辨別過濾裝置、對象辨別方法、以及辨別過濾裝置的過濾器的設計方法

專利名稱：辨別過濾裝置、對象辨別方法、以及辨別過濾裝置的過濾器的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種反射率的光譜測量技術，具體地說，涉及一種基于光譜結果在多 種類型的樣品之間進行辨別的技術。
背景技術：
已經開發了用于檢查樣品特性和/或用于在多種類型的樣品之間進行辨別的各 種方案。例如，日本專利公開No. 2003-169788 (專利文獻1)以及日本專利公開 No. 10-99288 (專利文獻2)公開了一種用于測量皮膚的水分含量的設備。這些文獻所公 開的設備利用皮膚的靜電電容隨著皮膚的水分含量而變化這一事實，測量了皮膚中的含水量。此外，日本專利公開No. 63-161935 (專利文獻3)公開了一種用于對皮膚圖片進行 圖像處理以便對皮膚失調進行量化的設備。日本專利公開No. 2002-345760 (專利文獻4)公開了一種用于基于三種波長中的 光譜圖像的組合來估計黑色素所在位置距離皮膚表面的相對深度的方法和設備。專利文獻1 日本專利公開No. 2003-169788專利文獻2 日本專利公開No. 10-99288專利文獻3 日本專利公開No. 63-161935專利文獻4 日本專利公開No. 2002-345760

發明內容
本發明所要解決的技術問題光譜技術的使用允許多種類型的樣品被辨別出來，這不僅僅限于前述皮膚情況的測量。下面將參考圖1來描述利用光譜技術的樣品辨別。圖1示出了四個不同樣品的反 射光譜la、lb、Ic和Id。圖1中，這些光譜在波長A1附近呈現了不同的反射率。因此，通過在波長X1處 測量樣品，可根據理想情況中得到的測量來識別樣品類型。實際上，測量結果中通常會產生由于周圍環境產生的變化(干擾)，這種變化通常 大到可以觀察到樣品之間的光譜中的差別。在這種情況下不能通過前述簡單方法執行樣品 辨別。在傳統樣品辨別方案中，需要復雜的處理來消除這種變化的影響。例如，通過獲取 各個波長的測量，隨后得到針對光譜中的波長的第一導數和第二導數，或者通過使用被認 為在根據樣品的測量結果中將不存在差別的反射波長(圖1中的波長λ2)的測量結果，來 補償變化。
本發明旨在解決前述問題。本發明的一個目標是提供一種很容易地實現對象辨別 分析的裝置。解決問題的手段根據本發明的一個方面，一種辨別過濾裝置包括具有第一通帶的第一過濾器； 具有第二通帶的第二過濾器，所述第二通帶包含所述第一通帶；檢測單元，用于檢測從所關 注對象輸出的并且傳播通過所述第一過濾器和所述第二過濾器之一的電磁波，從而輸出與 來自所述所關注對象的電磁波的強度相對應的第一信號和第二信號；以及分析單元，用于 根據利用所述第二信號的積分而歸一化的所述第一信號來對所述所關注對象執行辨別分 析。優選地，所述分析單元根據所述第一信號積分的對數與所述第二信號積分的對數 之差來執行對所述所關注對象的辨別分析。優選地，所述分析單元根據通過將所述第一信號和所述第二信號代人根據所述第 一通帶和所述第二通帶確定的辨別函數而獲取的值，執行對所述所關注對象的辨別分析。
優選地，所述第一通帶和所述第二通帶包括近紅外范圍。優選地，所述分析單元識別以類型歸類的兩個或更多類型的物質。優選地，所述分析單元將水與另一物質識別開。優選地，所述分析單元估計并識別物質表面或者內部的水分含量。優選地，辨別過濾裝置還包括用于發射電磁波的波源。檢測單元檢測從接收所述 波源所輸出的所述電磁波的所述所關注對象輸出的電磁波。并且優選地，所述波源包括LED。并且優選地，所述檢測單元檢測從所述波源輸出的并且傳播通過所述所關注對象 的電磁波。并且優選地，所述檢測單元檢測從所述波源輸出的并且從所述所關注對象反射的 電磁波。并且優選地，所述檢測單元包括將電磁波轉換成電信號的至少一個元件。并且優選地，所述檢測單元包括多個元件，其中每個元件都將電磁波轉換成電信 號。所述多個元件的每一個一維對齊。并且優選地，所述檢測單元包括具有二維對齊的多個元件的圖像感應元件。每個 元件都將電磁波轉換成電信號。根據本發明的另一方面，一種所關注對象的辨別方法包括步驟檢測從所述所關 注對象輸出的并且傳播通過具有第一通帶的第一過濾器的電磁波，從而輸出與傳播通過所 述第一過濾器的電磁波的強度相對應的第一信號；檢測從所述所關注對象輸出的并且傳播 通過具有第二通帶的第二過濾器的電磁波，從而輸出與傳播通過所述第二過濾器的電磁波 的強度相對應的第二信號，其中第二通帶包含第一通帶；以及根據由所述第二信號的積分 歸一化的所述第一信號來執行對所關注對象的辨別分析。根據本發明的另一方面，一種對辨別過濾裝置的過濾器的設計方法包括步驟為 多個過濾器中的每個過濾器設置透射特性；根據所設置的透射特性以及多個樣品的指教光 譜，產生所述辨別過濾裝置對所關注對象進行辨別時使用的辨別函數；計算在使用所述辨 別函數時錯誤地辨別樣品的誤差率；修改所述透射特性；根據所修改的透射特性和所述指教光譜重新產生所述辨別函數；計算針對重新產生的辨別函數的誤差率；以及獲取所設置 的透射特性和所修改的透射特性中提供最小誤差率的透射特性。優選地，所述指教光譜包括近紅外范圍的光譜。所述所修改的透射特性包括具有 近紅外范圍的通帶的透射特性。本發明的效果根據本發明的辨別過濾裝置，所獲取的傳播通過具有第一通帶的過濾器的信號被 通過具有第二通帶的過濾器獲得的來自對象的光強的積分所歸一化，隨后根據歸一化后的 信號執行對象的辨別分析，其中第二通帶包含第一通帶。因此，本發明可以很容易地執行對 象的辨別分析。


圖1是描述利用傳統光譜技術來辨別樣品的示圖。
圖2以方框形式表示根據一個實施例的辨別過濾裝置的結構
圖3是描述了根據該實施例的樣品辨別的概況的示圖。
圖4A是相機的側面截面圖。
圖4B是過濾器切換單元的正視圖。
圖5是描述根據改型的相機的結構的示圖。
圖6表示了數碼相機的結構。
圖7是根據實施例的設計過濾器的處理流程的流程圖。
圖8是描述計算機硬件結構的示圖。
圖9是描述誤差率e的示圖。
圖10是描述獲取指教(teaching)光譜的概況的示圖。
圖11表示了根據示例1的指教光譜。
圖12表示了根據示例1設計的過濾器的傳輸特性。
圖13是作為辨別對象的樣品的原始圖像。
圖14表示了圖13所示的樣品的辨別結果。
圖15表示了根據示例2的指教光譜。
圖16表示了根據示例2設計的過濾器的傳輸特性。
圖17是描述所設計的過濾器的意義的示圖。
圖18示出了根據第二實施例的樣品辨別方式的示例。
圖19表示了根據第二實施例的樣品辨別方式的另一示例。
圖20A表示了辨別過濾裝置的外觀。
圖20B是辨別過濾裝置的側面截面圖。
圖21表示了根據第二實施例的辨別過濾裝置的使用方式。
圖22詳細示出了根據第二實施例的辨別過濾裝置的結構。
圖23A表示了根據第一改型的辨別過濾裝置的外觀。
圖23B表示了根據第一改型的辨別過濾裝置的側面截面圖。
圖24表示了根據第二改型的辨別過濾裝置的結構。
