基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置及方法，由激发模块，扫描模块，信号采集模块和控制驱动模块四部分组成；本发明专利技术使用二维振镜和平场扫描透镜的结合保证了扫描检测时样品的稳定性和系统的小型化，同时整体装置模块化、集成度高、分辨率高；扫描时不同位置的入射光聚焦到同一平面，从而保证了高分辨率清晰图像的获得；本发明专利技术具有很高的自由度，可通过简单地更换光源和二向色镜、半透半反镜之间的切换实现近红外、红外高光谱成像或荧光、拉曼高光谱成像；本发明专利技术所采用的检测方法特别适用于针对混合物粉末样品的稳定、无损、准确检测。

【技术实现步骤摘要】
基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置及方法
本专利技术涉及机器视觉和高光谱成像
，更具体地涉及一种基于点扫描高光谱成像的混合粉末稳定、无损的定量检测装置和方法。
技术介绍
高光谱成像技术融合了成像技术获取物体空间数据信息和光谱技术获取物质光谱特征的优点，同时含有图像信息和光谱信息，能实现对物体内部品质和形状特征的全面检测。传统的高光谱成像技术通过移动样品平台的方式实现对样品的扫描检测，这一方式的明显不足在于工作台的移动会造成其上被测样品不稳定的情况，特别是在针对混合物粉末样品进行测试时。对混合物粉末样品进行鉴别和定量检测具有十分重要的现实意义。比如测定奶粉和三聚氰胺混合物中的三聚氰胺含量，又如对速溶咖啡中咖啡、咖啡伴侣、糖混合粉末中各物质进行定量检测等。这些都是工业界所密切关注的课题，也迫切需要一种稳定、无损、准确的检测技术。利用高光谱成像技术所得到的物质光谱信息能实现对特定物质的鉴别和含量检测。如专利号CN104198398A所公布的基于高光谱成像技术实现对阿胶产品的鉴别，又如专利号CN105115910A利用蛋白质中CH和OH基团的近红外吸收特性采用高光谱成像实现花生中蛋白质的检测，以及专利号CN105021617A采用高光谱成像装置实现对整株水稻叶绿素含量的测量。但上述应用只是针对某一特定的物质，当检测两种或多种物质的混合粉末样品时，邻近粉末间的光谱信号会相互影响，测试时对样品稳定性的要求较高，检测具有一定的难度。经检索，目前为止国内没有利用高光谱成像技术对混合物粉末进行稳定、准确检测的报道。本专利技术则提出了一种新型基于高光谱成像系统，通过二维振镜与平场扫描透镜的结合实现扫描，替代传统需移动样品的不稳定方式，同时系统集成、小型，模块化和自由度高，能应用于食品、生物领域的各种高光谱成像快速检测，特别适用于混合粉末的定量分析。
技术实现思路
1、专利技术目的。本专利技术针对现有高光谱成像技术，特别是在在混合物粉末定量检测方面的局限性，提供一种基于点扫描高光谱成像的集成、小型检测系统，克服传统光谱成像装置样品不稳定的特点，实现对混合物粉末含量和分布的稳定、无损、准确的检测。2、本专利技术所采用的技术方案。本专利技术提出的一种基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，由激发模块，扫描模块，信号采集模块和控制驱动模块四部分组成：所述的激发模块由激发光源和二向色镜或半透半反镜组成，将激发光源发射出光源信号通过二向色镜或半透半反镜反射到到扫描模块中；所述的扫描模块由二维振镜和平场扫描透镜组成，二维振镜由两块方向不同的反射镜组成，控制驱动模块控制两块方向不同的反射镜角度的变化实现光束在二维平面内的扫描；经二维振镜反射后的激光通过平场扫描透镜聚焦到样品平台；所述的信号采集模块由滤光片、聚焦物镜、大芯径光纤和光谱分析仪组成，激光聚焦到样品表面后所产生的信号光经由平场扫描透镜、二维振镜、半透半反镜或二向色镜后，由滤光片滤除反射回的无用杂散光，过滤后的信号光则通过聚焦物镜聚焦到特制的大芯径光纤中，光纤收集到的光信号再传输到光谱分析仪。更进一步具体实施方式中，所述的信号采集模块中的滤光片、聚焦物镜、光纤接头和激发模块中的激发光源和二向色镜或半透半反镜集成到一个封闭模块中，再与扫描模块和光谱分析仪连接。