一种多波段近红外发光拍摄装置及数据采集方法与流程

本发明涉及医疗器械及无创检测领域，尤其涉及一种多波段近红外发光拍摄装置及数据采集方法。

背景技术：

1、利用近红外特殊物理参数特性，采集数据然后进行数据参数分析已得到广泛应用，特别是，近红外光谱(nirs)和近红外化学成像(nirci)分析技术在多种疾病的医疗指标的检测应用中因具有无创伤、无痛感、无耗材、分析快速等优势，能够有效克服常规有创检测方法存在的弊端，有利于实现多种疾病的普查、诊断、预防与治理，具有巨大的社会效益与医学价值。物理理论与实验都表明，透射近红外光谱和近红外化学成像中携带血液内待测成分浓度的有效信息，均可用于定量分析。

2、但现有技术提供的利用nirs或nirci分析技术进行无创检测的技术方案并不能实现在无创检测装置具有高亮度、多波段、低噪声等特点的同时，满足会聚性、在有效照明区域亮度均匀、光能利用率高、结构稳定性好的特性。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种多波段近红外发光拍摄装置，该装置可至少解决上述一种问题，

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多波段近红外发光拍摄装置，包括发射模块和接收模块；

4、所述发射模块包括至少一个光源元件，和发射端光学镜片组；所述发射端光学镜片组包括至少一个发射端凸透镜；

5、所述接收模块包括带通滤光片、接收端光学镜片组和光电传感器；

6、所述发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端光学镜片组、待测部位、所述带通滤光片、所述接收端光学镜片组和所述光电传感器。

7、经过所述带通滤光片的光为穿透待测部位的漫透射光。

8、在一些实施方案中，所述光源元件呈对称地排布在光源电路板上的光源元件安装区域，使得所有所述光源元件照射区域的重叠部分覆盖待测部位，并分别依次发出各自波长的近红外光；所述光源元件安装区域位于光源电路板上，可呈矩形、圆形等；所述光源电路板为圆形或矩形等。

9、对称排布包括中心对称、轴对称等，例如当所述光源元件的个数为一个时，其可排列在所述光源电路板的中心位置；当所述光源元件的个数为三个时，其可在所述光源电路板上呈等边三角形排布，即每个所述光源元件位于等边三角形的顶点，该等边三角形的中心为所述光源电路板的中心。

10、在一些实施方案中，所述发射模块还包括至少一个用于会聚所述光源元件发出的光的凹面镜；所述光源元件与所述凹面镜一一对应，即每个所述光源元件对应配有一或多个所述凹面镜，且所述凹面镜的安装位置依据所述光源元件的安装位置而确定，优选为一个所述光源元件与一个所述凹面镜相对应，并安装于所述对应凹面镜的凹面中心；所述凹面镜使所述光源元件的近红外光照射区域均匀覆盖待测部位，具体为所述凹面镜可将所述光源元件发出的近红外光进行光路调整，使得调整后近红外光均匀会聚在待测部位的指定区域。

11、所述发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述凹面镜、所述发射端光学镜片组、待测部位、所述带通滤光片、所述接收端光学镜片组和所述光电传感器。

12、在一些实施方案中，所述发射端凸透镜为两个平凸透镜。

13、在一些实施方案中，所述带通滤光片既不允许波长小于所述光源元件发出的最小波长的光通过，也不允许大于所述光源元件发出的最大波长的光通过。

14、在一些实施方案中，所述发射模块还包括光源温控系统，所述光源温控系统安装在所述光源电路板任意一侧，优选为背面。

15、在一些实施方案中，所述多波段近红外发光拍摄装置还包括检测物固定装置，用以放置待测部位；所述检测物固定装置内设有弹性物质，优选为硅胶，用以限制并固定待测部位位置；所述检测物固定装置的两侧分别设有检测物固定装置通光孔，使得发射端光学镜片组传来的光穿过一侧的所述检测物固定装置通光孔抵达待测部位，经待测部位漫透射后穿过另一侧的所述检测物固定装置通光孔并抵达所述接收模块。

