專利名稱：一種光學設(shè)備的制作方法

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于檢驗物體的光學設(shè)備，尤其涉及但不局限于一種用于檢驗植物中碳水化合物成份的光學設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，用光學方式檢驗諸如草莓和其它植物等物體的方法需要對物體采樣，并在實驗室中檢驗這些采樣。當不能在原地或野外對物體使用檢驗設(shè)備時，不方便使用這些方法。這些方法還具有破壞性，因為必須將樣本從物體上取起。
一般而言，現(xiàn)有的光學檢驗設(shè)備不具備足以可靠檢驗水果或植物成份的分辨率和靈敏度。它們也不適于檢驗成份的相對濃度。
這些設(shè)備具有光源和光探測器，光源將光射到物體上，而光探測器用于探測物體的反射光或散射光。探測器必須放在光源的光路之外，離開物體一些距離，以便不干擾來自光源的光。
這些現(xiàn)有設(shè)備中的探測器接收從物體表面反射的光、從物體內(nèi)散射出的光，以及來自其它表面的反射和散射光。因此，探測器接收到的光包含高度的噪聲信號。
現(xiàn)有設(shè)備還要求功率相對較高的光源，因為大量的來自光源的光不能到達物體的目標區(qū)。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個目的是將現(xiàn)有技術(shù)中的一個或多個缺點緩解或降低一定的程度。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供了一種用于檢驗物體的光學設(shè)備。該設(shè)備包括光源，它適于將一束光射向待檢物體；孔，它經(jīng)安排用于接收由物體發(fā)射的、在物體內(nèi)散射的或者通過物體的光；用于對光準直的裝置，此裝置經(jīng)安排，使得通過孔將此入射的光束準直。該設(shè)備還包括用于將來自準直裝置的準直光束色散成波長分量的裝置；以及用于提供分別與波長分量的能級成正比的電輸出信號的裝置。
最好，將孔安排成，可以使光束從中發(fā)散。
最好，該設(shè)備還包括用于處理輸出信號從而提供一個或多個指示信號以分別表示物體的一個或多個特征的裝置。
可以安排一指示裝置，用于接收一個或多個指示信號，并以適當?shù)男问斤@示所述指示信號或每個所述指示信號。希望指示裝置是打印機、顯示監(jiān)視器或其組合。
該設(shè)備具有一接口裝置，計算機可以有選擇地與接口裝置相連，以便存儲一個或多個指示信號，并且/或者進一步處理一個或多個指示信號。
一般地說，處理裝置包括一數(shù)據(jù)相關(guān)器，數(shù)據(jù)相關(guān)器適于將所述指示信號或每個指示信號與物體的一個特征相關(guān)聯(lián)。
數(shù)據(jù)相關(guān)器可以具有用于一類物體的一組相關(guān)數(shù)據(jù)，或者用于不同類物體的多組相關(guān)數(shù)據(jù)。
每個所述特征可以與物體的任何成份相關(guān)。所述成份例子有碳水化合物、淀粉，以及包括蔗糖、葡萄糖或果糖等的糖。特征還可以與物體的任何生理狀態(tài)相關(guān)。生理狀態(tài)包括植物的生長狀態(tài)、成熟狀態(tài)等。
希望每個所述特征是植物生長力、采摘成熟或任何其它生理狀態(tài)的特征。
較方便地，使數(shù)據(jù)相關(guān)器可拆卸地與所述設(shè)備相連，致使設(shè)備可以有選擇地相連這樣的數(shù)據(jù)相關(guān)器，該數(shù)據(jù)相關(guān)器具有與一特定待檢物體相關(guān)的一組相關(guān)數(shù)據(jù)。
較方便地，數(shù)據(jù)相關(guān)器可以是諸如PMCIA卡的印刷電路卡的形式。
最好，輸出信號提供裝置包括一個用于檢測波長分量的探測裝置。
還最好，設(shè)備包括一聚焦裝置，用于將波長分量聚焦到探測裝置上。
光源可以包括一個照明器，用于在物體上產(chǎn)生一光環(huán)。照明器包括一個具有反射內(nèi)表面的中空本體，以及一個或多個燈，反射面反射來自所述一個或多個燈的至少部分光。反射面經(jīng)構(gòu)造，使得反射光在物體的一個區(qū)域上形成一個光環(huán)。
