[发明专利]智能手机成像光谱仪及其光谱识别方法

说明书

本发明提供一种智能手机成像光谱仪及其光谱识别方法，所述光谱仪包括：手机；成像部，设置在手机内，包括光源、保护窗、调制板和相机，光源发出宽光谱光束照射待测物，待测物反射的光线透过保护窗，通过调制板被散射和色散，散射和色散后的图像被相机记录；图像处理部，获得相机记录的待测物的调制图像的一维光谱数据曲线，将所述一维光谱数据曲线与已知物质的特征光谱曲线进行匹配，判断所述待测物是否包含所述已知物质以及该物质的相对含量。上述光谱仪及其光谱识别方法体积小、成本低，具有便携性。

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，更具体地，涉及一种智能手机成像光谱仪及其光谱识别方法。

背景技术

光谱仪是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器，在食品检测、环境监测、生化分析、医药卫生和水文探测等方面具有广泛应用。尽管目前光谱仪设备随科技发展逐步趋于低成本和小型化，但目前尚未有嵌入到智能手机的低成本、小型化手机光谱仪在市场上出现。

手机作为移动设备，集成了拍照、摄像、发送信息、支付等众多功能，已成为个人出行必备的智能数据终端，市场应用前景广阔。然而市场尚未有消费级手机光谱仪出现。不妨试想，当我们拥有一部手机光谱仪，在日常食材采购时可以随时对蔬菜、水果农药残留检测，对日常生活的垃圾按光谱特征来分类，那将对生活产生重要而深远的影响。

目前最可能小型化、低成本化的光谱获取技术则是计算光谱成像技术。光谱成像是同时获取物体的空间信息和光谱信息的过程，同时获取图像和光谱数据立方体的方式。传统光谱成像系统中，需要时间扫描来获得三维光谱图像数据，由于光谱成像数据量大，难以兼顾高带宽快速成像和宽光谱成像。近年来发展的计算编码光谱成像技术利用单次拍照即可实现多光谱成像，给高速光谱成像带来新的解决方案。美国Duke大学的Brady实现了基于透光和不透光的二元编码板的准单次曝光压缩光谱成像。它先将物体成像于二元振幅掩模板进行振幅调制，将调制后的像空间上色散分光，色散后的光入射到探测器进行成像，由于在光谱维度进行了全局投影测量，因此可实现压缩采样下的光谱成像。但是上述技术方案的光谱成像系统体积仍不能小型化，分光光路较长，光谱重建所需使用极为复杂的算法迭代运算，均导致其不可能应用到手机终端。

另外，基于传统光谱技术的便携光谱仪，如专利号为201710272074.4的中国发明专利公开了一种“基于智能手机的便携式光谱仪及其光谱检测方法”，采用智能手机摄像头作为光谱仪的探测器，结合光谱仪外设模块即可实现光谱采集，实现了光谱仪模块与手机的结合。但是，上述专利仍需要光谱仪外设模块，携带过程还涉及到防尘，防油污等，使用过程不够方便仍需要调节光路，而且在很大程度上不具有便携性。

发明内容

针对现有技术小型化难以实现，现有手机外置光谱仪方案便携性差、使用时操作不便等不足，以及市场对低成本的消费级手机光谱仪的需求，本发明提出了一种小体积、低功耗、低成本和消费级的智能手机成像光谱仪及其光谱识别方法。

根据本发明的一个方面，提供一种智能手机成像光谱仪，包括：

手机；

成像部，安装于手机内，包括光源、保护窗、调制板和相机，光源发出宽光谱光束照射待测物，待测物反射的光线透过保护窗，通过调制板被散射和色散，散射和色散后的调制图像被相机记录；

图像处理部，获得相机记录的待测物的调制图像的一维光谱数据曲线，将所述一维光谱数据曲线与已知物质的特征光谱曲线进行匹配，判断所述待测物是否包含所述已知物质以及该物质的相对含量。

优选地，所述图像处理部包括：

标定模块，分别用各个光谱段波长以点光源的形式照射成像部，获得各个光谱段的调制图像，组成标定图像矩阵；

特征光谱数据库，存储一种或多种已知物质的特征光谱曲线；

接收模块，接收成像部拍摄的待测物的单幅调制图像；