16、在一些实施方案中，所述检测物固定装置还包括机械式开关，待测部位接触触发所述机械式开关，进而启动所述发射模块和所述光电传感器。

17、在一些实施方案中，所述接收模块还包括分光滤光片、摄像头板；所述接收端光学镜片组包括广角镜头及接收端凸透镜，所述接收端凸透镜可为平凸透镜组；所述广角镜头及所述摄像头板间形成成像通道，所述接收端凸透镜及所述分光滤光片设于所述成像通道内；所述摄像头板为一块电路板，其上安装有所述光电传感器，并与所述发射模块相关联，并可外接处理器，以接收所述处理器的指令完成拍摄、数据采集及数据集分析发送等工作；

18、所述成像通道，主要用于约束成像范围，避免拍摄装置内部其他的杂光进入所述接收端光学镜片组和所述光电传感器；所述接收端光学镜片组使得穿过待测部位的漫透射光精确收集并汇聚到所述光电传感器；所述分光滤光片仅允许所述光源元件发出特定的波段的光通过并抵达所述光电传感器；所述光电传感器是高精度高质量的光电传感器，接收的光为穿透待测部位的漫透射近红外光。

19、所述发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端光学镜片组、待测部位、所述带通滤光片、所述广角镜头、所述接收端凸透镜、所述分光滤光片、所述光电传感器。

20、在一些实施方案中，所述多波段近红外发光拍摄装置还包括连接固定部件装置用以分别连接、固定各个部件，其上设有多个卡扣用以安装固定部件，连接固定部件装置简化了各个部件的安装，特别是所述成像通道的安装与固定变成类似搭积木一样的简单积插，使得所述一种多波段近红外发光拍摄装置一经安装，就无需再对其光路汇聚、拍摄聚焦作其他调整。

21、在一些实施方案中，所述光源元件为led灯；所述光源温控系统为半导体制冷器(tec)；所述分光滤光片为线性渐变滤光片(linear variable filter，lvf)；所述光电传感器为铟镓砷(ingaas)探测器；所述摄像头板为pcb电子线路板。

22、在一些实施方案中，所述光源元件可根据检测目的而发射出750～2250nm波段间数个波长的光；所述带通滤光片可根据所述光源元件发出光的波长允许750～2250nm波段中某一波段区间的光通过；所述分光滤光片可根据所述光源元件发出的光的波长允许750～2250nm波段中数个波长的光通过；所述光电传感器是黑白的且可根据所述光源元件发出光的波长拍摄700～2500nm波段中数个波长下的近红外图像。

23、在一些实施方案中，所述拍摄装置用于测量使用者的血糖指标和贫血症病的血红蛋白浓度等；所述光源元件发射出的光的波段在750～1000nm间；所述带通滤光片允许750～1000nm波段区间的光通过；所述分光滤光片允许750～1000nm波段中数个波长的光通过；所述光电传感器是黑白的且可拍摄750～1000nm波段中数个波长的近红外图像。

24、在一些实施方案中，所述拍摄装置用于测量使用者的尿酸指标；所述光源元件发射出的光的波段在1550～1650nm间；所述带通滤光片允许1550～1650nm波段区间的光通过；所述分光滤光片允许1550～1650nm波段中数个波长的光通过；所述光电传感器是黑白的且可拍摄1550～1650nm波段中数个波长的近红外图像。

