一种用于含水透明组织的透射光谱成像仪

摘要

本发明公开了一种用于含水透明组织的透射光谱成像仪，该仪器由嵌入式主控制器、太赫兹扫描成像子系统、多光谱成像子系统、样品室和无线局域网收发器组成。本发明的有益效果是，提供了超连续谱匀光激光源的照明透射成像方法以及太赫兹扫描透镜成像方法，结合标准透明液体样校正，可获取重要生物资源样品的结构、纹理、密度、透过率等组织特征，有利于得到含有多种信息的透射光谱图像，方便海关进出口检测检疫部门进行重要生物资源的溯源、鉴别及保护。

权利要求

1.一种用于含水透明组织的透射光谱成像仪，由嵌入式主控制器(1)、太赫兹扫描成像子系统(2)、多光谱成像子系统(23)、样品室(8)和无线局域网收发器(26)组成；其特征在于：

所述的太赫兹扫描成像子系统(2)由发射头(5)、接收头(13)、两维电动平台(30)和扫描与切换控制器(3)组成；发射头(5)包括太赫兹源(4)与太赫兹发射透镜(7)；接收头(13)包括太赫兹接收透镜(33)与太赫兹传感器(29)；发射头(5)与接收头(13)以太赫兹光轴(6)为轴线同轴安装，并固定于两维电动平台(30)上；两维电动平台(30)在扫描与切换控制器(3)的控制下做二维平面扫描；

所述的多光谱成像子系统(23)由滤光片轮(14)、滤光片轮控制器(15)、带通滤光片(16)、超连续谱激光器(18)、光纤耦合镜(19)、一分多光纤(20)、匀光器(21)、二次匀光板(11)、多光谱相机(22)、多光谱成像镜头(24)与全反镜(25)组成；滤光片轮(14)上装有多片带通滤光片(16)，在滤光片轮控制器(15)的控制下依次切入激光光轴(17)；

所述的样品室(8)内有样品池(9)、标准透明液体样(31)和切换器(32)，样品(10)装进样品池(9)后，插入样品室(8)对应槽口；切换器(32)控制切换标准透明液体样(31)或样品池(9)插入样品室；标准透明液体样(31)与样品池(9)平面尺寸一致；

所述的超连续谱激光器(18)发出可见至中红外谱段的超连续谱激光，沿激光光轴(17)传输，经光纤耦合镜(19)与某一带通滤光片(16)后，输出为某一通带的激光，耦合进一分多光纤(20)，进行一至多分束；一分多光纤(20)的多输出光纤均匀安置分布在匀光器(21)平面上；匀光器(21)平面为漫透射平面，使透过光束得到匀光效果；匀光后的通带激光束经全反镜(25)反射后转向主光轴(12)，再透过二次匀光板(11)后，其表面发出的光分布更均匀，当其照明在样品室(8)的样品(10)上，其透射光沿主光轴(12)经多光谱成像镜头(24)成像到多光谱相机(22)上；激光光轴(17)与主光轴(12)共面，激光光轴(17)垂直于主光轴(12)；

所述的太赫兹源(4)发出太赫兹波段的电磁波，沿太赫兹光轴(6)经太赫兹发射透镜(7)会聚于一定距离的目标上；扫描与切换控制器(3)除了控制两维电动平台(30)做二维平面扫描外，还控制其带动发射头(5)、接收头(13)切入与切出样品室的空间范围，切入时为工作区(27)，此时为工作状态；切出时为非工作区(28)，此时为非工作状态；在工作状态时，太赫兹发射透镜(7)将沿太赫兹光轴(6)传输过来的太赫兹波会聚于样品(10)上的某一点；

两维电动平台(30)做二维平面扫描，实现对样品(10)平面所有点的太赫兹波聚焦；从样品(10)太赫兹波聚焦点透射出的太赫兹波继续沿太赫兹光轴(6)传输，通过太赫兹接收透镜(33)，会聚于太赫兹传感器(29)被接收；主光轴(12)与太赫兹光轴(6)两者共面平行；