最好，中空本體基本是錐形或者半蛋殼形。中空本體還可以具有基本上拋物線形的截面。
較合適地，將光環(huán)安排在光探測探針的周圍，光探測探針用于探測由所述物體散射的光。探測探針合適地沿中空本體的軸放置，并且光源放置成與所述軸成一角度。
有利地，照明器具有一罩蓋，罩蓋位于所述反射面反射的光的下游。在一種形式下，罩蓋基本上呈錐臺形或曲線形。
罩蓋可以具有一部分反射或完全反射的內(nèi)表面，用于將來自所述光源和/或來自所述本體內(nèi)表面的部分光重新射到物體的所述區(qū)域上。
罩蓋可以具有一后壁，用于將光射向所述環(huán)。后壁可以是彎曲形狀，或者制成菲涅耳透鏡。
希望將罩蓋可拆卸地固定，以便容易更換。可以為特殊形狀的物體構(gòu)造罩蓋。因此，通過為不同物體選擇罩蓋，可以將照明器用于不同物體。
還最好，設(shè)備包括一光傳輸裝置，用于將物體反射的或通過物體的光束傳送到孔。傳輸裝置可以包括一根光纖，例如直徑為500微米，數(shù)值孔徑為11°。可以將光纖安置在一保護探針內(nèi)。
可以使孔位于準直裝置焦距的附近?？梢跃哂幸粋€或多個適當寬度的狹縫。在一個例子中，寬度為10微米。一般，一個或多個狹縫是垂直取向的。
希望準直裝置相對于孔的位置可以調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)節(jié)設(shè)備的分辨率和強度。
較合適的，準直裝置是一準直透鏡，并且一般是一消色差透鏡。
色散裝置可以包括一個或多個具有任何適合結(jié)構(gòu)的棱鏡。一個或多個棱鏡最好是等邊棱鏡。
聚焦裝置可以包括一個或多個聚焦透鏡，用于將波長分量聚焦到探測裝置上。希望將一個或多個聚焦透鏡構(gòu)造成，可以橫跨探測裝置提供光譜的線性色散。平凸透鏡是聚焦透鏡的例子。
探測裝置最好包括多個檢測元件，用于響應(yīng)對波長分量的檢測，提供電輸出信號。
更好的是，將探測裝置安排成至少由2×2(4)個檢測元件組成的矩陣。一般，矩陣具有32×32(2048)或64×64(4096)個檢測元件。
探測裝置便利地具有一個電荷耦合器(CCD)，并且檢測元件是圖象元素(象素)的形式。
光源可以選自任何合適的已知源。最好，光源是近紅外輻射(NIR)。
最好，設(shè)備具有一外殼裝置，設(shè)備的各個部件位于其中。外殼裝置可以包括基本上防光的第一外殼構(gòu)件，準直裝置、色散裝置和電信號提供裝置位于第一外殼構(gòu)件內(nèi)。第一外殼構(gòu)件可以減少或避免來自背景輻射的干擾和來自光學表面的反射。最好，孔也位于第一外殼構(gòu)件中。
最好，外殼裝置是小型的，致使設(shè)備可以在野外或原地使用。一般，將外殼裝置安排成，用戶在使用時可以用一只手握住設(shè)備。另一種方法是，將外殼裝置安排成，可以戴在用戶身體的一部分上，諸如手腕上?？梢詫⑼鈿ぱb置制成手表、手槍或任何其它合適的形狀。
外殼裝置可以具有第二外殼構(gòu)件，光源位于第二外殼構(gòu)件中，第二外殼構(gòu)件具有一缺口，待檢物體可以插入該缺口內(nèi)。有利的是，第二外殼構(gòu)件可以可拆卸地與第一外殼構(gòu)件相連，致使第二外殼構(gòu)件可以選自多種用于檢驗特殊類型物體的第二外殼構(gòu)件。
當設(shè)備具有光傳輸裝置時，該傳輸裝置最好位于第二外殼構(gòu)件中。
有利地，第一外殼構(gòu)件內(nèi)裝有指示裝置。同樣有利地，第一外殼裝置具有與其可拆卸連接的數(shù)據(jù)相關(guān)器，致使設(shè)備可以用于不同的物體。
在一個例子中，第一外殼構(gòu)件被制成類似手槍本體的形狀，而第二外殼構(gòu)件被制成手槍槍塔的形狀。
中空本體的所述反射面可以根據(jù)包含以下步驟的方法來形成(a)選擇反射內(nèi)表面的一部分；(b)計算所述部分的取向，該取向?qū)褋碜灾锌毡倔w內(nèi)光源的光線反射到與所述光線處于同一軸平面內(nèi)的光環(huán)上；(c)步進至另一部分，該部分的垂直平面與所述部分相同；并且重復步驟(b)；(d)重復步驟(c)，直到所述部分可以連接形成一個環(huán)；以及(e)重復步驟(a)-(d)，用于形成與所述環(huán)相鄰的另一個環(huán)，直到環(huán)延伸到所需要的區(qū)域。
最好在步驟(c)，當完成半周時，步進的方向倒轉(zhuǎn)。