圖25表示了根據第三改型的辨別過濾裝置的結構。
圖26表示了辨別過濾系統的結構。圖27是辨別過濾裝置所執行的處理流程的流程圖。圖28是辨別過濾裝置所執行的根據改型的處理流程的流程圖。對參考標號的說明10辨別過濾裝置；20光學系統；20. 1第一過濾器；20. 2第二過濾器；30檢測單元； 40處理單元；42存儲單元；50結果輸出單元；100相機；110第一透鏡；120過濾器切換單 元；122軸；130第二透鏡；140快速復原反光鏡；150CCD ； 160五棱鏡；170第三透鏡；180光 學尋像器；190閃光燈；200圖像處理單元；210第一過濾器；220第二過濾器；230分束器； 240,250圖像感應元件；310透鏡；320存儲器；330顯示面板；340過濾器支持單元；600計 算機；610CPU ；620RAM ；630硬盤；640鍵盤；650鼠標；660外部接口 ；670監視器；810冰； 820水；830浙青；840傳感器；850近紅外分光儀；860個人計算機；1600辨別過濾裝置； 1610光接收元件；1620過濾器；1630光源；1640指示器；1645蜂鳴器；1650放大器；1660 處理器；1690LED電源；1700導管；1710圓管；1720方管；1730圓管；2400辨別過濾裝置； 2500辨別過濾裝置；2510光接收元件陣列；2520過濾器陣列；2600辨別過濾系統；2610樣 品測量裝置；2620纜線。
具體實施例方式[第一實施例](1.概況)將參考圖2來描述根據實施例的辨別過濾裝置10。圖2以方框形式表示根據本發 明實施例的辨別過濾裝置10的結構。參見圖2，辨別過濾裝置10包括光學系統20、檢測單元30、處理單元40、存儲單元 42以及結果輸出單元50。光學系統20包括多個光學元件。來自作為辨別對象的樣品的光(從樣品反射的 光或者傳播通過樣品的光)經由光學系統20進入檢測單元30。此處所使用的術語“光”指的是不僅包括可見光而且包括樣品辨別中采用的一般 的電磁波。即，此處所使用的“光”指的是與樣品相互作用的電磁波。具體地說，“光”包括 可見光、近紅外光、遠紅外光、紫外線光等。具體地說，光學系統20包括第一過濾器20. 1以及第二過濾器20. 2。第一過濾器 20. 1具有第一通帶。第二過濾器20. 2具有第二通帶，第二通帶包含第一通帶。根據辨別過 濾裝置10所正在辨別的樣品的特性來設計第一通帶和第二通帶。后面會對過濾器的設計 方法進行描述。除了第一過濾器20. 1以及第二過濾器20. 2之外，光學系統20還包括諸如透鏡和 反光鏡之類的光學元件。第一過濾器20. 1以及第二過濾器20. 2之外的其它光學元件并非 必須的，其取決于樣品和檢測單元30之間的位置關系。檢測單元30檢測從樣品輸出的并且傳播通過第一及第二過濾器20. 1和20. 2之 一的電磁波。檢測單元30輸出與所檢測到的電磁波的強度相對應的信號。下文中，與傳播 通過第一過濾器20. 1的電磁波的強度相對應的信號被稱為“第一信號”。與傳播通過第二 過濾器20. 2的電磁波的強度相對應的信號被稱為“第二信號”。
處理單元40根據來自檢測單元30的第一信號和第二信號來進行樣品的辨別。具 體地說，處理單元40根據以第二信號的積分歸一化的第一信號來執行樣品的辨別分析。下 文將描述處理單元40所執行的處理的更多細節。存儲單元42存儲數據。具體地說，存儲單元42存儲將被處理單元40執行的程序、 來自處理單元40的計算結果等。結果輸出單元50輸出通過處理單元40得到的對樣品的辨別結果。對于結果輸出 單元50，例如，可以使用顯示了表示計算結果的的屏幕的監視器、根據計算結果發光的指示 器、以及根據結果發出聲音的蜂鳴器等。可選地，結果輸出單元50可以是一個將辨別結果 提供給外部源的接口。現在將描述與辨別過濾裝置10是相機的情況相對應的實施例。現在將參考圖3來描述根據該實施例的辨別分析的概況。圖3是描述了根據該實 施例的辨別分析的概況的示圖。在該實施例的辨別分析中，相機通過多個光譜過濾器(每個光譜過濾器具有不同 的通帶)來對作為辨別主體的對象進行多次拍攝。通過相機的圖像拾取而輸出的圖像的每 個像素的值對應于波長在每個過濾器光譜通帶上的積分值。每個過濾器的通帶被設計成適合對對象進行辨別。下文將描述設計過濾器的方法 以及所設計的過濾器的特征。根據兩個輸出圖像來辨別對象。在本實施例中，假設利用線性辨別分析來推斷對 象屬于兩個組中的哪個組。具體地說，輸出結果被替換成根據每個過濾器的透射特性以及 事先獲得的指教光譜而確定的辨別函數，以允許根據替換結果是正的還是負的來推斷對象 屬于哪個組。(2.相機結構)現在將參考圖4A和圖4B來描述本實施例的相機100的結構。圖4A和圖4B是用 來描述根據本實施例的相機100的結構的示圖。圖4A是相機100的側截面圖。如圖4A所示，相機100包括用于從作為圖像拾取 目標的對象采集光的第一透鏡110，過濾器切換單元120，用于調節光束的收斂的第二透鏡 130，快速復原反光鏡140，CXD (電荷耦合器件)150，五棱鏡160，第三透鏡170，光學尋像器 180，用于在對象上產生光的閃光燈190，以及圖像處理單元200。圖4B是過濾器切換單元120的正視圖。過濾器切換單元120包括軸122、第一過 濾器210以及第二過濾器220，如圖4B所示。過濾器切換單元120可圍繞軸122旋轉。在 第一透鏡110采集到的光通過第一過濾器210或者第二過濾器220。快速復原反光鏡140在一般狀態下位于圖4A所示的實線所指示的位置，并在圖像 拾取時移動到點線所指示的位置。即，光在一般模式下被導向光學尋像器180，在圖像拾取 模式中被導向C⑶150。CXD 150將入射光的強度轉換成圖像信號，并且輸出與圖像信號在其波長上的 積分相對應的值。CCD 150是用于獲取光強信息的圖像感應元件的示例。可替換地采用 CMOS(互補金屬氧化物半導體)傳感器的結構來代替CXD 150。可選地，可以采用S i光接 收元件，諸如InGaAs、Ex-InGaAs之類的III-V族化合物半導體光接收元件，諸如HgCdTe之 類的II-IV族光接收元件，諸如MEMS之類的熱紅外感應元件。
