阅读说明：本技术 一种微区重要生物资源像谱分析仪 (Image spectrum analyzer for important biological resources in micro-area ) 是由 万雄 王泓鹏 袁汝俊 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微区重要生物资源像谱分析仪,该仪器主要由三维电动平台、宽谱物镜、第一宽谱半反半透镜、第二宽谱半反半透镜、中红外光纤耦合镜、中红外光纤、中红外光纤光谱仪、出射圆孔、光纤接口、宽谱光纤、超连续谱激光器、积分球、可见光镜头、彩色可见光面阵传感器、主分析控制器、近红外LCTF、LCTF控制器、无线网络收发器、近红外镜头、近红外面阵传感器、双色片组成。本发明的有益效果是,有可见光段采用彩色面阵探测器,利用三原色得到三个波长的图像,有效减少可见光段多光谱成像的成本；可见光段彩色面阵成像与LCTF近红外多光谱成像采用共轭配置,可方便实现图像配准与信息融合；在中红外段仅采用光谱分析,可节约成本,提高效率；三种像谱手段采用同轴同物镜同时采集,高效准确。(The invention discloses an image analyzer for important biological resources in a micro-area, which mainly comprises a three-dimensional electric platform, a wide-spectrum objective lens, a first wide-spectrum semi-reflecting and semi-transmitting lens, a second wide-spectrum semi-reflecting and semi-transmitting lens, a middle infrared optical fiber coupling lens, a middle infrared optical fiber spectrometer, an exit circular hole, an optical fiber interface, a wide-spectrum optical fiber, a super-continuum laser, an integrating sphere, a visible light lens, a color visible light array sensor, a main analysis controller, a near infrared LCTF, an LCTF controller, a wireless network transceiver, a near infrared lens, a near infrared array sensor and a double-color chip. The invention has the advantages that the visible light section adopts a color area array detector, and three-color images with three wavelengths are obtained, so that the cost of multispectral imaging of the visible light section is effectively reduced; the visible light section color area array imaging and the LCTF near-infrared multispectral imaging adopt conjugate configuration, so that image registration and information fusion can be conveniently realized; only spectral analysis is adopted in the middle infrared section, so that the cost can be saved and the efficiency can be improved; the three image spectrum means adopt coaxial simultaneous acquisition with the objective lens, and are efficient and accurate.)

一种微区重要生物资源像谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种微区超连续成像光谱检测仪器，尤其涉及一种基于超连续谱源、均光照明、可见彩色相机、近红外多光谱成像、中红外光谱分析的微区像谱检测分析系统，适用于重要动植物资源样品的颜色、纹理、结构成像,及有机质分析，属于光电检测领域。

背景技术

重要生物资源指的是本国珍稀的具有重要经济、遗传、药用、科研、社会价值的动物、植物、微生物。对这些重要生物资源的出入境，各个国家大都制定法规加以严格的管控。例如美国农业部有相关的法规，彻底制止动物家畜类、动物的血液、胚胎、蛋以及***物等的出境和入境。我国近年来，随着经济的发展和进出口的急增，每年出口的动物植物及其制品逐年递增，不可避免地导致重要生物资源流失的风险，对进出口检测检疫部门提出了迫切的要求和巨大的挑战。

目前我国尚未建立重要生物资源较全面完备的包括原产地分布、生物特性、遗传类信息及表征等数据库。为了加强对重要生物资源的保护，以及对生物资源的鉴别、溯源，都使得开发各种生物资源样品的检测装置及系统势在必行。

为了实现重要生物资源出入境检测、管控、溯源方面，其形貌纹理及有机质分布等外在内在信息的获取是基础。出于对海关出入境检测的快速高效及便捷性的考虑，要求相关的检测仪器结构简单稳定及操作方便，并且尽可能节约成本及减少仪器的体积重量及功耗。