每個環(huán)的相鄰部分可以在包括所述相鄰部分的各平面交界處連接，或者在交界和所述一個相鄰部分之間的一半附近連接。
附圖概述為了更容易地理解和實施本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖進行描述，這些


了本發(fā)明的非限制性實施例。附圖有圖1示出了依照本發(fā)明一實施例的光學設(shè)備，操作人員用該設(shè)備檢驗田間的草莓植物；圖2是本發(fā)明一實施例的手槍式光學設(shè)備；圖3是表示本發(fā)明設(shè)備中各部件的一個示意圖；圖4是表示本發(fā)明設(shè)備中各部件的另一示意圖；圖5示出了用本發(fā)明光學設(shè)備獲得的典型光譜；圖6示出了用現(xiàn)有光學設(shè)備獲得的典型光譜；圖7比較了用本發(fā)明光學設(shè)備獲得的成熟綠木瓜樣品和未成熟綠木瓜樣品的光譜；圖8示出了用本發(fā)明光學設(shè)備獲得的荔枝樣品的光譜；圖9示出了用本發(fā)明光學設(shè)備獲得的另一荔枝樣品的光譜；圖10-12是曲線圖，示出了關(guān)于植物中幾種糖成份的校準數(shù)據(jù)；圖13是一側(cè)視圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的手槍式光學設(shè)備；圖14是圖13所示設(shè)備的后視圖；圖15是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的照明器；圖16是一示意圖，示出了本發(fā)明另一實施例的照明器；圖17是圖16所示照明器的后視圖；圖18示出了用于計算形成照明器反射面各部分的步驟；圖19示出了由本發(fā)明照明器產(chǎn)生的典型光環(huán)；圖20是一示意圖，示出了環(huán)形光照射在水果表面上，探測器用于探測來自水果內(nèi)部的散射光。
本發(fā)明的詳細描述首先，參照圖1。該圖示出了本發(fā)明的光學設(shè)備10，操作人員100用該設(shè)備檢驗農(nóng)田104中物體102(草莓植物)的一個特性，本例的所述特性是生長狀態(tài)(活力)。
本例中的設(shè)備10是手槍形的。它具有一槽12(圖2顯示得更清楚)，用于容納被檢草莓植物的葉子。由掌上型計算機作為例子的指示裝置14與設(shè)備10相連，用于指示草莓植物102的特征光譜。
圖2是光學設(shè)備10的另一實施例，本例的設(shè)備10是手槍形的。設(shè)備10的外殼由第一外殼構(gòu)件16和第二外殼構(gòu)件18組成，其中第一外殼構(gòu)件16呈槍體形狀，基本上不透光，而第二外殼構(gòu)件18呈炮塔形狀。第二外殼構(gòu)件18與第一外殼構(gòu)件16可拆卸地連接。
第二外殼構(gòu)件18具有一槽12，用于容納待檢物體的一部分。在槽12的一側(cè)，放置一光源28(參見圖3和圖4)，在另一側(cè)放置光纖形式的光傳輸裝置22。
第一外殼構(gòu)件16有一狹縫24(參見圖3和圖4)，用于接收來自光纖22的光。第一外殼構(gòu)件16還具有一個PMCIA卡形式的、可拆卸連接的數(shù)據(jù)相關(guān)器26。卡26有一存儲器，用于存儲一種或多種植物的相關(guān)數(shù)據(jù)。本例的指示裝置14是LCD屏幕，用于顯示與被檢物體一個或多個特性相關(guān)的輸出信號。
可拆卸卡26很容易更換，所以設(shè)備10可以用于各種不同的物體。作為舉例，如果設(shè)備10將用于檢驗草莓植物中的糖，那么選用所含相關(guān)數(shù)據(jù)涉及草莓植物中糖的卡26，并且將卡26插入第一外殼構(gòu)件16中。
圖3是一示意圖，示出了依照本發(fā)明一實施例的設(shè)備10。在此實施例中，設(shè)備10具有分辨率限定狹縫24，經(jīng)安排用于接收來自光源28的光束，并且狹縫24位于準直透鏡30之焦距的附近。光束進入狹縫24，并發(fā)散地投射到準直透鏡30上，準直透鏡30將光準直成一平行光束。衍射器形式的色散裝置32位于準直光束的光路上。衍射器32將準直光束分離成各波長分量。本例的探測裝置32是光電探測器，它位于衍射器32的下游，用于探測波長分量，并產(chǎn)生與波長分量中的能級成正比的電輸出信號。