25、利用如上所述的一种多波段近红外发光拍摄装置的进行数据采集的方法，其采集步骤如下：

26、将待测部位放置在所述检测物固定装置上，待测部位通过直接接触触发所述机械开关，所述机械开关通过所述摄像头板启动所述发射模块和所述光电传感器；

27、多个所述光源元件依次发出各自波长的近红外光，同一时间，所述光源元件发出的光的波长相同；

28、所述光电传感器配合所述光源元件依次发出各自波长的近红外光的时间，依次在每个波长连续采集多帧该波长的近红外光穿过待测部位后的待测部位近红外图像；

29、在所述待测部位近红外图像中筛选至少一帧进行数据前期处理，将处理后的所述待测部位近红外图像作为数据集应用于后续的应用。

30、所述待测部位近红外图像包括但不限于照片、连续录像片段及光谱图等。

31、优选地，所述光电传感器采集完前一个波长下的待测部位近红外图像并确认该图像可以满足采集目的后，发出反馈信号将发出前一个波长的近红外光的所述光源元件切换为发出后一个波长的近红外光的所述光源元件，直到采集完所有波长下的所述近红外光图像。

32、本发明还提供了另一种多波段近红外发光拍摄装置，技术方案如下：

33、一种多波段近红外发光拍摄装置，包括反射式发射模块和接收模块；

34、所述反射式发射模块包括至少一个光源元件，和发射端光学镜片组；所述发射端光学镜片组包括至少一个发射端凹面镜；

35、所述接收模块包括带通滤光片、接收端光学镜片组和光电传感器。

36、所述反射式发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端凹面镜、待测部位、所述带通滤光片、所述接收端光学镜片组和所述光电传感器；

37、经过所述带通滤光片的光为穿透待测部位的漫透射光。

38、在一些实施方案中，所述光源元件呈对称地排布在光源电路板上的光源元件安装区域，使得所有所述光源元件照射区域的重叠部分覆盖待测部位，并分别依次发出各自波长的近红外光；所述光源元件安装区域可呈矩形、圆形等；光源电路板可呈矩形、圆形等。

39、对称排布包括中心对称、轴对称等，例如当所述光源元件的个数为三个时，其可在所述光源电路板上呈等边三角形排布，即每个所述光源元件位于等边三角形的顶点，该等边三角形的中心为所述光源电路板的中心。

40、在一些实施方案中，所述发射端光学镜片组还包括至少一个发射端凸透镜，优选为两个平凸透镜；所述反射式发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端凹面镜、所述发射端凸透镜、待测部位、所述带通滤光片、所述接收端光学镜片组和所述光电传感器。

41、在一些实施方案中，所述光源电路板中间设有光源电路板通光孔，经所述发射端凹面镜会聚的光穿过所述光源电路板通光孔抵达所述接收模块；所述光源元件绕所述光源电路板通光孔排布。

42、在一些实施方案中，所述带通滤光片既不允许波长小于所述光源元件发出的最小波长的光通过，也不允许大于所述光源元件发出的最大波长的光通过。所述带通滤光片设于所述通光孔与所述光电传感器间，优选设置在所述通光孔处以节约设备空间。

43、在一些实施方案中，所述接收模块还包括分光滤光片、摄像头板；所述接收端光学镜片组包括广角镜头及接收端凸透镜，所述接收端凸透镜可为平凸透镜组；所述广角镜头及所述摄像头板间形成成像通道，所述接收端凸透镜及所述分光滤光片设于所述成像通道内；所述摄像头板为一块电路板，其上安装有所述光电传感器，并与所述发射模块相关联，并可外接处理器，以接收所述处理器的指令完成拍摄、数据采集及数据集分析发送等工作；

44、所述反射式发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端凹面镜、待测部位、所述带通滤光片、所述广角镜头、所述接收端凸透镜、所述分光滤光片、所述光电传感器。

45、在一些实施方案中，所述光源元件为led灯；所述光源温控系统为半导体制冷器；所述分光滤光片为线性渐变滤光片；所述光电传感器为铟镓砷探测器；所述摄像头板为pcb电子线路板。