基于以上的需求，本发明提出一种基于超连续谱源、均光照明、可见彩色相机、近红外多光谱成像、中红外光谱分析相结合的像谱检测系统，适用于重要动植物资源样品的颜色、纹理、结构成像及有机质分析,可用于对重要动植物资源进行物性建库及甄别，方便海关进出口检测检疫部门进行出境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微区重要生物资源像谱分析仪，可获取重要动植物资源样品可见光段高分辨三原色及全色反射率图像，反映出样品颜色、纹理的信息，及近红外高光谱反射率图像，反映出样品内部结构等信息，和中红外反射光谱，反映出样品主要有机质构成的信息，可用于海关进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源。

本发明提出的微区重要生物资源像谱分析仪主要由三维电动平台、宽谱物镜、第一宽谱半反半透镜、第二宽谱半反半透镜、中红外光纤耦合镜、中红外光纤、中红外光纤光谱仪、出射圆孔、光纤接口、宽谱光纤、超连续谱激光器、积分球、可见光镜头、彩色可见光面阵传感器、主分析控制器、近红外LCTF、LCTF控制器、无线网络收发器、近红外镜头、近红外面阵传感器、双色片组成。

其中，积分球内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，用于将进入的光线进行匀光处理，积分球开小孔安装光纤接口，开大孔安装出射圆孔；超连续谱激光器通过宽谱光纤接至光纤接口；超连续谱激光器发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，先进入宽谱光纤传输，然后通过光纤接口，进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔沿照射光轴出射；

宽谱物镜用于将匀光超连续谱激光束进行聚焦照明至样品架上的重要动植物资源样品上，并收集其后向宽谱反射光；

可见光镜头用于将重要动植物资源样品的后向可见光部分的反射光成像至彩色可见光面阵传感器；

近红外LCTF在LCTF控制器的控制下可连续改变通过近红外LCTF的光的波长，然后通过近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取近红外谱段的多光谱图像；

可见光镜头到双色片的距离L1与近红外镜头至双色片的距离L2相等，且彩色可见光面阵传感器与近红外面阵传感器的像素相同，即可见光与近红外成像满足共轭关系，有利于信息融合；

中红外光纤耦合镜可将中红外光耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪进行中红外光谱分析；

中红外光轴、照射光轴、近红外光轴、主光轴四者共面，其中中红外光轴与近红外光轴平行，主光轴与照射光轴平行；主光轴与中红外光轴垂直；第一宽谱半反半透镜与第二宽谱半反半透镜平行安装，都与主光轴夹角45度；双色片与第一宽谱半反半透镜垂直安装，且与主光轴夹角45度；

样品架装在三维电动平台上，可随三维电动平台沿纵横及高度三个方向XYZ做精确平移，从而实现自动对焦及成像区域的拼接；

主分析控制器内的主机软件可实现系统的人机交互，采集可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱数据；并构建相对应的数据库，进行数据库的查询和远程传输；实现可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱信息的融合、分析与分类鉴别；主分析控制器输入输出端口控制程序可实现对中红外光纤光谱仪、三维电动平台、超连续谱激光器、彩色可见光面阵传感器、近红外面阵传感器、LCTF控制器的控制，并接收彩色可见光面阵传感器的输出图像、近红外面阵传感器的输出多光谱图像、中红外光纤光谱仪的光谱数据；并通过无线网络收发器联接海关部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

本发明提出的微区重要生物资源像谱分析方法包括以下步骤：

(1)初始自聚焦及定标

将一标准白板放在样品架上；主分析控制器控制开启超连续谱激光器、彩色可见光面阵传感器、近红外面阵传感器与中红外光纤光谱仪，并设定中红外光纤光谱仪的曝光参数；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台移动到起始位置；超连续谱激光器发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔沿照射光轴出射，经第二宽谱半反半透镜反射，沿中红外光轴传输，经第一宽谱半反半透镜反射转至主光轴，由上至下经宽谱物镜照射至样品架上的标准白板上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到标准白板中红外谱段的反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外反射光谱信号的总强度，设其为I；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算I，直至I达到最大值I_max，此时，成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时标准白板的中红外反射光谱曲线I(λ)；在此自聚焦状态下，标准白板的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；主分析控制器发出指令启动LCTF控制器，LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λ_k＝λ₀+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λ_k下，近红外谱段标准白板的多光谱图像W_k(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取标准白板的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像R_w(x,y)、G_w(x,y)、B_w(x,y)、C_w(x,y)；