所述的嵌入式主控制器(1)内的主机软件实现仪器的人机交互，数据库构建、查询、远程传输，图像信息的融合、分析、分类鉴别；其输入输出端口控制程序实现对无线局域网收发器(26)、切换器(32)、滤光片轮控制器(15)、太赫兹源(4)、扫描与切换控制器(3)、超连续谱激光器(18)、多光谱相机(22)与太赫兹传感器(29)的控制，并接收多光谱相机(22)的输出图像与太赫兹传感器(29)的单点输出信号，并通过无线局域网收发器(26)网络连出入境部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询。

说明书

一种用于含水透明组织的透射光谱成像仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种透射式光谱成像仪，尤其涉及一种采用超连续谱匀光激光源照明结合单光束扫描太赫兹源的标准透射式成像仪器及方法，适用于动植物含水透明组织的成像分析，属于光电成像领域。

背景技术

[0002] 在进出口领域，各国对重要的生物资源的进出口大都采取严格控制的措施。例如美国农业部动植检疫局规定，禁止家畜、种蛋、动物精液、血样、胚胎、排泄物等遗传物质出入境。近年来，中国出口的动植物逐年增多，但目前尚未建立完善的原产地鉴定、物性及遗传表征等元数据库。加强对特殊的战略生物资源的保护和原产地溯源研究以及开发各类遗传资源样品的非接触式检测系统势在必行。

[0003] 在珍稀动物血液、尿液、精液以及植物经乳酸浸渍后的叶片等样本的物性及遗传表征元数据库构建方面，高分辨率的多光谱图像可反映出其结构、纹理、透明度、形态等多方面的特征，是可行高效的技术手段。

[0004] 本发明采用超连续谱匀光激光源的透射光谱成像方法，用于获取珍稀动物血液、尿液、精液以及植物经乳酸浸渍后的叶片等样本的可见及中红外谱段多光谱标准透过率图像；采用单光束扫描太赫兹源的方法获取其太赫兹谱段标准透过率图像。在两种技术的支撑下发明一种用于珍稀动植物进出口保护的综合透射光谱成像仪，可用于动植物资源的物性建库及甄别，方便海关进出口检测检疫部门进行重要生物资源的溯源、鉴别及保护。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种标准超连续谱成像与扫描太赫兹成像的综合透射成像仪器，可获取珍稀动物血液、尿液、精液以及植物经乳酸浸渍后的叶片等重要生物资源样品的可见、中红外、太赫兹谱段的标准透过率图像，用于重要生物资源的建库、溯源、鉴别及保护。

[0006] 本发明是这样来实现的：

[0007] 本发明提出的综合光谱成像仪由嵌入式主控制器、太赫兹扫描成像子系统、多光谱成像子系统、样品室和无线局域网收发器组成；

[0008] 其中太赫兹扫描成像子系统由发射头、接收头、两维电动平台和扫描与切换控制器组成；发射头包括太赫兹源与太赫兹发射透镜；接收头包括太赫兹接收透镜与太赫兹传感器；发射头与接收头以太赫兹光轴为轴线同轴安装，并固定于两维电动平台上；两维电动平台在扫描与切换控制器的控制下可做二维平面扫描；

[0009] 多光谱成像子系统由滤光片轮、滤光片轮控制器、带通滤光片、超连续谱激光器、光纤耦合镜、一分多光纤、匀光器、二次匀光板、多光谱相机、多光谱成像镜头与全反镜组成；滤光片轮上装有多片带通滤光片，在滤光片轮控制器的控制下可依次切入激光光轴；

[0010] 样品室内有样品池、标准透明液体样和切换器，样品装进样品池后，插入样品室对应槽口；切换器控制切换标准透明液体样或样品池插入样品室；标准透明液体样与样品池平面尺寸一致；