聚焦透鏡形式的聚焦裝置36位于衍射裝置32和探測裝置34之間，致使離散的分量波長變成探測裝置34上的一個明亮的點或聚焦的點。
防光的第一外殼構(gòu)件16使來自其它表面反射光的干擾最小。
然后，放大器38將來自探測裝置34的電輸出信號放大，并由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器40將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。處理裝置(微處理器)42經(jīng)安排，根據(jù)合適程序中的指令以及數(shù)據(jù)相關(guān)器中的數(shù)據(jù)處理數(shù)字信號。經(jīng)處理的信號顯示在指示裝置14(本例中，為LCD監(jiān)視器)上。
計算機44也與處理裝置42相連，用于下載或進一步處理信號。
圖4示出了設(shè)備10的另一實施例。在該實施例中，設(shè)備10具有一光傳輸裝置(光纖)46，用于將通過物體102的光傳送到狹縫24。裝置46是直徑為500微米、數(shù)值孔徑為11°的光纖。狹縫24是寬度為10微米的垂直平行狹縫，位于準直裝置30之焦距的附近。消色差透鏡用作準直裝置30。
本例的色散裝置32是能夠提供較高分辨率的雙等邊棱鏡。將兩個平凸透鏡用作聚焦裝置36，以便使基本上線性色散的光譜越過探測裝置34。在本例中，裝置34是具有2048個象素的電荷耦合器(CCD)，其聚合物窗口的象素尺寸為14微米(高)×12微米(寬)，間距為14微米。一般用于收集光譜的積分時間在10-100ms的范圍內(nèi)。
校正源48與光纖46可拆卸地耦連，用于校正設(shè)備10。例如，校正源48可以是市場買得到的、以O(shè)cean Optic HG1為商品名出售的汞-氬放電源。
本實施例中的光源28是由低波紋直流電源供電的90-100W鹵鎢燈泡。燈泡位于橢圓反射器的主焦點上。
待檢物體102位于反射器次焦點的附近。
在一測試中，用圖4示意的設(shè)備10獲取汞一氬放電源的光譜。測試結(jié)果示于圖5。
用市場上購買的現(xiàn)有分光計重復相同的測試，其結(jié)果示于圖6。
比較測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明設(shè)備10和現(xiàn)有分光計都顯示了一個較寬的、有用的帶寬，大約從400至1025納米。但是，設(shè)備10在分辨率和靈敏度方面顯示出更好的性能。
可以看出，設(shè)備10的靈敏度比現(xiàn)有設(shè)備的靈敏度高大約三倍，因為設(shè)備10用大約15ms記錄光譜強度，而現(xiàn)有設(shè)備要用50ms記錄具有相同強度的光譜。設(shè)備10的分辨率從696納米波長處的大約4納米(FWHM)變化到相同帶寬上的大約9納米(FWHM)。FWHM是指半最大值處的全帶寬。
圖4所示的設(shè)備10已用于檢驗各種水果的近紅外(NIR)發(fā)射光譜。圖7示出了未成熟和成熟綠木瓜(Canica番木瓜樹)的、60毫米厚截面的近紅外發(fā)射光譜。該圖明確顯示出光發(fā)射的峰值波長從未成熟樣品的755納米移至成熟樣品的730納米。
因此，設(shè)備10可以用來確定何時可以摘下綠木瓜，因為當在未成熟狀態(tài)摘取時，水果不會變熟至可食用的狀態(tài)。
圖8和9示出了兩種不同的荔枝水果樣品的光譜。兩光譜之間的差別可用來表示樣品的某些特征。
圖10-12圖示了水果中三種糖成份的相關(guān)數(shù)據(jù)，以供設(shè)備10作出判斷。傾斜的虛線和實線分別表示傾斜和偏移修正。以下的相關(guān)數(shù)據(jù)表給出了校正成份所需要的數(shù)據(jù)。
成份1的相關(guān)數(shù)據(jù)



成份2的相關(guān)數(shù)據(jù)



成份3的相關(guān)數(shù)據(jù)



用于獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的分儀計是Zelta ZX100F近紅外(NIR)分析儀。
對于每種成份1至3，隨機選擇9種樣品。每種情況都給出了與所選樣品對應(yīng)的樣品標識。
預測值Y(e)是斜率和偏移修正后的值。
結(jié)果如下成份相關(guān)性標準誤差10.86 1.820.75 1.730.88 2.9相關(guān)數(shù)據(jù)允許識別樣品中的成份。