(2)微区重要生物资源像谱获取

将标准白板取下，将重要动植物资源样品放在样品架上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到重要动植物资源样品在宽谱物镜成像区域的中红外平均反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外平均反射光谱信号的总强度，设其为S；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算S，直至S达到最大值S_max，此时，重要动植物资源样品的成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时重要动植物资源样品的中红外反射光谱曲线S(λ)；在此自聚焦状态下，重要动植物资源样品的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λ_k＝λ₀+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λ_k下，近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱图像S_k(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取重要动植物资源样品的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像R_s(x,y)、G_s(x,y)、B_s(x,y)、C_s(x,y)；

(3)像谱数据后处理

主分析控制器将所有存储的像谱数据做如下运算处理：

重要动植物资源样品的红色反射率图像r(x,y)＝R_s(x,y)/R_w(x,y)；

绿色反射率图像g(x,y)＝G_s(x,y)/G_w(x,y)；

蓝色反射率图像b(x,y)＝B_s(x,y)/B_w(x,y)；

全色反射率图像c(x,y)＝C_s(x,y)/C_w(x,y)；

近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱反射率图像

s_k(x,y)＝S_k(x,y)/W_k(x,y)；

中红外谱段重要动植物资源样品的标准反射率曲线

s(λ)＝S(λ)/I(λ)；

主分析控制器将该重要动植物资源样品的完整像谱数据，构建其特征数据库，并将数据库信息通过无线网络收发器送至出入境监管部门云系统；从而有效进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源，维护国家生物安全。

本发明的有益效果是，有可见光段采用彩色面阵探测器，利用三原色得到三个波长的图像，有效减少可见光段多光谱成像的成本；可见光段彩色面阵成像与LCTF近红外多光谱成像采用共轭配置，可方便实现图像配准与信息融合；在中红外段仅采用光谱分析，可节约成本，提高效率；三种像谱手段采用同轴同物镜同时采集，高效准确。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——三维电动平台；2——样品架；3——宽谱物镜；4——第一宽谱半反半透镜；5——中红外光轴；6——双色片；7——第二宽谱半反半透镜；8——中红外光纤耦合镜；9——中红外光纤；10——中红外光纤光谱仪；11——照射光轴；12——出射圆孔；13——光纤接口；14——宽谱光纤；15——超连续谱激光器；16——积分球；17——可见光镜头；18——彩色可见光面阵传感器；19——主分析控制器；20——近红外LCTF；21——LCTF控制器；22——无线网络收发器；23——近红外镜头；24——近红外面阵传感器；25——近红外光轴；26——主光轴；27——重要动植物资源样品。

注：LCTF，即Liquid Crystal Tunable Filter，液晶可调谐光学滤光器

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的微区重要生物资源像谱分析仪主要由三维电动平台1、宽谱物镜3、第一宽谱半反半透镜4、第二宽谱半反半透镜7、中红外光纤耦合镜8、中红外光纤9、中红外光纤光谱仪10、出射圆孔12、光纤接口13、宽谱光纤14、超连续谱激光器15、积分球16、可见光镜头17、彩色可见光面阵传感器18、主分析控制器19、近红外LCTF 20、LCTF控制器21、无线网络收发器22、近红外镜头23、近红外面阵传感器24、双色片6组成。