[0011] 超连续谱激光器发出可见至中红外谱段的超连续谱激光，沿激光光轴传输，经光纤耦合镜与某一带通滤光片后，输出为某一通带的激光，耦合进一分多光纤，进行一至多分束；一分多光纤的多输出光纤均匀安置分布在匀光器平面上；匀光器平面为漫透射平面，可使透过光束得到匀光效果；匀光后的通带激光束经全反镜反射后转向主光轴，再透过二次匀光板后，其表面发出的光分布更均匀，当其照明在样品室的样品上，其透射光沿主光轴经多光谱成像镜头成像到多光谱相机上；激光光轴与主光轴共面，激光光轴垂直于主光轴；

[0012] 太赫兹源可发出太赫兹波段的电磁波，沿太赫兹光轴经太赫兹发射透镜可会聚于一定距离的目标上；扫描与切换控制器除了可以控制两维电动平台做二维平面扫描外，还可控制其带动发射头、接收头切入与切出样品室的空间范围，切入时为工作区，此时为工作状态；切出时为非工作区，此时为非工作状态；在工作状态时，太赫兹发射透镜将沿太赫兹光轴传输过来的太赫兹波会聚于样品上的某一点；两维电动平台做二维平面扫描，可实现对样品平面所有点的太赫兹波聚焦；从样品太赫兹波聚焦点透射出的太赫兹波继续沿太赫兹光轴传输，通过太赫兹接收透镜，会聚于太赫兹传感器被接收；主光轴与太赫兹光轴两者共面平行；

[0013] 嵌入式主控制器内的主机软件可实现仪器的人机交互，数据库构建、查询、远程传输，图像信息的融合、分析、分类鉴别；其输入输出端口控制程序可实现对无线局域网收发器、切换器、滤光片轮控制器、太赫兹源、扫描与切换控制器、超连续谱激光器、多光谱相机与太赫兹传感器的控制，并接收多光谱相机的输出图像与太赫兹传感器的单点输出信号，并通过无线局域网收发器网络联连出入境部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

[0014] 本发明提出的综合透射光谱成像方法包括以下步骤：

[0015] (1)激光多光谱透射定标

[0016] 嵌入式主控制器启动扫描与切换控制器，控制两维电动平台带动发射头、接收头进入非工作区，此时太赫兹扫描成像子系统为非工作状态；嵌入式主控制器控制开启超连续谱激光器与多光谱相机，启动切换器将标准透明液体样切入样品室，启动滤光片轮控制器将第一片带通滤光片切入激光光轴，此时标准透明液体样第一通带的透射光被成像至多光谱相机，然后多光谱机相将该第一通带标准透射图像传至嵌入式主控制器；

[0017] 完成了第一通带的标准透射图像获取后，嵌入式主控制器启动滤光片轮控制器将第二片带通滤光片切入激光光轴，此时标准透明液体样第二通带的透射光被成像至多光谱相机，然后多光谱机相将该第二通带标准透射图像传至嵌入式主控制器；从而完成了第二个通带的标准透射图像的获取；

[0018] 类似地，依次完成第三、第四、...直至最后一个通带标准透明液体样的激光多光谱标准透射图像获取；

[0019] (2)太赫兹扫描透射定标

[0020] 嵌入式主控制器控制关闭超连续谱激光器与多光谱相机；嵌入式主控制器控制开启太赫兹源、太赫兹传感器、启动扫描与切换控制器，控制两维电动平台带动发射头、接收头进入工作区，此时太赫兹扫描成像子系统为工作状态；扫描与切换控制器控制两维电动平台带动发射头、接收头进行二维平面扫描，其扫描范围覆盖标准透明液体样所在平面，扫描过程中，太赫兹传感器逐点采集太赫兹透射波信号，并将其传送到嵌入式主控制器(注：通过二维扫描步长的选择，实现太赫兹扫描图像的像素尺寸与激光超连续谱图像像素尺寸一致)，由嵌入式主控制器拼合得到与上述激光多光谱标准透射图像像素排列一致的太赫兹标准透射图像；

[0021] (3)激光多光谱透射成像

[0022] 嵌入式主控制器控制关闭太赫兹源与太赫兹传感器，嵌入式主控制器启动扫描与切换控制器，控制两维电动平台带动发射头、接收头进入非工作区，此时太赫兹扫描成像子系统为非工作状态；