當樣品中的成份吸收一些能級，而讓其它能級(或者波長分量)通過時，設(shè)備10可以通過監(jiān)測通過樣品和沒有通過樣品的能級(或波長分量)，來確定各成份的濃度。
可以使用任何數(shù)學分析方法。但申請人更喜歡使用部分最小二乘(PLS)回歸分析法或最小信息長度(MML)單因子和多因子分析法先參照圖13，該圖示出了依照本發(fā)明另一實施例的近紅外(NIR)光學設(shè)備50。本例中的設(shè)備50具有大體上呈手槍形的機殼52。在殼體52中，將光探針54大致放在照明器56的中心軸上。探針54從剛好錐臺形罩蓋58內(nèi)延伸到剛好反射鏡或透鏡60之前。
由圖可見，反射鏡60將探針54探測到的光束偏轉(zhuǎn)到衍射光柵62上。光柵62將光束基本上平行地射到一個由電荷耦合二極管(CCD)或光電二極管64組成的陣列上。
觸發(fā)器66用于激勵設(shè)備50，使用者用手指可以按下觸發(fā)器66。
設(shè)備50的各構(gòu)件固定在一框架上(未圖示)，該框架由基于穩(wěn)定的鋁或鈦的鑄件或者加工過的合金制成，具有熱穩(wěn)定性和機械強度?？蚣馨惭b在機殼52內(nèi)，在本例中，機殼52由塑料制成。
圖14中的剖面露出了位于探針54之采樣光纖附近的參照光纖68。
參照圖15，照明器56具有大致呈拋物線形的中空本體70，燈74位于孔72中。由圖17可以更清楚地看到，燈74偏離中心，并且與探針54和參考光纖68隔開。本體70的形狀使得其內(nèi)反射面76將光環(huán)78照射到諸如草莓等物體90上。應(yīng)該注意，所述物體可以是任何植物、生物樣品、化學試樣或礦物試樣。
罩蓋58具有延伸到探針54和光纖68的后壁80。
罩蓋58和中空本體70可以用合適的實心塑料(例如，聚碳酸酯或聚丙酸)集成一個單元。但是，在本例中，將它們分開制作，并且罩蓋可以分離，以便更換。適當?shù)貙φ稚w58的內(nèi)表面和本體70進行金屬化，以便能夠高度反射。
罩蓋58的形狀使得它能夠?qū)碜詿?4和本體70之反射面76的的部分光偏轉(zhuǎn)到環(huán)78的區(qū)域。這提高了環(huán)形照射的強度。
壁36的后表面，即NIR照射的輸入表面，是菲涅耳透鏡形式，用于照射到環(huán)區(qū)34內(nèi)。代替菲涅耳透鏡，可以使后表面彎曲，集中照明環(huán)區(qū)。
罩蓋58實現(xiàn)了許多其它最有用的功能，包括ⅰ)它保護照明器56不受環(huán)境影響，以及穩(wěn)健地保護探針54的金屬管護套，在預期手槍式設(shè)備可能落地的場合中不受損壞。
ⅱ)至少部分地為被測物體提供一些環(huán)境光陰影。
ⅲ)當把槍推向待測樣品時，它能很方便地從所需區(qū)域分離出和/或替換掉不需要的物體或其它材料。
ⅳ)允許用手頭的材料(例如襯衫尾部或手帕)擦凈。
ⅴ)可以制成可更換的。
ⅵ)制成可通過擰松操作進行更換的形式，以適應(yīng)西瓜等更大水果的場合。在此情況下，必須小心，保證探針54和參考光纖68在設(shè)備50內(nèi)合適地耦合。
圖16示出了用于較大物體90的照明器56和罩蓋58的一個實施例。由圖可見，本例中探針54的探測端基本上與罩蓋58齊平。
照明器56經(jīng)安排，在探針54的周圍產(chǎn)生一個明亮的、富含NIR的光環(huán)，光環(huán)如圖19所示。區(qū)域“b”是NIR照明集中的環(huán)，而“a”是未直接照明的區(qū)域。這是以最大可能使物體90內(nèi)擴散后通過探針54接收到的光最大化，如圖20所示。
如圖20所示，可以進入采樣探針光纖54的入射環(huán)形照明78(大部分)必須從“c”表示的區(qū)域“散射”過來。這使得從探針54探測到的噪聲信號最小，其中噪聲信號例如是直接沿物體或水果90最近表面或其表皮中傳播的光。
從圖20還可以清楚地看到，光纖支持探針54類似于平頭的皮下注射器針頭，它不僅為光纖提供了固定的和可維持的支撐，而且起到了最有效防止環(huán)境散射光和表面散射的遮光罩的作用，不然的話，這些散射光會通過物體或水果表面的不規(guī)則形狀以及“縫和隙”進入探針54。