其中，积分球16内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，用于将进入的光线进行匀光处理，积分球16开小孔安装光纤接口13，开大孔安装出射圆孔12；超连续谱激光器15(注：本实施例其光谱范围400-2400nm，平均功率5W)通过宽谱光纤14(注：本实施例其内芯径为50微米)接至光纤接口13(注：本实施为FC光纤接口)；超连续谱激光器15发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，先进入宽谱光纤14传输，然后通过光纤接口13，进入积分球16内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔12沿照射光轴11出射；

宽谱物镜3用于将匀光超连续谱激光束进行聚焦照明至样品架2上的重要动植物资源样品27上，并收集其后向宽谱(注：从可见光到中红外)反射光；

可见光镜头17用于将重要动植物资源样品27的后向可见光部分(注：本实施例为400-750nm)的反射光成像至彩色可见光面阵传感器18；

近红外LCTF 20在LCTF控制器21的控制下可连续改变通过近红外LCTF 20的光的波长，然后通过近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取近红外谱段(注：本实施例为750-1100nm)的多光谱图像；

可见光镜头17到双色片6的距离L1与近红外镜头23至双色片6的距离L2相等，且彩色可见光面阵传感器18与近红外面阵传感器24的像素相同，即可见光与近红外成像满足共轭关系，有利于信息融合；

中红外光纤耦合镜8可将中红外光耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10(注：本实施例光谱范围为1100-2500nm)进行中红外光谱分析；

中红外光轴5、照射光轴11、近红外光轴25、主光轴26四者共面，其中中红外光轴5与近红外光轴25平行，主光轴26与照射光轴11平行；主光轴26与中红外光轴5垂直；第一宽谱半反半透镜4与第二宽谱半反半透镜7平行安装，都与主光轴26夹角45度；双色片6与第一宽谱半反半透镜4垂直安装，且与主光轴26夹角45度；

样品架2装在三维电动平台1上，可随三维电动平台1沿纵横及高度三个方向XYZ做精确平移，从而实现自动对焦及成像区域的拼接；

主分析控制器19内的主机软件可实现系统的人机交互，采集可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱数据；并构建相对应的数据库，进行数据库的查询和远程传输；实现可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱信息的融合、分析与分类鉴别；主分析控制器19输入输出端口控制程序可实现对中红外光纤光谱仪10、三维电动平台1、超连续谱激光器15、彩色可见光面阵传感器18、近红外面阵传感器24、LCTF控制器21的控制，并接收彩色可见光面阵传感器18的输出图像、近红外面阵传感器24的输出多光谱图像、中红外光纤光谱仪10的光谱数据；并通过无线网络收发器22联接海关部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

本发明提出的微区重要生物资源像谱分析方法包括以下步骤：

(1)初始自聚焦及定标

将一标准白板放在样品架2上；主分析控制器19控制开启超连续谱激光器15、彩色可见光面阵传感器18、近红外面阵传感器24与中红外光纤光谱仪10，并设定中红外光纤光谱仪10的曝光参数；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平台1移动到起始位置；超连续谱激光器15发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，进入积分球16内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔12沿照射光轴11出射，经第二宽谱半反半透镜7反射，沿中红外光轴5传输，经第一宽谱半反半透镜4反射转至主光轴26，由上至下经宽谱物镜3照射至样品架2上的标准白板上，其超连续谱反射光(注：本实施例为400-2500nm)从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，经第一宽谱半反半透镜4反射转至中红外光轴5，穿过第二宽谱半反半透镜7，经中红外光纤耦合镜8耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10，得到标准白板中红外谱段的反射光谱信号，然后送至主分析控制器19进行分析；主分析控制器19计算该中红外反射光谱信号的总强度(注：光谱曲线包围的总面积)，设其为I；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平台1沿z向上下移动，同时不断计算I，直至I达到最大值I_max，此时，成像区域完成了自聚焦；主分析控制器19记录此时标准白板的中红外反射光谱曲线I(λ)；在此自聚焦状态下，标准白板的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，穿过第一宽谱半反半透镜4，经双色片6分成二部分；一部分为反射光(注：本实施例为750-1100nm)，经双色片6反射沿近红外光轴25传输；另一部分为透射光(注：本实施例为400-750nm)，透过双色片6，仍沿主光轴26行进；主分析控制器19发出指令启动LCTF控制器21，LCTF控制器21控制近红外LCTF 20的透射光中心波长λ_k＝λ₀+kΔλ(注：本实施例λ₀＝750nm，Δλ＝5nm，k＝0,1,2,3,4,...,70)，经双色片6的反射光，透过近红外LCTF 20，近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取不同λ_k下，近红外谱段标准白板的多光谱图像W_k(x,y)(注：x,y指的是二维图像像素的序号)，并送至主分析控制器19存储；主分析控制器19发出指令启动彩色可见光面阵传感器18，经双色片6的透射光，经可见光镜头17成像至彩色可见光面阵传感器18，可获取标准白板的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像R_w(x,y)、G_w(x,y)、B_w(x,y)、C_w(x,y)(注：下标w指的是标准白板white board的简写)；