來自CXD 150的輸出結果被提供給圖像處理單元200。圖像處理單元200根據該 輸出結果對對象進行辨別。圖4A和圖4B所示的相機100借助過濾器切換單元120來通過兩種類型的過濾器 的透射獲取對象圖像。可選地，可采用分束器來替換過濾器切換單元120。圖5所示的該相機的改型。圖5是描述根據改型的相機100#的結構的示圖。相機100#與相機100的不同之處在于并入了分束器230來代替過濾器切換單元 120，不同之處還在于并入了兩個圖像感應元件(圖像感應元件240、圖像感應元件250)。第 一過濾器210被布置在分束器230和圖像感應元件240之間。第二過濾器220被布置在分 束器230和圖像感應元件250之間。分束器230對第一過濾器210的方向上的光以及第二過濾器220的方向上的光進 行分光。相機100#的優點在于可通過一個程序獲取兩個圖像，而相機100的優點在于需要 圖像感應元件的更少像素，從而實現了緊湊的裝置。相機100和相機100#的結構并不限于圖4和圖5所示的結構。例如，可以采用修 改了透鏡數量的結構，沒有快速復原反光鏡140、五棱鏡160、第三透鏡170和光學尋像器 180的結構，或者沒有閃光燈190的結構。例如，具有更簡單結構的數碼相機100##可被采用來代替相機100以及相機100#。 圖6是數碼相機100##的結構。數碼相機100##包括透鏡310、CCD 150、圖像處理單元200、存儲器320、顯示面 板330、閃光燈190以及過濾器支持單元340。過濾器支持單元340支持第一過濾器210或第二過濾器220。過濾器支持單元340 被附接至數碼相機100##的外殼。在附接至數碼相機100##時，過濾器支持單元340固定 地支持第一過濾器210和第二過濾器220以使得通過第一過濾器210或第二過濾器220的 光進入透鏡310。過濾器支持單元340包括參考圖4描述的用于對位于透鏡310前方的過濾器進行 切換的過濾器切換機制。可選地，可制備多個過濾器支持單元340，其中每個過濾器支持單 元上附接了不同的過濾器。在這種情況下，每次將要拍攝所關注的對象時，用戶將任意一個 過濾器支持單元340附接至數碼相機100##。透鏡310在CXD 150上形成與入射光相對應的圖像。圖像處理單元200將來自 CXD 150的輸出結果存儲至存儲器320。圖像處理單元200根據來自CXD 150的輸出結果 在顯示面板30上顯示圖像。可選地，可采用載有第一過濾器的相機以及載有第二過濾器的另一相機來替換單 個相機。假設所采用的這兩個相機的性能是相同的。即，當在不安裝過濾器的相同條件下 拍攝同一對象時，將獲取相同的圖像。雖然在此將靜態圖片相機作為示例，但是當然可以采用運動圖片相機。(3.過濾器設計方法)將參考圖7來描述過濾器的設計方法。圖7是表示根據實施例的設計過濾器的處 理流程的流程圖。在本實施例中，假設圖7中的每個處理都由圖8所示的計算機600來實現。圖8是描述了計算機600的硬件結構的示圖。計算機600包括CPU(中央處理單元)610、RAM(隨機訪問存儲器)620、硬盤630、 鍵盤640、鼠標650、外部接口 660以及監視器670。CPU 610執行各種處理。RAM 620存儲在CPU 610執行處理期間所產生的臨時數 據等。硬盤630存儲與設計過濾器有關的程序和/或所設計的過濾器的特性。鍵盤640以 及鼠標650接受外部施加的指令，以根據指令向CPU 610發送信號。外部接口 660接收諸 如分光儀所測得的光譜之類的外部施加的數據。監視器670顯示存儲在硬盤630中的數據等。CPU 610通過執行存儲在硬盤630或者RAM 620中的程序來執行下文將描述的用 于過濾器設計的各種處理。雖然將在此描述在軟件中實現的過濾器設計，但是可通過諸如專用電路之類的硬 件來實現過濾器設計。在步驟S501，CPU 610針對兩個過濾器的傳輸特性設置參數的初始值。可以在程 序中預先確定初始值，或者可通過鍵盤640等輸入初始值。假設本實施例中將要設計的過濾器被限制為理想的帶通過濾器，其使得從某一特 定波長值至另一波長值的光完全透射，并且阻擋具有其它波長范圍的光。因此，第一過濾器 和第二過濾器的透射特性可單獨由等式(1)和等式(2)所示的通帶所表示
7^) = 1(4。)《；Kyi。)),0(否則)(1)
T2U) = 1(4。) <λ< 3Γ),0 (否則)(2)假設較長波長側邊的值以及透射寬度被取為表示過濾器透射特性的參數。可選 地，過濾器透射特性可由較長波長側邊的值以及透射寬度之外的其他參數所表示。并且，將 要設計的過濾器的結構并不限于帶通過濾器，可以采用其它類型的過濾器的設計。在步驟S503，CPU 610根據存儲在硬盤630中的指教光譜以及所設置的透射特性 來產生辨別函數。此處所使用的指教光譜指的是預先識別出其所屬的組的樣本(下文將其稱為指 教樣本)的光譜。為多個樣本準備指教光譜。為了改進辨別精度，優選地準備多個指教光 譜。在本實施例中，假設各個指教樣本要么屬于組a，要么屬于組b。辨別函數f ( ·)是一個用于推斷由多個變量的集合所表示的樣本屬于兩個組中的 哪一個組的函數。當給出了對樣本進行表征的變量的集合“A”(雖然由單個字符所表示，但 是其表示具有與變量數量相等的元素數量的一個矢量)時，根據f (A)得到正值還是負值來 推斷所施加的樣本屬于哪個組。在本實施例中，A= (log R1, log R2)'被用作變量，其中“‘”表示矩陣的轉置。 Ri(i = 1,2)是與通過具有所設置的透射特性Ti(X)的過濾器的通道相對應的圖像感應元 件的輸出值，其中Ri由如下等式(3)給出，其中S(X)是樣本的光譜。Ri = / Ti(X)S(X)CU (3)嚴格地說，在得到Ri時，必須考慮圖像感應元件本身的特性。由于圖像感應元件的 特性可被包含在Ti(X)的公式中，此處所公開的方法允許包含圖像感應元件本身的特性。
利用屬于相關組的指教樣本的變量集合A(為了與一般的A區分開，指教樣本的變 量集合用A*表示)的每個均值及均值μ b (與A類似的矢量)，來通過等式(4)給出 辨別函數f (A)。f(A) = (Ua-Ub) ‘ Σ ―1 (Α-( μ a+μ b)/2) (4)其中，Σ是組的方差-協方差矩陣。假設兩個組之間的方差-協方差相等，并且兩 個組之間的總群中的現存比例相同。可利用P =Σ ^1(Ua-Ub)來將辨別函數重寫為如下所示的等式(5)。f (A) = P' A+P' ( ( μ a+ μ b) /2)(5)= P1IogR^P2IogR2+ ' (( μ a+ μ b) /2)換言之，辨別函數可被描述為相機輸出上的線性轉換。從等式可以理解的是，P是 與相機輸出相關的因子。在步驟S505，CPU 610利用在步驟S503產生的辨別函數來辨別每個指教光譜，并 且計算該辨別的誤差率。誤差率由下面的等式(6)給出。e = ρ (f (A*) < O | a) X Na/ (Na+Nb) +ρ (f (A*) < O | b) X Nb/ (Na+Nb) (6)其中Na和Nb分別是屬于組a和組b的指教樣本的數目，p(f(A*) < O | a)是屬于 組a的指教樣本被歸類為組b的可能性，p(f(A*) <0|b)是屬于組b的指教樣本被歸類為 組a的可能性。將參考圖9來解釋等式(6)的含義。圖9是描述誤差率e的示圖。在圖9中，水 平軸表示A(本質上是具有兩個元素的矢量，但是出于簡潔的目的而單向地示出)，豎直軸 表示樣本數目。如圖9所示，每組的指教樣本在每組的均值周圍的恒定寬度上分布。因此，由于 f(A) < O的結果而存在一些屬于組a但被歸為組b的指教樣本，并且/或者由于f(A) >0 的結果而存在一些屬于組b但被歸為組a的指教樣本。這導致錯誤的辨別。