[0023] 嵌入式主控制器启动切换器将标准透明液体样切出样品室；将某珍稀动植物样品装进样品池后，切换器将样品池插入样品室对应槽口；嵌入式主控制器控制开启超连续谱激光器与多光谱相机，嵌入式主控制器启动滤光片轮控制器依次将第一片、第二片、...、直至最后一片带通滤光片切入激光光轴，同时，多光谱相机依次获取样品在各通带均匀激光照明下的透射图像，并传送到嵌入式主控制器；

[0024] (4)太赫兹透射扫描成像

[0025] 嵌入式主控制器控制关闭超连续谱激光器与多光谱相机；嵌入式主控制器控制开启太赫兹源、太赫兹传感器、启动扫描与切换控制器，控制两维电动平台带动发射头、接收头进入工作区，此时太赫兹扫描成像子系统为工作状态；

[0026] 扫描与切换控制器控制两维电动平台带动发射头、接收头进行二维平面扫描，其扫描范围覆盖样品池所在平面，扫描过程中，太赫兹传感器逐点采集太赫兹透射波信号(注：此时有样品放置，因此当扫描点透过样品时将对太赫兹波有吸收，当扫描点落在样品区域外时，其透射信号为最大值)，并将其传送到嵌入式主控制器，由嵌入式主控制器拼合处理得到与上述太赫兹标准透射图像像素尺寸一致的样品的太赫兹透射图像；

[0027] (5)图像计算处理与建库

[0028] 嵌入式主控制器分别将样品的各通带透射图像除以其对应的各通带标准透射图像，从而获得样品的各通带标准透过率图像(即超连续谱标准透过率图像)；类似地，嵌入式主控制器将样品的太赫兹透射图像除以其太赫兹标准透射图像，得到太赫兹标准透过率图像；将该珍稀动植物样品的超连续谱与太赫兹标准透过率图像以及其种属、产地、组织等信息汇合，构建其生物结构、纹理、含水分布等物性资源数据库，并将该样品的数据库信息通过无线局域网收发器网络送至出入境部门云系统；基于该仪器完成大量的珍稀动植物样本数据库构建以后，用该仪器对未知样品检测，得到其超连续谱与太赫兹标准透过率图像后，与珍稀动植物样本数据库进行检索、对比、识别，即可进行产地溯源、种属鉴定等，从而有效进行重要生物资源保护，维护国家生物安全。

[0029] 本发明的有益效果是，提供了超连续谱匀光激光源的照明透射成像方法以及太赫兹扫描透镜成像方法，结合标准透明液体样校正，可获取重要生物资源样品的结构、纹理、密度、透过率等组织特征，有利于得到含有多种信息的透射光谱图像，方便海关进出口检测检疫部门进行重要生物资源的溯源、鉴别及保护。

附图说明

[0030] 图1为本发明系统结构示意图，图中：1——嵌入式主控制器；2——太赫兹扫描成像子系统；3——扫描与切换控制器；4——太赫兹源；5——发射头；6——太赫兹光轴；7——太赫兹发射透镜；8——样品室；9——样品池；10——样品；11——二次均光板；
12——主光轴；13——接收头；14——滤光片轮；15——滤光片轮控制器；16——带通滤光片；17——激光光轴；18——超连续谱激光器；19——光纤耦合镜；20——一分多光纤；
21——匀光器；22——多光谱相机；23——多光谱成像子系统；24——多光谱成像镜头；
25——全反镜；26——无线局域网收发器；27——工作区；28——非工作区；29——太赫兹传感器；30——两维电动平台；31——标准透明液体样；32——切换器；33——太赫兹接收透镜。

具体实施方式

[0031] 本发明具体实施方式如图1所示。

[0032] 本发明提出的综合光谱成像仪由嵌入式主控制器1、太赫兹扫描成像子系统2、多光谱成像子系统23、样品室8和无线局域网收发器26组成；

[0033] 其中太赫兹扫描成像子系统2由发射头5、接收头13、两维电动平台30和扫描与切换控制器3组成；发射头5包括太赫兹源4与太赫兹发射透镜7；接收头13包括太赫兹接收透镜33与太赫兹传感器29；发射头5与接收头13以太赫兹光轴6为轴线同轴安装，并固定于两维电动平台30上；两维电动平台30在扫描与切换控制器3的控制下可做二维平面扫描；