更进一步具体实施方式中，所述的光源为激光光源或宽谱光源；当系统工作在近红外、红外高光谱成像模式时，采用宽谱光源与半透半反镜的组合；当系统工作在荧光、拉曼高光谱成像模式时，采用激光光源和二向色镜的组合。所述的控制驱动模块由高速数据采集卡、驱动电路组成；计算机控制数据采集卡输出模拟信号，经由驱动电路控制二维振镜进行扫描，并同时同步记录光谱分析仪所采集得的光谱信号。本专利技术提出的一种混合物粉末无损定量检测方法，按照如下步骤进行：(1)样品制备：将待测混合粉末样品均匀混合并按压平整后，置于样品平台上；(2)高光谱信号采集：根据所需采用光谱技术选择光源，半透半反镜与二向色镜，设置参数并扫描，记录每个扫描点由光谱仪收集到的光谱信号xk，其中k代表光谱曲线所含变量数；(3)光谱预处理：对采集到的三维光谱数据Xm*n*k展开为二维数据Xmn*k，其中m，n分别代表检测时所扫描的行数和列数，故二维数据矩阵Xmn*k中的每一行代表每一扫描点的光谱；对该光谱数据预处理后，得到预处理后新光谱数据X′mn*k；(4)光谱数据分析：采用多元曲线分辨算法，对二维光谱数据X′mn*k进行光谱分离分析，记录求得的最终浓度矩阵Cmn*p和光谱矩阵Sk*p；其中p表示混合物中所含独立物质成分的个数；(5)图像数据处理：对每个独立物质成分，将其在每个扫描点的预估浓度值绘于二维图像中，即将浓度矩阵Cmn*p中的每一列还原为m*n的二维图像；对该图像进行中值滤波或均值滤波处理，求得每个扫描点对应的新的预估浓度值，即求得新浓度矩阵Cnew；(6)混合物含量和分布检测：针对每一扫描点，根据所得各独立成分的浓度大小判断该点属于何种粉末并标注，对所有扫描点判定后可以得到混合物粉末的二维分布图像，同时根据该分布图可直接计算每种物质成分在混合物中所占含量百分比，实现定量检测。更进一步具体实施方式中，所述的步骤(2)高光谱信号采集中设置参数具体为：设置好扫描范围即检测区域和扫描点数即分辨率，同时依据被检测样品特性设置单点扫描的积分时间。更进一步具体实施方式中，所述的步骤(3)光谱预处理包括光谱数据进行平滑去噪，多元散射校正，和归一化。更进一步具体实施方式中，所述的步骤(4)光谱数据分析中，采用多元曲线分辨算法，对二维光谱数据X′mn*k进行光谱分离分析，具体方法为：(4.1)对X′mn*k进行主成分分解，即对X′mn*k的协方差矩阵求解特征值：其中T，P分别代表得分矩阵和载荷矩阵，E为残差矩阵；为不含误差的数据矩阵；因此基于X*和由渐进因子分析预估得的初始浓度矩阵C，计算初始光谱矩阵S：S′＝C+X*＝(C′C)-1C′X*其中C+表示C的广义可逆矩阵；(4.2)按上式求得初始光谱矩阵S后再代入如下公式求得新的浓度矩阵C：C＝X*S′+＝X*S(S′S)-1其中S′+表示S′的广义可逆矩阵；接着按上述两公式反复迭代，直至两次迭代结果差别小于阈值，算法收敛；记录此时求得的最终浓度矩阵Cmn*p和光谱矩阵Sk*p；其中p表示混合物中所含独立物质成分的个数；两公式反复迭代计算过程中，为限制可能的解数，需设置约束条件：设置求解得的值为非负，同时设置混合粉末中所含物质种类的数目p，还可输入纯物质光谱作为分析参考，解析得到各独立物质成分的近似光谱及对应的预估浓度值。更进一步具体实施方式中，所述的步骤(4)中光谱分离分析方法选用独立成分分析ICA，主成分分析PCA或端元成分分析VCA。3、本专利技术所产生的技术效果。(1)本专利技术使用二维振镜和平场扫描透镜的结合保证了系统的小型化，同时整体装置模块化、集成度高、分辨率高。(2)本专利技术采用的扫描方式无需对样品进行移动，保证了被检样品的稳定性。同时二维振镜和平场扫描透镜的组合保证了扫描时不同位置的入射光聚焦到同一平面，从而保证了高分辨率清晰图像的获得。