雖然圖9對應于具有相同分布方式的組a和組b之間樣本的數目相等的情況，但 是還存在樣本數目不同的情況。等式(6)中的Na/(Na+Nb)以及Nb/(Na+Nb)是考慮樣本數目 的加權因子。在步驟S507，如果誤差率e是目前最小的，則CPU 610則存儲所設置的通帶。在步驟S509，CPU 610確定是否已經針對所有的預定的候選通帶獲取了誤差率。在還沒有針對所有的預定的候選通帶獲取誤差率的情況下(步驟S509為否)，CPU 610在步驟S511改變過濾器波長通過范圍，并重復從步驟S503到步驟S509的處理。當針對所有候選通帶獲取了誤差率時(步驟S509為是)，在步驟S513中CPU 610 提取提供最小e的通帶。S卩，在步驟S507存儲的通帶被提取作為提供最小e的通帶。確定通帶的方法并不限于上述循環方案。可以采用循環方案之外的用于確定具 有最小誤差率的候選者的算法。舉例來說，可以采用模擬退火(例如參考S.Kirkpatrick， C. D. Gelatt, Jr. ,Μ. P. Vecchi, “ Optimization by Simulated Annealing(Wtt 化)〃，SCIENCE, Vol. 220，No. 4598，pp. 671-680，1983)或者遺傳算法(例如參考 Shinya ffatanabe, Tomoyuki Hiroyasu，以及Mitsunori Miki ^ Information Processing Society of Japan 的 Vol. 43PP. 183-198,2002 上發表的〃 Neighborhood Cultivation GeneticAlgorithm forMulti-Ob jective Optimization Problems (用于對對象優化問題的鄰近培 養遺傳算法)〃 ；Hiromi Hirano 在 Personal Media Co.，Ltd.，2000 上發表的〃 Genetic Algorithm and Genetic Programming (遺傳算法和遺傳編禾呈)“；Tadashi Kuroiwa ^t Toshiba Review 的 Vol. 60， No. 1， pp. 48—51，2005 上發表的"Trade-off Analysis method (折中分析方法)"等)。(4.示例 1)下文將描述通過前述過濾器設計方法設計的過濾器的特定示例、以及采用所設計 的過濾器得到的樣品辨別結果。在設計過濾器時，必須獲得事先已經識別了其分類的多種類型的樣品的光譜(指 教光譜)。將參考圖10描述獲取指教光譜的概述。圖10是描述獲取指教光譜的概況的示 圖。在本示例中，浙青830上的冰810 (下文也稱為“結冰狀態”)以及浙青830上的水 820(下文也稱為“潮濕狀態”)被制備為樣品。浙青830的厚度大約為15mm。冰810和水 820的厚度大約為5mm。利用傳感器840來測量這些樣品，以通過近紅外分光儀850獲得指教光譜。在本 示例中，針對冰810和水820中的每一個，以IOnm為步長，從920nm測量至1060nm，得到72 個光譜。具體地說，在特定范圍內，在冰810或水820的8(豎直)X9(水平)的網格點處 測量每個波長處的光譜。因此，在不同點測得的光譜具有由于環境影響而產生的變化。通 過獲取存在變化的指教光譜，即使在各種環境下也能夠設計合適的樣品辨別。圖11示出了所獲取的指教光譜。在圖11中，(a)表示冰和水的光譜，(b)僅表示 冰的光譜，(c)僅表示水的光譜。在每個示圖中，水平軸表示波長，豎直軸表示反射率。從圖11(a)可以理解的是，水和冰兩者的光譜在反射率方面具有更寬的范圍。這 種擴頻主要由于測量環境中的變化。由于這種擴頻，冰的光譜沒有完全與水的光譜分開。指教光譜的測量優選地在與利用光譜過濾相機拍攝樣品的環境相類似的環境下 執行。這是要反映由于適合于辨別的測量環境而造成的變化。近紅外分光儀850將指教光譜輸出至個人計算機860。基于所輸出的指教光譜，個 人計算機860計算適合于根據前述程序來對兩個樣品進行辨別的過濾器特性。圖8所示的 計算機600例如被用作個人計算機860。個人計算機860僅僅是執行過濾器設計的處理器 裝置的示例，可利用其它裝置來設計過濾器。將參考圖12來描述計算結果。圖12表示示例1中設計的過濾器的透射特性。設 計了允許925nm至1005nm的光(如實線所示)通過的過濾器以及允許920nm至1025nm的 光(如虛線所示)通過的過濾器。利用這些過濾器的情況下的辨別函數的系數可被計算為P1 = 1.7375，P2 =-1.7374。在這種情況下，理論誤差率為零。將參考圖13和圖14來描述使用這些過濾器對樣品進行辨別的結果。圖13表示 作為辨別對象的樣品的原始圖像。上部表示了潮濕狀態下的樣品，下部表示了結冰狀態下 的樣品。圖14表示了圖13所示的樣品的辨別結果。在圖14中，(a)表示了潮濕狀態下的 樣品的辨別結果，(b)表示了結冰狀態下的樣品的辨別結果。在圖14中，基于結冰狀態的確定的像素由黑色表示，基于潮濕狀態的確定的像素由灰色表示。辨別中的正確決定的百 分比為93. 8%。所設計的過濾器的特征在于一個過濾器的通帶包含在另一過濾器通帶中。通過使 用這樣一組過濾器來適當地執行對樣品的辨別的原因在于，具有更寬通帶的過濾器起到歸 一化過濾器(normalizationfilter)的作用，從而去除了干擾因素的影響，并且具有更窄 通帶的過濾器起到識別過濾器的作用，以允許在更高精度下分離的識別對象的波長通過。可以這么假設，計算出的辨別函數對應于經由一個過濾器輸出的對數以及經由另 一個過濾器輸出的對數之間的簡單差(P1與-P2基本相等)，并且利用辨別函數以一個過濾 器的輸出對另一個過濾器的輸出進行歸一化。由于輸出的對數被比較，通過獲取差的簡單 過程實現了歸一化。(5.第二示例)已經基于利用920nm至1060nm的光譜設計過濾器描述了上述示例。將要采用的光 譜的波長范圍并不限于此。在此，將描述利用包含更長波長范圍的光譜來設計過濾器。可 通過利用更寬波長范圍的光譜設計過濾器來改善辨別精度。在本示例中，針對結冰狀態和潮濕狀態的每一個，以步長5nm測量將被用作指教 光譜的900nm至1695nm的72個光譜。測量得到的指教光譜如圖15所示。在圖15中，(a)表示冰和水的光譜，(b)僅表 示冰的光譜，(c)僅表示水的光譜。在每個示圖中，水平軸表示波長，豎直軸表示反射率。圖16示出了基于該指教光譜設計的過濾器的透射特性。設計出了允許1140nm至 1335nm的光通過的過濾器(由實線表示，辨別過濾器)以及允許1130nm至1360nm的光通 過的過濾器(由一條點線表示)。使用這些過濾器時辨別函數的系數被計算為P1 = -2997. 9,P2 = 3006. 8。在這種 情況下，理論誤差率為零。從圖15(a)可以理解的是，由于水光譜和冰光譜之間的重疊，所以不容易進行水 和冰之間的辨別。但是，它們之間的辨別可以通過使用上述過濾器來實現。