參考探針68經(jīng)設(shè)計，捕獲部分照明光，并使來自物體或水果90的任何反射光最少。這種表示照明光譜特性的光通過罩蓋后表面的反射來捕獲。壁80的后表面在一很小的區(qū)域被鏡面化，或者使其略微粗糙，以幫助其反向散射。在罩蓋58實質(zhì)上是一個實心的塑料件的情況下，用類似的光纖捕獲裝置觀察照明燈的背面，可以對此參考光進行采樣。
希望光纖探針54和68，特別是采樣探針54，基本上與假想的“槍管”軸一致。
照明器56的反射面76經(jīng)計算機設(shè)計，可以最佳地環(huán)形照明78。
環(huán)形照明78允許光在進入探針54之前在被測物體90內(nèi)散射或擴散。此結(jié)構(gòu)可以防止很亮的光線緊挨在探測器探針54的周圍，從而避免檢測在樣品近的、薄的、表面區(qū)域內(nèi)以極短距離傳送的大部分光。在表面很淺深度甚至很小區(qū)域內(nèi)的NIR光譜性能不能可靠地表示出需要測量的性能。
如圖18所示，可以用光線跟蹤方法制作反射面76。個別光線被認為是由照明燈74(它偏離中心)中非常小的燈絲發(fā)出的。光線以很小的旋轉(zhuǎn)角位移射向照明器56的最后部分(緊挨著參考和采樣光纖探針54和68所通過的孔)。利用簡單的反射原理，可以計算出表面76中非常小(實質(zhì)上是矩形的)部分1的角度，使得對于討論中的光線，反射部分以相同的旋轉(zhuǎn)角射向環(huán)78的中心。一個接一個地對燈發(fā)出的出射光線作步進，使光線從頭到底經(jīng)過大約半周的小增量，每條光線產(chǎn)生一個帶角的，基本上呈矩形的、“平的”小片反射器，該反射器將光線射向環(huán)78中心附近的等距“點”。利用三維幾何學，這些反射器小表面邊挨著邊連接起來。
一旦計算出一片反射器，然后程序計算該表面所需要的反射角，以便適當引導相鄰光線。用該合適的角度在該點選擇一新的表面2，并且就附近另一個部分3重復上述步驟，由此可以計算兩個平面在其連接邊緣處的交界線。
在每次完成半旋轉(zhuǎn)時，兩個“小平面”的反射器環(huán)應(yīng)該相連，因此檢證了計算結(jié)果。
當計算出反射面76的一個小平面環(huán)時，可以類似計算出另一個相鄰的小平面環(huán)，使其內(nèi)邊與先前計算得到的反射器環(huán)的外邊相遇。
并且用此方式，可以繞各環(huán)內(nèi)反射面的軸逐步計算出一系列“同心的”小平面反射器“環(huán)”，并且每個環(huán)光纖探針的孔開始逐步遞增地到位于槍反射面前端的最外緣。
這意味著，可以將這些小平面的分段平滑成一個連續(xù)的復雜曲面，致使每個原始小平面中心處的反射角及其位置在新的平滑表面各點上保持相同。這形成了基本的反射器形狀，并且這一設(shè)計過程可以允許任意數(shù)量的燈，每個燈可以放在任意位置。
盡管以上給出的本發(fā)明的說明性例子，但對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，許多變化和改變將是顯而易見的，它們不脫離這里敘述的本發(fā)明的寬范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于檢驗物體的光學設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括光源，它包含近紅外輻射(NIR)，適于將一束光射向待檢物體；孔，它經(jīng)安排用于接收由物體反射的、在物體內(nèi)散射的或者通過物體的光，并且經(jīng)安排使得光束從中發(fā)散；用于對光準直的裝置，此裝置經(jīng)安排，使得通過孔在此入射的光束準直；用于將來自準直裝置的準直光束色散成波長分量的裝置；以及用于提供分別與波長分量的能級成正比的電輸出信號的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，還包括用于處理輸出信號從而提供一個或多個指示信號，分別表示物體的一個或多個特征的裝置。
3．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，指示裝置經(jīng)安排，用于接收一個或多個指示信號，以適當?shù)男问斤@示所述指示信號或每個所述指示信號。
4．如權(quán)利要求2或3所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)備具有一接口裝置，計算機可以有選擇地與接口裝置相連，以便存儲一個或多個指示信號，并且/或者進一步處理一個或多個指示信號。