(3)本专利技术具有很高的自由度，可通过简单地更换光源和二向色镜、半透半反镜之间的切换实现近红外、红外高光谱成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，其特征在于由激发模块，扫描模块，信号采集模块和控制驱动模块四部分组成：所述的激发模块由激发光源(6)和二向色镜或半透半反镜(5)组成，将激发光源(6)发射出光源信号通过二向色镜或半透半反镜(5)反射到到扫描模块中；所述的扫描模块由二维振镜(4)和平场扫描透镜(3)组成，二维振镜(4)由两块方向不同的反射镜组成，控制驱动模块控制两块方向不同的反射镜角度的变化实现光束在二维平面内的扫描；经二维振镜(4)反射后的激光通过平场扫描透镜(3)聚焦到样品平台；所述的信号采集模块由滤光片(7)、聚焦物镜(8)、大芯径光纤(9)和光谱分析仪(10)组成，激光聚焦到样品表面后所产生的信号光经由平场扫描透镜(3)、二维振镜(4)、半透半反镜或二向色镜(5)后，由滤光片(7)滤除反射回的无用杂散光，过滤后的信号光则通过聚焦物镜(8)聚焦到特制的大芯径光纤(9)中，光纤收集到的光信号再传输到光谱分析仪(10)。

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，其特征在于由激发模块，扫描模块，信号采集模块和控制驱动模块四部分组成：所述的激发模块由激发光源(6)和二向色镜或半透半反镜(5)组成，将激发光源(6)发射出光源信号通过二向色镜或半透半反镜(5)反射到到扫描模块中；所述的扫描模块由二维振镜(4)和平场扫描透镜(3)组成，二维振镜(4)由两块方向不同的反射镜组成，控制驱动模块控制两块方向不同的反射镜角度的变化实现光束在二维平面内的扫描；经二维振镜(4)反射后的激光通过平场扫描透镜(3)聚焦到样品平台；所述的信号采集模块由滤光片(7)、聚焦物镜(8)、大芯径光纤(9)和光谱分析仪(10)组成，激光聚焦到样品表面后所产生的信号光经由平场扫描透镜(3)、二维振镜(4)、半透半反镜或二向色镜(5)后，由滤光片(7)滤除反射回的无用杂散光，过滤后的信号光则通过聚焦物镜(8)聚焦到特制的大芯径光纤(9)中，光纤收集到的光信号再传输到光谱分析仪(10)。2.根据权利要求1所述的基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，其特征在于：所述的信号采集模块中的滤光片、聚焦物镜、光纤接头和激发模块中的激发光源和二向色镜或半透半反镜集成到一个封闭模块中，再与扫描模块和光谱分析仪连接。3.根据权利要求2所述的基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，其特征在于：所述的控制驱动模块由高速数据采集卡(12)、驱动电路(13)组成；计算机控制数据采集卡输出模拟信号，经由驱动电路控制二维振镜进行扫描，并同时同步记录光谱分析仪所采集得的光谱信号。4.根据权利要求1所述的基于高光谱成像的混合物粉末无损定量检测装置，其特征在于：所述的光源(6)为激光光源或宽谱光源；当系统工作在近红外、红外高光谱成像模式时，采用宽谱光源与半透半反镜的组合；当系统工作在荧光、拉曼高光谱成像模式时，采用激光光源和二向色镜的组合。5.一种使用权利要求1-4任一所述的混合物粉末无损定量检测装置的检测方法，其特征在于按照如下步骤进行：(1)样品制备：将待测混合粉末样品均匀混合并按压平整后，置于样品平台上；(2)高光谱信号采集：根据所需采用光谱技术选择光源，半透半反镜与二向色镜，设置参数并扫描，记录每个扫描点由光谱仪收集到的光谱信号xk，其中k代表光谱曲线所含变量数；(3)光谱预处理：对采集到的三维光谱数据Xm*n*k展开为二维数据Xmn*k，其中m，n分别代表检测时所扫描的行数和列数，故二维数据矩阵Xmn*k中的每一行代表每一扫描点的光谱；对该光谱数据预处理后，得到预处理后新光谱数据X′mn*k；(4)光谱数据分析：采用多元曲线分辨算法，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：何赛灵，董泳江，
申请(专利权)人：常熟市浙大紫金光电技术研究中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32