下文將參考圖 17對此進行描述。圖17是描述所設計的過濾器的意義的示圖。圖17中，(a)、(b)和(C)分別表示水和冰的歸一化光譜、冰的歸一化光譜、以及水 的歸一化光譜。此處所用的術語“歸一化”指的是在通過歸一化過濾器進行拍攝時通過相 機的輸出來劃分每個光譜的處理。在圖17中，歸一化過濾器的邊緣由一條點線表示，而識 別過濾器的邊緣由實線表示。如圖17(a)所示，在識別過濾器允許光通過的區域中清楚地區分了冰的光譜以及 水的光譜。換言之，可以理解的是，識別過濾器具有適合于辨別樣品的通帶。具體地說，當 在相同的環境下測量兩個樣品時，識別過濾器的通帶處的兩個樣品的光譜具有很容易通過 預定辨別方法區分的形狀。根據這些結果，優選地使用較長波長側的近紅外區域來對水與 冰進行辨別。由于水在1.9微米附近具有更陡峭的吸收光譜范圍，所以期望使用其附近的 通帶來根據材料進行辨別。將參考辨別函數來進行描述。辨別函數的得分f(A)去除了常數項，并且在假設P1 和P2具有相同水平的情況下將PJP P2的系數歸一化為1，從而給出f (A) = -IogR^logR2 = IogOVR1)。通過將隊和&的公式代入等式，得到f㈧=log( / T2(A)S(A)dA/ / T1(A)δ(λ)(1λ) = log( f T2U)SnU)cU)，其中SnU)是歸一化光譜。換言之，歸一化光譜 在識別過濾器的通帶上的積分的對數變為去除了常數值的辨別函數的得分。因此，可以理 解的是，可基于所設計的兩個過濾器以及所計算出的辨別函數來適當地執行辨別。按照根據本實施例的設計過濾器的方法，可以設計出適合于辨別的兩個過濾器， 即，通帶適合于樣品辨別的識別過濾器、以及旨在去除干擾因素的歸一化過濾器。(6.第一實施例的各種改型)根據本實施例的辨別過濾相機還可以根據測量結果來估計物質表面或者物質內 部的水分含量。雖然前述實施例基于水和冰之間的辨別，但是也可以針對其它樣品根據類似方法 設計過濾器以及利用所設計的過濾器辨別樣品。辨別過濾相機可用于通過圖像識別物質。即，可以將辨別結果以可以理解的方式 顯示為圖像。例如，圖像處理單元200使得不同物質顯示出不同顏色，如圖14所示的結果。將由上述設計方法設計的多個過濾器并不限于兩個。前述設計方法可擴展為允許 三個或者更多過濾器的設計。當然，可以生產采用三個或者更多所設計的過濾器的光譜相 機。此外，可以通過前述方法執行對三種或者更多類型的樣品的辨別。在這種情況下， 應該根據將被辨別的物質的類型適當地增加過濾器的數目。對于辨別分析方法，可以采用 規范的辨別分析等。已經描述了單個相機100基本上包括用于執行對象辨別的所有組件的上述實施 例。但是，顯然的是，通過應用之前的說明，可通過基于多個裝置的組合的系統來實現辨別 過濾裝置，而不是僅僅采用單個相機100。例如，如之前已經提到的，兩個不同的相機可分別包含第一過濾器20. 1和第二過 濾器20. 2。可選地，第一過濾器20. 1和第二過濾器20. 2并沒有并入一個相機中。可為相 機單獨地制備這些過濾器。可選地，辨別過濾裝置可由相機和計算機實現。計算機包括接收相機所拾取的圖 像結果的接口、CPU以及監視器。在這種情況下，CPU起到處理單元40的作用，監視器起到 結果輸出單元50的作用。在本實施例中，辨別過濾裝置根據從樣品反射的光的檢測結果來進行對樣品的辨 別。入射至辨別過濾裝置的光并不限于反射光，只要能夠突出樣品的特性。例如，辨別過濾 裝置可檢測透射通過樣品的光，并且根據所檢測到的結果來辨別樣品。已經針對根據相機對對象的圖像拾取結果來辨別對象的情況描述了本實施例。因 此，可以在本實施例中獲取針對圖像中的每個點的對象辨別結果。從可以在圖像中的每個 點處辨別對象這一事實可以理解的是，辨別過濾裝置可基于將入射光轉換為電信號的一個 光接收元件的光檢測結果來辨別對象。辨別過濾裝置要求至少一個光接收元件。[第二實施例](1.概況)第二實施例基于采用點傳感器的辨別過濾裝置。第二實施例的辨別過濾裝置包括 光源。第二實施例的辨別過濾裝置利用從光源輸出的通過對象的光來執行對象辨別。第二 實施例的辨別過濾裝置可被用來檢查可透過光的樣品，尤其是檢查諸如液體之類的流體。
將參考圖18來描述利用根據第二實施例的辨別過濾裝置的具體樣品辨別的示 例。圖18示出了根據第二實施例的樣品辨別方式的示例。辨別過濾裝置包括LED光源、多個光接收元件1610、以及多個過濾器。通過與第 一實施例類似的方法來設計過濾器。光接收元件1610和過濾器成對布置。但是，為了簡化 說明，圖18未示出辨別過濾裝置的具體結構。后文會參考其它附圖來描述辨別過濾裝置的 具體結構。在本實施例中，所關注的辨別過濾裝置分析包含在流經方管1720的液體中的成 分。辨別過濾裝置的用戶布置辨別過濾裝置以圍繞方管1720。方管1720允許辨別過濾裝 置將要檢查的液體通過。液體流經方管1720。在圖18中，液體的流動方向由箭頭表示。每個光接收元件1610檢測從LED光源輸出的并且透射通過液體以及任一過濾器 的光。辨別過濾裝置基于每個光接收元件1610的光檢測結果執行對樣品(液體)的成分 分析。在需要時，辨別過濾裝置可分析流經LED光源和光接收元件之間的區域的液體的成 分。為了樣品的這種分析，樣品所通過的管子優選地是方形，而非圓形。這是因為，方 管1720的光透射不會由于位置不同而極大地變化。方管1720和辨別過濾裝置優選地不允許來自外部光源(LED光之外的光)進入。 這是出于改進檢測精度的目的。例如，辨別過濾裝置的用戶應該在樣品分析期間利用阻光 材料(例如黑色盒、黑色布等)蓋住方管1720和辨別過濾裝置。可選地，用戶可利用黑色 樹脂密封方管1720和辨別過濾裝置。可選地，用戶可在暗室內執行樣品分析。本實施例的辨別過濾裝置利用來自光源的光執行樣品辨別。因此，通過如上所述 的那樣蓋住辨別過濾裝置，環境光的影響可以減小。通過利用根據本實施例的辨別過濾裝 置，樣品的辨別精度可提高。圖18示出了以與液體流動相垂直的一維方式對齊的多個光接收元件1610。但是， 光接收元件1610的布置并不限于圖18所示的布置。例如，多個光接收元件可一維布置從 而與液體流動正交，如圖19所示。圖19表示了根據第二實施例的樣品辨別方式的另一示 例。更具體地說，光接收元件1610將被布置成允許對透射通過所關注的對象的LED光 進行檢測。例如，光接收元件1610可被布置成二維方式，而不是沿著一條直線布置。(2.裝置結構)將參考圖20A和圖20B描述根據本實施例的辨別過濾裝置的結構。圖20A和圖 20B是表示了辨別過濾裝置1600的結構的示圖。圖20A表示了根據第二實施例的辨別過濾裝置1600的外觀。圖20B是辨別過濾 裝置1600的側面截面圖。參見圖20A或圖20B，辨別過濾裝置1600包括多個光接收元件1610. 1至1610. N、多個過濾器1620. 1至1620. N、光源1630、指示器1640以及蜂鳴器1645。參考圖20A，辨別過濾裝置1600具有一端開放的矩形(側面成U型)。