5．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，處理裝置包括一數(shù)據(jù)相關(guān)器，數(shù)據(jù)相關(guān)器適于將所述指示信號或每個指示信號與物體的一個特征相關(guān)聯(lián)。
6．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)相關(guān)器具有用于一類物體的一組相關(guān)數(shù)據(jù)，或者用于不同類物體的多組相關(guān)數(shù)據(jù)。
7．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述特征與物體的一種成份相關(guān)，所述成份包括碳水化合物、淀粉，或者蔗糖、葡萄糖或果糖等形式的糖。
8．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述特征與物體的一種生理狀態(tài)相關(guān)，包括植物等的生長狀態(tài)或成熟狀態(tài)。
9．如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述特征是植物生長力、采摘成熟或任何其它生理狀態(tài)的特征。
10．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)相關(guān)器經(jīng)安排用于可拆卸地與所述設(shè)備相連，致使設(shè)備可以有選擇地相連這樣的數(shù)據(jù)相關(guān)器，該數(shù)據(jù)相關(guān)器具有與一特定待檢物體相關(guān)的一組相關(guān)數(shù)據(jù)。
11．如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)相關(guān)器包含在包括PMCIA卡的印刷電路卡中。
12．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，輸出信號提供裝置包括一個用于檢測波長分量的探測裝置。
13．如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括一聚焦裝置，用于將波長分量聚焦到探測裝置上；和一光傳輸裝置，用于將物體反射的或通過物體的光束傳送到孔，其中傳輸裝置包括一根光纖，其直徑例如為500微米，數(shù)值孔徑為11°。
14．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，孔位于準直裝置焦距的附近，并具有一個或多個適當寬度的狹縫，并且準直裝置相對于孔的位置可以調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)節(jié)設(shè)備的分辨率和強度。
15．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，準直裝置是準直消色差透鏡，并且色散裝置是一個或多個具有任何適合結(jié)構(gòu)的棱鏡，包括等邊棱鏡。
16．如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，聚焦裝置包括一個或多個聚焦透鏡，用于將波長分量聚焦到探測裝置上，一個或多個聚焦透鏡經(jīng)構(gòu)造，使得可以橫跨探測裝置提供光譜的線性色散。
17．如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，探測裝置包括多個按矩陣排列的多個檢測元件，所述矩陣至少由2×2(4)個檢測元件組成，用于響應(yīng)對波長分量的檢測，提供電輸入信號。
18．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)備包括一外殼裝置，所述外殼裝置安排成小型的，致使設(shè)備可以在野外或原地使用。
19．如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，外殼裝置經(jīng)安排，使得用戶在使用時可以用一只手操作該設(shè)備，或者將設(shè)備固定在用戶身體的一部分上，諸如手腕上。