[0034] 多光谱成像子系统23由滤光片轮14、滤光片轮控制器15、带通滤光片16、超连续谱激光器18、光纤耦合镜19、一分多光纤20、匀光器21、二次匀光板11、多光谱相机22、多光谱成像镜头24与全反镜25组成；滤光片轮14上装有多片带通滤光片16(注：本实施例为6片，将400-2500nm谱段分为6个通带)，在滤光片轮控制器15的控制下可依次切入激光光轴17；

[0035] 样品室8内有样品池9、标准透明液体样31和切换器32，样品10装进样品池9后，插入样品室8对应槽口；切换器32控制切换标准透明液体样31或样品池9插入样品室；标准透明液体样31与样品池9平面尺寸一致；

[0036] 超连续谱激光器18(注：本实施例其光谱范围400-2500nm，平均功率2W)发出可见至中红外谱段的超连续谱激光，沿激光光轴17传输，经光纤耦合镜19与某一带通滤光片16后，输出为某一通带的激光，耦合进一分多光纤20，进行一至多分束(注：本实施例采用一分十六光纤)；一分多光纤20的多输出光纤均匀安置分布在匀光器21平面上；匀光器21平面为漫透射平面，可使透过光束得到匀光效果；匀光后的通带激光束经全反镜25反射后转向主光轴12，再透过二次匀光板11后，其表面发出的光分布更均匀，当其照明在样品室8的样品10上，其透射光沿主光轴12经多光谱成像镜头24成像到多光谱相机22上；激光光轴17与主光轴12共面，激光光轴17垂直于主光轴12；

[0037] 太赫兹源4可发出太赫兹波段的电磁波，沿太赫兹光轴6经太赫兹发射透镜7可会聚于一定距离的目标上；扫描与切换控制器3除了可以控制两维电动平台30做二维平面扫描外，还可控制其带动发射头5、接收头13切入与切出样品室的空间范围，切入时为工作区27，此时为工作状态；切出时为非工作区28，此时为非工作状态；在工作状态时，太赫兹发射透镜7将沿太赫兹光轴6传输过来的太赫兹波会聚于样品10上的某一点；两维电动平台30做二维平面扫描，可实现对样品10平面所有点的太赫兹波聚焦；从样品10太赫兹波聚焦点透射出的太赫兹波继续沿太赫兹光轴6传输，通过太赫兹接收透镜33，会聚于太赫兹传感器29被接收；主光轴12与太赫兹光轴6两者共面平行；

[0038] 嵌入式主控制器1内的主机软件可实现仪器的人机交互，数据库构建、查询、远程传输，图像信息的融合、分析、分类鉴别；其输入输出端口控制程序可实现对无线局域网收发器26、切换器32、滤光片轮控制器15、太赫兹源4、扫描与切换控制器3、超连续谱激光器18、多光谱相机22与太赫兹传感器29的控制，并接收多光谱相机22的输出图像与太赫兹传感器29的单点输出信号，并通过无线局域网收发器26网络联连出入境部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

[0039] 本发明提出的综合透射光谱成像方法包括以下步骤：

[0040] (1)激光多光谱透射定标

[0041] 嵌入式主控制器1启动扫描与切换控制器3，控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进入非工作区28，此时太赫兹扫描成像子系统2为非工作状态；嵌入式主控制器1控制开启超连续谱激光器18与多光谱相机22，启动切换器32将标准透明液体样31切入样品室，启动滤光片轮控制器15将第一片带通滤光片16切入激光光轴17，此时标准透明液体样31第一通带的透射光被成像至多光谱相机22，然后多光谱机相22将该第一通带标准透射图像传至嵌入式主控制器1；