46、在一些实施方案中，所述光源元件可根据检测目的而发射出750～2250nm波段间数个波长的光；所述带通滤光片可根据所述光源元件发出的光的波长允许750～2250nm波段中某一波段区间的光通过；所述分光滤光片可根据所述光源元件发出的光的波长允许750～2250nm波段中数个波长的光通过；所述光电传感器是黑白的且可根据所述光源元件发出的光的波长拍摄700～2500nm波段中数个波长下的近红外图像。

47、利用如上所述的一种多波段近红外发光拍摄装置的进行数据采集的方法，其采集步骤如下：

48、将待测部位放置在所述检测物固定装置上，待测部位通过直接接触触发所述机械开关，所述机械开关通过所述摄像头板启动所述发射模块和所述光电传感器；

49、多个所述光源元件依次发出各自波长的近红外光，同一时间，所述光源元件发出的光的波长相同；

50、所述光电传感器配合所述光源元件依次发出各自波长的近红外光的时间，依次在每个波长连续采集多帧该波长的近红外光穿过待测部位后的待测部位近红外图像；

51、在所述待测部位近红外图像中筛选至少一帧进行数据前期处理，将处理后的所述待测部位近红外图像作为数据集应用于后续的检测算法。

52、所述待测部位近红外图像包括但不限于照片、连续录像片段及光谱图等。

53、优选地，所述光电传感器采集完前一个波长下的待测部位近红外图像并确认该图像可以满足采集目的后，发出反馈信号将发出前一个波长的近红外光的所述光源元件切换为发出后一个波长的近红外光的所述光源元件，直到采集完所有波长下的所述近红外光图像。

54、本发明还提供了另一种多波段近红外发光拍摄装置，技术方案如下：

55、一种多波段近红外发光拍摄装置，包括反射式发射模块和无镜头接收模块；

56、所述反射式发射模块包括至少一个光源元件，和发射端光学镜片组；所述发射端光学镜片组包括至少一个发射端凹面镜；

57、所述无镜头接收模块包括带通滤光片和光电传感器，所述光电传感器为无畸变微距拍摄的光电传感器；无畸变微距拍摄光电传感器是指能够在微距场景下进行无畸变的成像的光电传感器，有机光电传感器(opd)是目前应用的较多的一种。

58、所述反射式发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端凹面镜、待测部位、所述带通滤光片和所述光电传感器；

59、经过所述带通滤光片的光为穿透待测部位的漫透射光。

60、在一些实施方案中，所述光源元件呈对称地排布在光源电路板上的光源元件安装区域，使得所有所述光源元件照射区域的重叠部分覆盖待测部位，并分别依次发出各自波长的近红外光；所述光源元件安装区域可呈矩形、圆形等；光源电路板可呈矩形、圆形等。

61、在一些实施方案中，所述发射端光学镜片组还包括至少一个发射端凸透镜，优选为两个平凸透镜；所述反射式发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端凹面镜、所述发射端凸透镜、待测部位、所述带通滤光片和所述光电传感器。

62、在一些实施方案中，所述光源电路板中间设有光源电路板通光孔，经所述发射端凹面镜会聚的光穿过所述光源电路板通光孔抵达所述无镜头接收模块；所述光源元件绕所述光源电路板通光孔排布。

63、在一些实施方案中，所述带通滤光片既不允许波长小于所述光源元件发出的最小波长的光通过，也不允许大于所述光源元件发出的最大波长的光通过。所述带通滤光片设于所述通光孔与所述光电传感器间，优选设置在所述通光孔处以节约设备空间。

64、在一些实施方案中，所述检测物固定装置还包括机械式开关，待测部位接触触发所述机械式开关，进而启动所述发射模块和所述光电传感器。

65、在一些实施方案中，所述多波段近红外发光拍摄装置还包括连接固定部件装置用以分别连接、固定各个部件，其上设有多个卡扣用以安装固定部件，连接固定部件装置简化了各个部件的安装，各个部件的安装与固定变成类似搭积木一样的简单积插，这使得所述一种多波段近红外发光拍摄装置一经安装，就无需再对其光路汇聚、拍摄聚焦作其他调整。