光接收元 件1610和過濾器1620沿著矩形的相對側布置。多個光接收元件1610. 1至1610. N中的每一個均檢測光，并且輸出與所檢測到的 光量相對應的電信號。在無需區分每個光接收元件1610. 1至1610. N的情況下，它們被統稱為光接收元件1610。在本實施例中，作為一種點傳感器的光電二極管可被用作光接收元 件1610。光電二極管的優點在于與諸如CXD之類的光接收元件相比更為便宜。多個過濾器1620. 1至1620. N中的每一個允許預定波長范圍的電磁波通過，并且 阻擋其它波長范圍的電磁波。在無需區分每個過濾器1620. 1至1620. N的情況下，它們被 統稱為過濾器1620。在本實施例中，假設過濾器1620是帶通濾波器。根據辨別所需成分， 通過與第一實施例的方法相類似的方法來設計每個過濾器1620的通帶。辨別過濾裝置1600包括與辨別主體的成分數量相對應的多個過濾器1620和多個 光接收元件1610。從第一實施例中的描述可以理解的是，辨別過濾裝置1600可利用通過具 有不同通帶的兩個過濾器1620的光的檢測結果，辨別一種類型的成分。因此，需要至少兩 個過濾器1620。 為了區分M (M是等于或者大于2的整數)種類型的成分，2M個過濾器1620就足夠 了。在對于在不同辨別中所采用的多個過濾器1620(識別過濾器或歸一化過濾器)來說通 帶相同的情況下，過濾器1620的數目可小于2M。辨別過濾裝置1600包括過濾器1620，其數目與光接收元件1610的數目相等。因 此，與第一實施例的結構相比，辨別過濾裝置1600的結構變得簡單。辨別過濾裝置1600不 必在機械上切換過濾器。并且，辨別過濾裝置1600不是必須包括諸如分束器之類的可選元 件。光源1630發射光。光源1630布置在過濾器1620的后側。即，從光源1630輸出 的光通過過濾器1620進入光接收元件1610。雖然沒有在圖20A和圖20B中示出，但是光源1630包括多個LED1630. 1至1630. N。S卩，光源1630是LED光源。LED 1630. 1至1630. N分別布置在過濾器1620. 1至1620. N 的后側。LED的優勢在于，與諸如鹵素燈之類的其它光源相比，其不會產生太多熱量。從 LED發出的光具有對于對象辨別來說足夠的亮度。具體地說，如前面提到的那樣，在本實施 例中，辨別過濾裝置1600被阻光材料所覆蓋。于是，從光源1630輸出的光的量沒有必要增 大那么多。對于光源1630，可以替代LED光源而采用其它類型的光源。需要注意的是，光源 1630必須在大于過濾器通帶的更寬范圍內輸出光。因此，不適合采用輸出光的波長可能被 限制的激光作為光源。換言之，更寬線寬的光源將被準備用于本實施例中的對象辨別。沒 有必要使得光源的線寬變窄。指示器1640根據辨別結果輸出光。例如，指示器1640在辨別過濾裝置1600指示 了不同于一般辨別結果的辨別結果時輸出光。這樣的情況包括樣品包含雜質的情況。指示 器1640包括但不具體限定為LED、白熾燈等。蜂鳴器1645輸出與辨別結果相對應的聲音。例如，蜂鳴器1645在辨別過濾裝置 1600指示了不同于一般辨別結果的辨別結果時發出聲音。指示器1640和蜂鳴器1645是提供辨別結果的裝置的示例。辨別過濾裝置1600可 通過指示器1640和蜂鳴器1645之外的其它裝置輸出辨別結果。例如，辨別過濾裝置1600 可替換地或者附加地包括監控器來以特征、標號、圖形等顯示辨別結果。將參考圖21來描述辨別過濾裝置1600的使用方法。圖21是表示了辨別過濾裝置1600的使用方式的示圖。在圖21中，圖示了在導管1700中辨別樣品時辨別過濾裝置1600 的使用方式。導管1700包括圓管1710、方管1720、以及圓管1730。圓管1710 (或圓管1730) 與方管1720平滑連接。樣品(將被測量的液體)依次按照圓管1710、方管1720、以及圓管 1730的順序流經導管1700。辨別過濾裝置1600被布置成夾住方管1720。因此，辨別過濾裝置1600的光接收 元件1610、過濾器1620、以及LED 1630 一維地在樣品的流動方向上對齊。雖然沒有示出，但是用戶在樣品測量期間利用不透光窗罩、暗盒、黑色樹脂等蓋住 了導管1700以及辨別過濾裝置1600。可選地，用戶可在暗室內執行測量。將參考圖22來更詳細地描述辨別過濾裝置1600的結構。圖22表示了辨別過濾 裝置1600的結構細節。參見圖22，辨別過濾裝置1600包括光接收元件1610. 1至1610. N、過濾器1620. 1 至 1620. N、LED 1630. 1 至 1630. N、指示器 1640、蜂鳴器 1645、放大器 1650. 1 至 1650. N、處 理器 1660、RAM 1670、ROM 1680 以及 LED 電源 1690. 1 至 1690. N。圖22對應于與被測液體的移動方向正交的方向上的光接收元件1610. 1至1610. N、過濾器1620. 1至1620. N、以及LED 1630. 1至1630. N的布置的視圖。其它組成元件的實 際布置與圖22無關。光接收元件1610. 1至1610. N分別檢測從LED 1630. 1至1630. N輸出光的并且通 過過濾器1620. 1至1620. N的LED光。即，每個光接收元件1610. k(k = 1至N)僅僅檢測 從LED 1630. k輸出的LED光。通過從LED 1630輸出的LED光本身的傳播以及樣品所造成的LED光的散射，從 LED 1630輸出的LED光將稍微擴散。兩個相鄰的光接收元件1610優選地與LED光的傳播 遠離地布置。辨別過濾裝置1600的設計人員可根據光接收元件1610與過濾器1620之間 的距離(或方管1720的厚度)、LED 1630的特征、樣品的特性等來適當地設計光接收元件 1610的距離。放大器1650. k放大光接收元件1610. k的光檢測信號(電信號)。放大器1650. k 將放大后的光檢測信號提供給處理器1660。處理器1660根據每個光接收元件1610的光檢測信號(放大后的光檢測信號) 執行樣品的成分分析。處理器1660根據來自與將被區分的成分相對應的多個光接收元件 1610的光檢測信號執行成分辨別。處理器1660根據辨別結果將控制信號提供給指示器 1640和蜂鳴器1645。處理器1660包括但并不具體限定為通用CPU。RAM 1670暫時地存儲來自處理器1660的處理結果。S卩，RAM 1670起到工作存儲 器的作用。ROM 1680存儲成分分析所需的數據(指教數據、辨別函數、程序等)。諸如硬盤 或閃存之類的數據可讀寫存儲器裝置可用來代替ROM 1680。并且，處理器1660、RAM 1670 以及R0M1680可由微計算機代替。LED 電源 1690. 1 至 1690. N 分別向 LED 1630. 1 至 1630. N 供電。LED 電源 1690. 1 至1690. N中的每一個根據例如電源開關的切換來啟動或者終止供電。