(2)微区重要生物资源像谱获取

将标准白板取下，将重要动植物资源样品27放在样品架2上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，经第一宽谱半反半透镜4反射转至中红外光轴5，穿过第二宽谱半反半透镜7，经中红外光纤耦合镜8耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10，得到重要动植物资源样品27在宽谱物镜3成像区域的中红外平均反射光谱信号，然后送至主分析控制器19进行分析；主分析控制器19计算该中红外平均反射光谱信号的总强度(注：光谱曲线包围的总面积)，设其为S；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平台1沿z向上下移动，同时不断计算S，直至S达到最大值S_max，此时，重要动植物资源样品27的成像区域完成了自聚焦；主分析控制器19记录此时重要动植物资源样品27的中红外反射光谱曲线S(λ)；在此自聚焦状态下，重要动植物资源样品27的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，穿过第一宽谱半反半透镜4，经双色片6分成二部分；一部分为反射光，经双色片6反射沿近红外光轴25传输；另一部分为透射光，透过双色片6，仍沿主光轴26行进；LCTF控制器21控制近红外LCTF 20的透射光中心波长λ_k＝λ₀+kΔλ(注：本实施例λ₀＝750nm，Δλ＝5nm，k＝0,1,2,3,4,...,70)，经双色片6的反射光，透过近红外LCTF 20，近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取不同λ_k下，近红外谱段重要动植物资源样品27的多光谱图像S_k(x,y)(注：x,y指的是二维图像像素的序号)，并送至主分析控制器19存储；主分析控制器19发出指令启动彩色可见光面阵传感器18，经双色片6的透射光，经可见光镜头17成像至彩色可见光面阵传感器18，可获取重要动植物资源样品27的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像R_s(x,y)、G_s(x,y)、B_s(x,y)、C_s(x,y)(注：下标s指的是样品sample的简写)；

(3)像谱数据后处理

主分析控制器19将所有存储的像谱数据做如下运算处理：

重要动植物资源样品27的红色反射率图像r(x,y)＝R_s(x,y)/R_w(x,y)；

绿色反射率图像g(x,y)＝G_s(x,y)/G_w(x,y)；

蓝色反射率图像b(x,y)＝B_s(x,y)/B_w(x,y)；

全色反射率图像c(x,y)＝C_s(x,y)/C_w(x,y)；

近红外谱段重要动植物资源样品27的多光谱反射率图像

s_k(x,y)＝S_k(x,y)/W_k(x,y)；(注：本实施例k＝0,1,2,3,4,...,70，共70个多光谱反射率图像)

中红外谱段重要动植物资源样品27的标准反射率曲线

s(λ)＝S(λ)/I(λ)；

主分析控制器19将该重要动植物资源样品27的完整像谱数据，构建其特征数据库，并将数据库信息通过无线网络收发器22送至出入境监管部门云系统；从而有效进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源，维护国家生物安全。