66、在一些实施方案中，所述光源元件为led灯；所述光源温控系统为半导体制冷器；所述无畸变微距拍摄的光电传感器为有机图形光电传感器，所述有机光电传感器具有机械柔性、易于加工、光电特性可调、优良的光传感性能的特性。由于有机光电传感器对于成像物距要求低，故使用其针对微距成像时不需要采用镜头对焦。

67、在一些实施方案中，所述光源元件可根据检测目的而发射出750～2250nm波段间数个波长的光；所述带通滤光片可根据所述光源元件发出的光的波长允许750～2250nm波段中某一波段区间的光通过；所述光电传感器可根据所述光源元件发出的光的波长拍摄700～2500nm波段中数个波长下的近红外图像。

68、在一些实施方案中，所述拍摄装置用于测量使用者的血糖指标和贫血症病的血红蛋白浓度等；所述光源元件发射出的光的波段在750～1000nm间；所述带通滤光片允许750～1000nm波段区间的光通过；所述光电传感器可拍摄750～1000nm波段中数个波长的近红外图像。

69、在一些实施方案中，所述拍摄装置用于测量使用者的尿酸指标；所述光源元件发射出的光的波段在1550～1650nm间；所述带通滤光片允许1550～1650nm波段区间的光通过；所述光电传感器可拍摄1550～1650nm波段中数个波长的近红外图像。

70、利用如上所述的一种多波段近红外发光拍摄装置的进行数据采集的方法，其采集步骤如下：

71、将待测部位放置在所述检测物固定装置上，待测部位通过直接接触触发所述机械开关，所述机械开关通过所述摄像头板启动所述发射模块和所述光电传感器；

72、多个所述光源元件依次发出各自波长的近红外光，同一时间，所述光源元件发出的光的波长相同；

73、所述光电传感器配合所述光源元件依次发出各自波长的近红外光的时间，依次在每个波长连续采集多帧该波长的近红外光穿过待测部位后的待测部位近红外图像；

74、在所述待测部位近红外图像中筛选至少一帧进行数据前期处理，将处理后的所述待测部位近红外图像作为数据集应用于后续的检测算法。

75、所述待测部位近红外图像包括但不限于照片、连续录像片段及光谱图等。

76、优选地，所述光电传感器采集完前一个波长下的待测部位近红外图像并确认该图像可以满足采集目的后，发出反馈信号将发出前一个波长的近红外光的所述光源元件切换为发出后一个波长的近红外光的所述光源元件，直到采集完所有波长下的所述近红外光图像。

77、本发明还提供了另一种多波段近红外发光拍摄装置，技术方案如下：

78、一种多波段近红外发光拍摄装置，包括发射模块和无镜头接收模块；

79、所述发射模块包括至少一个光源元件，和发射端光学镜片组；所述发射端光学镜片组包括至少一个发射端凸透镜；

80、所述无镜头接收模块包括带通滤光片和光电传感器，所述光电传感器为无畸变微距拍摄的光电传感器；无畸变微距拍摄光电传感器是指能够在微距场景下进行无畸变的成像的光电传感器，有机光电传感器(opd)是目前应用的较多的一种。

81、所述发射模块的光源元件发射出的光所通过的路径依次为所述发射端光学镜片组、待测部位、所述带通滤光片和所述光电传感器。

82、经过所述带通滤光片的光为穿透待测部位的漫透射光。

83、在一些实施方案中，所述光源元件呈对称地排布在光源电路板上的光源元件安装区域，使得所有所述光源元件照射区域的重叠部分覆盖待测部位，并分别依次发出各自波长的近红外光；所述光源元件安装区域位于光源电路板上，可呈矩形、圆形等；所述光源电路板为圆形或矩形等。