(第一改型)辨別過濾裝置的結構并不限于上述結構。下面將描述根據第一改型的辨別過濾裝置1600#的結構。圖23A和圖23B表示根據第一改型的辨別過濾裝置1600#的結構。圖23A表示根 據第一改型的辨別過濾裝置1600#的外觀。圖23B表示辨別過濾裝置1600#的側面截面圖。辨別過濾裝置1600和辨別過濾裝置1600#之間的差別在于光接收元件1610、過濾 器1620以及LED 1630的布置。具體地說，辨別過濾裝置1600#的光接收元件1610、過濾器 1620以及LED 1630的布置方向與辨別過濾裝置1600的光接收元件1610、過濾器1620以 及LED 1630的布置方向相差90度。按照與辨別過濾裝置1600相類似的方式使用辨別過濾裝置1600#(參見圖21)。 因此，在與樣品的流動方向正交的方向上，一維地對齊辨別過濾裝置1600#的光接收元件 1610、過濾器 1620 以及 LED 1630。通過光接收元件1610、過濾器1620以及LED 1630的上述布置，可比辨別過濾裝置 1600更緊致地形成辨別過濾裝置1600#。可選地，辨別過濾裝置1600#可包括比辨別過濾 裝置1600更多的光接收元件1610、過濾器1620以及LED 1630。辨別過濾裝置1600#的具體結構類似于圖22所示的辨別過濾裝置1600的結構， 不同之處在于光接收元件1610、過濾器1620以及LED 1630的布置。因此，不再對其具體結 構進行復述。(第二改型)辨別過濾裝置1600和辨別過濾裝置1600#將過濾器1620布置在LED 1630和樣品 之間。過濾器1620的位置并不限于此，只要過濾器1620位于LED 1630和光接收元件1610 之間即可。根據第二改型的辨別過濾裝置2400包括樣品所處位置與光接收元件1610之間的 過濾器1620。具體地說，過濾器1620剛好放在光接收元件1610之前。圖24示出了根據第二改型的辨別過濾裝置2400的結構。圖24表示了根據第二 改型的辨別過濾裝置2400的結構。類似于圖22，圖24對應于在與被測液體的移動方向正 交的方向上的光接收元件1610. 1至1610. N、過濾器1620. 1至1620. N、以及LED 1630. 1至 1630. N的布置的視圖。其它組成元件的實際布置與圖24無關。辨別過濾裝置2400的光接收元件1610、過濾器1620、以及LED1630在樣品的流動 方向上一維對齊，這與辨別過濾裝置1600類似。但是，光接收元件1610、過濾器1620以及 LED 1630的布置并不限于此。可以如同辨別過濾裝置1600#那樣，在與樣品流動方向正交 的方向上一維地布置它們。通過將過濾器1620剛好布置在光接收元件1610前面的結構，可以減少LED 1630 的數目。在從LED 1630輸出的光的頻帶包括每個過濾器1620的通帶的情況下，LED 1630.1 至1630^可由單個1^01630代替。在來自一個LED 1630的LED光的輻射范圍小于過濾器 1620的情況下，可以采用多個LED，而不是一個LED。并且，如果每個光接收元件1610檢測來自公共LED 1630的光，光接收元件1610 可被布置成彼此靠近。于是，辨別過濾裝置2400可被形成得更緊致。可選地，辨別過濾裝 置2400可具有安裝用來實現對更多成分進行分析的多個光接收元件1610。(第三改型)對于上述辨別過濾裝置1600 (或辨別過濾裝置1600#、辨別過濾裝置2400)，可利用具有多個過濾器的過濾器陣列來代替多個過濾器1620。并且，可利用具有多個光接收元 件的光接收元件陣列來代替多個光接收元件1610。作為第三改型，將描述包括過濾器陣列以及光接收元件陣列的辨別過濾裝置 2500。辨別過濾裝置2500是第二改型的辨別過濾裝置2400的部分修改版本。圖25示出了辨別過濾裝置2500的結構。圖25表示了根據第三改型的辨別過濾 裝置2500的結構。類似于圖22和圖24，圖25對應于在與被測液體的移動方向正交的方 向上的光接收元件1610. 1至1610. N、過濾器1620. 1至1620. N、以及LED 1630. 1至1630. N的布置的視圖。其它組成元件的實際布置與圖25無關。參見圖25，辨別過濾裝置2500包括光接收元件陣列2510，而不是辨別過濾裝置 2400的光接收元件1610. 1至1610. N。辨別過濾裝置2500還包括過濾器陣列2520，而不是 辨別過濾裝置2400的過濾器1620. 1至1620. N。并且，辨別過濾裝置2500包括一個而不是 多個LED 1630和LED電源1690。光接收元件陣列2510包括多個光接收元件2510. k(k = 1至N)。在本實施例中，假 設光接收元件陣列2510是PD陣列。即，類似于辨別過濾裝置2400等的光接收元件1610， 每個光接收元件2510. k都是PD。過濾器陣列2520包括過濾器2520. k (k = 1至N)。類似于辨別過濾裝置2400的 過濾器1620的通帶，根據辨別對象來設計每個過濾器2520. k的通帶。光接收元件2510. k的距離被設計成與過濾器2520. k的距離匹配。即，光接收元 件2510. k的距離被確定成使得從LED 1630輸出的透射通過過濾器2520. k的光進入光接 收元件2510. k。通過使用過濾器陣列2520和光接收元件陣列2510，與辨別過濾裝置2400等相比， 更容易制造辨別過濾裝置2500。當辨別過濾裝置需要多個光源時，可采用包括多個光源的電源陣列。具體地說，在 過濾器和每個光源之間的位置關系被限制為圖22所示的辨別過濾裝置1600那樣的情況 下，電源陣列的使用有利于制造辨別過濾裝置。(第四改型)上述描述基于這樣的情況一個辨別過濾裝置實現了向樣品輻射光、對透射通過 樣品的光進行檢查、基于光檢測結果辨別樣品、以及提供辨別結果。這些操作可由多個裝置 的組合實現。第四改型基于一個用于樣品辨別的辨別過濾系統2600。辨別過濾系統2600的結 構如同26所示。圖26表示了辨別過濾系統2600的結構。參見圖26，辨別過濾系統2600包括樣品測量裝置2610、計算機600以及纜線 2620。樣品測量裝置2610具有類似于辨別過濾裝置1600的結構。樣品測量裝置2610 包括多個LED、多個過濾器、以及多個光接收元件，這些組件的位置類似于但不局限于辨別 過濾裝置1600中的這些組件的位置。LED、過濾器、以及光接收元件可被布置成如第一改型 至第四改型所示的那樣。樣品測量裝置2610將每個光接收元件的光檢測結果輸出至外部源。樣品測量裝 置2610本身不會基于光檢查結果來執行樣品辨別。樣品測量裝置2610不會通過蜂鳴器和/或指示器來輸出辨別結果。纜線2620將樣品測量裝置2610連接至計算機600。纜線2620將樣品測量裝置 2610輸出的光檢測結果發送給計算機600。纜線2620包括但不限于USB纜線等。樣品測量裝置2610和計算機600無需直接通過纜線2620相連。樣品測量裝置 2610和計算機600可通過網絡或者無線電來連接。(3.處理流程)現在將參考圖27來描述樣品辨別時辨別過濾裝置1600所執行的處理流程。圖27 是辨別過濾裝置1600所執行的處理流程的流程圖。在步驟S2701，每個LED 1630. k啟動光輸出。每個LED 1630. k根據從LED電源 1690. k提供的電能來輸出光。每個LED 1630. k例如響應于用戶按下LED電源1690. k的開