20．如權(quán)利要求18或19所述的設(shè)備，其特征在于，外殼裝置包括基本上防光的第一外殼構(gòu)件和第二外殼構(gòu)件，其中孔、準直裝置、色散裝置和電信號提供裝置位于第一外殼構(gòu)件內(nèi)，第一外殼構(gòu)件經(jīng)安排用于減少或避免來自背景輻射的干擾和來自光學表面的反射，光源位于第二外殼構(gòu)件中，第二外殼構(gòu)件具有一缺口，待檢物體可以插入該缺口內(nèi)，第二外殼構(gòu)件固定地或可拆卸地與第一外殼構(gòu)件相連。
21．如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，光源包括一個照明器，用于在物體上產(chǎn)生一光環(huán)，照明器包括一個具有反射內(nèi)表面的中空本體，以及一個或多個燈，反射面反射來自所述一個或多個燈的至少一部分光，反射面經(jīng)構(gòu)造，使得反射光在物體的一個區(qū)域上形成一個光環(huán)。
22．如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述中空本體基本是錐形或者半蛋殼形。
23．如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，光環(huán)位于光探測探針的周圍，光探測探針用于探測由所述物體散射的光。
24．如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，探測探針沿中空本體的軸放置，并且光源放置成與所述軸成一角度。
25．如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，照明器具有一罩蓋，它位于所述反射面反射的光的下游。
26．如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于，罩蓋具有一部分反射或完全反射的內(nèi)表面，用于將來自所述光源和/或來自所述本體內(nèi)表面的部分光重新射到物體的所述區(qū)域上。
27．如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于，罩蓋具有一后壁，用于將光射向所述區(qū)域。
28．如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其特征在于，罩蓋可拆卸地固定，致使很容易更換。
29．如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，所述探測探針包括一根位于保護探針內(nèi)的光纖。
30．如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，一參考探針經(jīng)安排，基本上平行于所述探測探針。
全文摘要
提供了一種光學設(shè)備(10),用于無損傷性地檢測物體(102)的特征。設(shè)備具有光源(28),用于將NIR光束射向物體(102);孔(24),用于發(fā)散通過物體的或由物體反射的NIR光束;準直透鏡(30),用于使發(fā)散光束準直;衍射器(32),用于將準直光束分離成波長分量;以及聚焦透鏡(36),用于將波長分量聚焦到一個由光電探測器組成的矩陣(34)上,光電探測器產(chǎn)生與各波長分量的能級成正比的電輸出信號。可以將設(shè)備(10)制成小型,以便用來在野外檢測物體。在一例子中,設(shè)備(10)具有一手槍形的外殼和一本體(16),外殼的槍塔(18)中帶有一槽(12),本體具有一顯示監(jiān)視器(14)。本體(16)還具有一開口,PCMCIA卡形式的相關(guān)器(26)通過該開口與設(shè)備(1)相連。設(shè)備(10)一般用于檢測田間植物的生理階段,以便種植者可以確定可接受植物生長所需要的合適行為。
文檔編號G01N21/35GK1310798SQ99809006
公開日2001年8月29日 申請日期1999年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月21日
發(fā)明者C·H·薩蒙德, C·V·格林西爾, P·利一瓊斯 申請人:依蘭集團有限公司