84、在一些实施方案中，所述检测物固定装置还包括机械式开关，待测部位接触触发所述机械式开关，进而启动所述发射模块和所述光电传感器。

85、在一些实施方案中，所述光源元件为led灯；所述光源温控系统为半导体制冷器(tec)；所述无畸变微距拍摄的光电传感器为有机图形光电传感器，所述有机光电传感器具有机械柔性、易于加工、光电特性可调、优良的光传感性能的特性。由于有机光电传感器对于成像物距要求低，故使用其针对微距成像时不需要采用镜头对焦。

86、在一些实施方案中，所述光源元件可根据检测目的而发射出750～2250nm波段间数个波长的光；所述带通滤光片可根据所述光源元件发出的光的波长允许750～2250nm波段中某一波段区间的光通过；所述光电传感器可根据所述光源元件发出的光的波长拍摄700～2500nm波段中数个波长下的近红外图像。

87、利用如上所述的一种多波段近红外发光拍摄装置的进行数据采集的方法，其采集步骤如下：

88、将待测部位放置在所述检测物固定装置上，待测部位通过直接接触触发所述机械开关，所述机械开关进而启动所述发射模块和所述光电传感器；

89、多个所述光源元件依次发出各自波长的近红外光，同一时间，所述光源元件发出的光的波长相同；

90、所述光电传感器配合所述光源元件依次发出各自波长的近红外光的时间，依次在每个波长连续采集多帧该波长的近红外光穿过待测部位后的待测部位近红外图像；

91、在所述待测部位近红外图像中筛选至少一帧进行数据前期处理，将处理后的所述待测部位近红外图像作为数据集应用于后续的应用。

92、所述待测部位近红外图像包括但不限于照片、连续录像片段及光谱图等。

93、优选地，所述光电传感器采集完前一个波长下的待测部位近红外图像并确认该图像可以满足采集目的后，发出反馈信号将发出前一个波长的近红外光的所述光源元件切换为发出后一个波长的近红外光的所述光源元件，直到采集完所有波长下的所述近红外光图像。

94、本发明的有益效果：

95、本发明提供的多波段近红外发光拍摄装置上的多个光源元件可分别发出不同波长的光，可实现在一次检测中采集多组不同波长下的检测数据，有助于提高检测精度；此外，该拍摄装置将光源元件呈均匀排布在光源电路板上，使得所有光源元件照射区域的重叠部分覆盖待测区域，在多波段采集数据时减少因光源元件位置不同引起的误差，并在发射端透镜组中设有发射端凸透镜，使得光源可以在满足会聚性的同时实现均匀性，既最终可以均匀地会聚在检测区域，提升检测精度；并在接收模块设有带通滤光片，该带通滤光片只允许光源部件发出的特定波段区间的近红外光通过而滤去其他光，杜绝环境光中其他波段光的干扰，减少噪声，进一步提高检测精准度。

96、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

97、附图说明

98、图1是多波段近红外发光拍摄装置结构示意图。

99、图2是光源电路板结构示意图。

100、图3是多波段近红外发光拍摄装置的光路图。

101、图4是多波段近红外发光拍摄装置另一结构示意图

102、图5是多波段近红外发光拍摄装置的另一光路图。

103、图6是使用多波段近红外发光拍摄装置进行数据采集的流程图。

104、图7是使用多波段近红外发光拍摄装置进行数据采集的另一流程图。

105、图8是具有反射式发射模块的多波段近红外发光拍摄装置结构示意图。

106、图9是具有反射式发射模块的多波段近红外发光拍摄装置的光源电路板结构示意图。

107、图10是具有反射式发射模块的多波段近红外发光拍摄装置的光路图。

108、图11是具有反射式发射模块及无镜头接受模块的多波段近红外发光拍摄装置结构示意图。

109、图12是具有反射式发射模块及无镜头接受模块的多波段近红外发光拍摄装置的光路图。

110、图13是具有无镜头接受模块的多波段近红外发光拍摄装置结构示意图。

111、图14是具有无镜头接受模块的多波段近红外发光拍摄装置的光路图。