文献公开了一种手机便携式多光谱成像方法和装置，利用手机自备的成像镜头、面阵探测器及配套电路，匹配配套的手动旋转式滤光片轮组，从而实现对不同波长光谱进行成像。但是以上公开的产品使用的滤光片只能覆盖有限的几个窄波段，而大多数情况下成像所需的光谱波段未知或波段数目较多，此时，这种类型的滤光方式扫描速度慢、适用范围小的局限性就显而易见。
技术实现思路
针对上述现有技术中组装滤光片轮的便携式多光谱系统扫描速度慢、自动化程度低的问题，本专利技术利用组装有蓝牙模块的LCTF作为分光装置，以手机作为成像装置、控制装置和数据处理器，实现基于手机调节LCTF、实时采集光谱图像和分析数据的便携式多光谱成像装置。本专利技术提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括手机、LCTF和光学镜头；所述光学镜头的一端与手机的相机相连，另一端连接LCTF；所述光学镜头、LCTF和手机连接组成一个整体；所述光学镜头、LCTF和手机的相机的光路共轴。本专利技术还提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括手机、LCTF、光学镜头和光路转换器；所述手机、光路转换器、LCTF和光学镜头依次连接，所述光学镜头、光路转换器、LCTF和手机连接组成一个整体；所述光学镜头、光路转换器、LCTF和手机相机的光路共轴；所述光学镜头为扩束光学镜头。优选的，所述手机具有反向充电功能。优选的，所述LCTF包括蓝牙模块和内置控制器；所述蓝牙模块与LCTF的内置控制器连接，用软件开发工具包(SoftwareDevelopmentKit,SDK)开发蓝牙通讯；所述蓝牙模块用于实现手机无线控制LCTF。优选的，所述手机的相机采用互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)传感器，像素分辨率为1280×1040；所述手机相机在400～1100nm波长范围内光谱响应度高。优选的，所述LCTF的工作波段为400～1100nm，覆盖可见及近红外光区域，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°。本专利技术还提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法，具体步骤如下：上述实现手机无线控制LCTF的具体过程为：S1：将LCTF控制器与蓝牙模块通过数据线进行连接，利用LCTF所提供的SDK开发包的数据传输接口与蓝牙模块进行通讯；S2：建立手机和蓝牙模块间的无线通信，其步骤主要有：初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据传输、断开连接；S3：利用LCTF提供的SDK的设备控制接口建立手机端与LCTF间的即时通信，通过手机端可实现对LCTF的扫描波长范围(最大范围为：400～1100nm)进行控制。可选的，手机可以通过USB数据传输接口控制LCTF的工作参数。使用多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法具体步骤如下:S1:将成像装置固定在有照明光源或者自然光的拍摄位置，打开应用软件；S2:利用手机软件设置图像釆集参数，指定扫描起始波长、终止波长(扫描和终止波长可选范围为400～1100nm之间，且起始波长应小于或等于终止波长)和波长增量参数(参数范围为10～20nm)，所有不同波长图像的釆集过程都在相同的参数和位置进行；S3:通过控制相机曝光时间和数字增益相结合的方式对装置的光谱灵敏度进行逐波段的校正。首先采集漫发射标准白板的光谱图像W(λ)，然后关闭相机镜头盖进行图像采集得到黑板的标定图像B(λ)，调整相机曝光时间t，直到最高灵敏度波段的光谱强度饱和值的85％-90％，此时的相机曝光时间记为t0，然后计算每个波段下的积分时间t(λ)；S4:通过手机软件向LCTF发出指令，按照波长从低到高的顺序进行n次扫描，在每一个需要采集的波长下按照软件自动设置的曝光时间采集样品光谱图像，构成样品反射光谱图像立方体I(λ)；S5:按照两点校正法对每个波段釆集的样品光谱图像进行光平场校正，最终得到样品的相对反射光谱图像立方体R(λ)，得到多光谱图像文件。上述应用软件可以实现对检测对象光谱及图像信息的采集，并能实现一些模型分析预测的功能。具体的，模型分析预测功能主要通过对光谱域和空间域进行处理实现的；首先，提取每一波长下的图像或每一像素点的光谱信息，借助预处理算法(如：PCA、ICA、SVD、WT等)对图像进行特征图像提取及光谱特征提取，然后针对不同检测对象分别建立相应定量或定性模型(常用算法如：遗传算法、神经网络、支持向量机等)，通过采集样品光谱信号，利用已建立好的模型实现检测对象内部成分或含量信息的预测。并且，采集到的光谱图像数据可以上传至云服务器，云服务器会判断是否存在相应模型；如果是，则会将结果信息通过网络传输到手机客户端；若无，则会通知用户目前未建立该检测对象模型；同时，实验人员将会收集相关信息，逐步扩充不同检测对象模型数据库。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术公开的基于手机的便携式多光谱成像装置采用LCTF滤光器，实现全波段范围快速任意地切换波长，无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，包括手机（1）、LCTF（3）和光学镜头一（201）；所述光学镜头一（201）的一端与手机（1）的相机相连，另一端连接LCTF（3）；所述光学镜头一（201）、LCTF（3）和手机（1）的相机的光路共轴。

【技术特征摘要】
1.一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，包括手机（1）、LCTF（3）和光学镜头一（201）；所述光学镜头一（201）的一端与手机（1）的相机相连，另一端连接LCTF（3）；所述光学镜头一（201）、LCTF（3）和手机（1）的相机的光路共轴。2.一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，包括手机（1）、LCTF（3）、光学镜头二（202）和光路转换器（203）；所述手机（1）、光路转换器（203）、LCTF（3）和光学镜头二（202）依次连接，所述光学镜头二（202）、光路转换器（203）、LCTF（3）和手机（1）的相机的光路共轴。3.根据权利要求2所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述光学镜头二（202）为扩束光学镜头。4.根据权利要求1或2所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF（3）包括蓝牙模块（4）和内置控制器（301）；所述蓝牙模块（4）与内置控制器（301）连接，用SDK开发蓝牙通讯；所述蓝牙模块（4）用于实现手机（1）对LCTF（3）的无线控制。5.根据权利要求1或2所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机（1）的相机采用CMOS传感器，像素分辨率为1280×1040；所述手机（1）在400~1100nm波长范围内光谱响应度高。6.根据权利要求1或2所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF（3）的工作波段为400~1100nm，覆盖可见及近红外光区域，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°。7.根据权利要求1或2所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹小波，石海军，史永强，石吉勇，张文，黄晓玮，李志华，翟晓东，徐艺伟，胡雪桃，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32