[0042] 完成了第一通带的标准透射图像获取后，嵌入式主控制器1启动滤光片轮控制器15将第二片带通滤光片16切入激光光轴17，此时标准透明液体样31第二通带的透射光被成像至多光谱相机22，然后多光谱机相22将该第二通带标准透射图像传至嵌入式主控制器1；
从而完成了第二个通带的标准透射图像的获取；

[0043] 类似地，依次完成第三、第四、...直至最后一个通带(注：本实施例为6个通带)标准透明液体样31的激光多光谱标准透射图像获取；

[0044] (2)太赫兹扫描透射定标

[0045] 嵌入式主控制器1控制关闭超连续谱激光器18与多光谱相机22；嵌入式主控制器1控制开启太赫兹源4(注：本实施例中为2.5THz太赫兹级联激光器)、太赫兹传感器29、启动扫描与切换控制器3，控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进入工作区27，此时太赫兹扫描成像子系统2为工作状态；扫描与切换控制器3控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进行二维平面扫描，其扫描范围覆盖标准透明液体样31所在平面，扫描过程中，太赫兹传感器29逐点采集太赫兹透射波信号，并将其传送到嵌入式主控制器1(注：通过二维扫描步长的选择，实现太赫兹扫描图像的像素尺寸与激光超连续谱图像像素尺寸一致，本实施例图像分辨率均为2560*1920)，由嵌入式主控制器1拼合得到与上述激光多光谱标准透射图像像素排列一致的太赫兹标准透射图像；

[0046] (3)激光多光谱透射成像

[0047] 嵌入式主控制器1控制关闭太赫兹源4与太赫兹传感器29，嵌入式主控制器1启动扫描与切换控制器3，控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进入非工作区28，此时太赫兹扫描成像子系统2为非工作状态；

[0048] 嵌入式主控制器1启动切换器32将标准透明液体样31切出样品室；将某珍稀动植物样品10装进样品池9后，切换器32将样品池9插入样品室8对应槽口；嵌入式主控制器1控制开启超连续谱激光器18与多光谱相机22，嵌入式主控制器1启动滤光片轮控制器15依次将第一片、第二片、...、直至最后一片带通滤光片16切入激光光轴17，同时，多光谱相机22依次获取样品10在各通带均匀激光照明下的透射图像，并传送到嵌入式主控制器1；

[0049] (4)太赫兹透射扫描成像

[0050] 嵌入式主控制器1控制关闭超连续谱激光器18与多光谱相机22；嵌入式主控制器1控制开启太赫兹源4、太赫兹传感器29、启动扫描与切换控制器3，控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进入工作区27，此时太赫兹扫描成像子系统2为工作状态；

[0051] 扫描与切换控制器3控制两维电动平台30带动发射头5、接收头13进行二维平面扫描，其扫描范围覆盖样品池9所在平面，扫描过程中，太赫兹传感器29逐点采集太赫兹透射波信号(注：此时有样品10放置，因此当扫描点透过样品时将对太赫兹波有吸收，当扫描点落在样品区域外时，其透射信号为最大值)，并将其传送到嵌入式主控制器1，由嵌入式主控制器1拼合处理得到与上述太赫兹标准透射图像像素尺寸一致的样品10的太赫兹透射图像；

[0052] (5)图像计算处理与建库

[0053] 嵌入式主控制器1分别将样品10的各通带透射图像除以其对应的各通带标准透射图像，从而获得样品10的各通带标准透过率图像(即超连续谱标准透过率图像)；类似地，嵌入式主控制器1将样品10的太赫兹透射图像除以其太赫兹标准透射图像，得到太赫兹标准透过率图像；将该珍稀动植物样品10的超连续谱与太赫兹标准透过率图像以及其种属、产地、组织等信息汇合，构建其生物结构、纹理、含水分布等物性资源数据库，并将该样品10的数据库信息通过无线局域网收发器26网络送至出入境部门云系统；基于该仪器完成大量的珍稀动植物样本数据库构建以后，用该仪器对未知样品检测，得到其超连续谱与太赫兹标准透过率图像后，与珍稀动植物样本数据库进行检索、对比、识别，即可进行产地溯源、种属鉴定等，从而有效进行重要生物资源保护，维护国家生物安全。