關而啟動光輸出。在步驟S2703，處理器1660初始化指定了光接收元件(或過濾器)的參數k。此 處假設k的初始值為1。在步驟S2705，處理器1660獲取光接收元件1610. k的光檢測結果。處理器1660 存儲所獲取的光檢測結果至RAM 1670。在步驟S2707，處理器1660判斷k = N是否成立(N 光接收元件1610的數量)。 當k = N成立時(步驟S2707為是)，處理器1660進入步驟S2711的處理。當k不等于N 時(步驟S2707為否)，處理器1660進入步驟S2709以使得k的值遞增1。隨后，處理器 1660返回步驟S2705的處理。在步驟S2711，處理器1660執行包含在樣品中的成分的辨別。具體地說，處理器 1660首先選擇與將被區分的成分相對應的一組光接收元件1610. k。隨后，處理器1660求 所選的每個光接收元件1610. k的光檢測結果的對數。接下來，處理器1660將光檢測結果 的對數代入辨別函數。處理器1660根據代入的結果是正的還是負的來區分樣品。在步驟S2713，處理器1660控制辨別過濾裝置1600的每個元件以產生辨別結果的 輸出。具體地說，處理器1660控制指示器1640和蜂鳴器1645。例如，處理器1660判斷在步驟S2711所獲得的辨別結果是否與“適當的”辨別結 果相匹配。處理器1660根據結果是否匹配來使指示器1640發光或者使蜂鳴器1645輸出 聲音。“適當的”辨別結果是事先給出的。例如，假設辨別過濾裝置1600的設計人員在ROM 1680中預先存儲了適當的辨別結果。可選地，用戶可被允許設置適當的辨別結果。在辨別過濾裝置1600結合了另一結果輸出裝置(監視器等)的情況下，處理器 1660可控制相關的結果輸出裝置以便在步驟S2711中輸出辨別結果。在步驟S2715，處理器1660判斷是否接收到測量結束指定。例如，處理器1660將 按下辨別過濾裝置1600的特定開關作為結束測量的指定。當接收到測量結束指定時(步驟S2715為是)，處理器1660結束樣品辨別處理。 當沒有接收到測量結束指定時(步驟S2715為否)，處理器1660從步驟S2701開始重復處理。通過前述處理，辨別過濾裝置1600可以實時連續地區別流經導管1720的液體中 的成分。因此，辨別過濾裝置1600的用戶可以實時連續地監視液體成分。辨別過濾裝置1600還能區別靜止對象的成分(假定該對象能夠透射光)。在這種情況下，辨別過濾裝置1600不是必須重復地區分成分。因此，辨別過濾裝置1600可在步驟 S2713之后結束辨別處理，而不執行步驟S2715的處理。辨別過濾裝置1600#、辨別過濾裝置2400以及辨別過濾裝置2500執行與上述處理 類似的處理。不再復述這些裝置中的每一個的處理。如果計算機600的CPU 610而不是處理器1660執行步驟S2703至步驟S2715的 處理，那么辨別過濾系統2600也執行與上述處理類似的處理。并且，在步驟S2715，從計算 機600的監視器670輸出辨別結果。(處理的改型)在前述處理流程中，辨別過濾裝置1600在樣品辨別過程中點亮了所有的LED 1630. 1至1630. N。可選地，辨別過濾裝置1600逐個地依次點亮LED 1630. 1至1630. N。下 文將參考圖28來描述辨別過濾裝置1600在該情況下執行的處理流程。圖28是辨別過濾 裝置所執行的根據改型的處理的流程的流程圖。在步驟S2801，處理器1660初始化參數k，參數k指定了光接收元件、過濾器以及 LED。在此假設k的初始值為1。在步驟S2803，處理器1660控制LED電源1690. k以使LED 1630. k輸出光。處理 器1660控制LED電源1690. j以使另一 LED 1630. j (j Φ k)不輸出光。在步驟S2805，處理器1660獲取光接收元件1610. k的光檢測結果。處理器1660 將所獲得的光檢測結果存儲在RAM 1670中。光檢測結果對應于從LED 1630.k輸出并傳播 通過過濾器1620. k和樣品的光量。在步驟S2807，處理器1660判斷k = N是否成立(N 光接收元件1610的數量)。 當k = N時(步驟S2807為是)，處理器1660進入步驟S2811的處理。當k不等于N時(步 驟S2807為否)，處理器1660進入步驟S2809以使得k的值遞增1。隨后，處理器1660從 步驟S2803返回處理。步驟S2811和步驟S2813的處理類似于前述步驟S2711和步驟S2713的處理。所 以，不再復述該處理的詳細描述。在步驟S2815，處理器1660判斷是否接收到測量結束指定。例如，處理器1660假 設通過按下辨別過濾裝置1600的特定開關來指定結束測量。當接收到測量結束指定時(步驟S2815為是)，處理器1660結束樣品辨別處理。 當沒有接收到測量結束指定時(步驟S2815為否)，處理器1660從步驟S2801開始重復處理。根據本實施例的處理，每個光接收元件1610. k的檢測結果對應于與光接收元件 1610. k相對應的LED 1630. k所發出的光。來自另一光接收元件1610. j的光將不會影響到 光接收元件1610. k的檢測結果。因此，根據本改型的處理，可以提高檢測精度。并且，根據 本改型的處理，可以以緊密的密度布置光接收元件1610、過濾器1620以及LED 1630。辨別過濾裝置1600#、辨別過濾裝置2400、辨別過濾裝置2500或辨別過濾系統 2600可執行與本改型的處理類似的處理。[其它]應該理解的是，基于每個實施例或實施例的改型的適當組合的結構也是包括在本 發明的范圍內的。
應該理解的是，在所有方面，此處公開的實施是示例性的而非限制性的。本發明的 范圍由所附權利要求而不是前述說明書所限定，并且落入權利要求的限制和約束內的改變 或其等價形式都包括在權利要求中。工業實用性本發明例如可用來在橋上判斷河流結了多少冰。并且，本發明可應用于皮膚的含 水量的測量。此外，本發明可被廣泛地用于在與水的使用相關的工業領域中進行成分分布 的非破壞性估計，例如在農業產品中用于識別水成分與另一成分(礦物質、氮、淀粉、氨基 酸)之間的質量，監控纖維中的水分、溶液的混合狀態，監控海水中的磷，在污泥水和石油 成分之間進行識別，在活體(外部、內部)的水成分和另一成分(例如皮脂、氨基酸、膠原蛋 白)之間進行辨別測量，頭發中水成分的測量，食物成分的識別，病毒感染的快速判斷，食 物中進口感染病毒的邊界檢查，濃縮海水的無機原料評估，從衛星估計海水成分以及植物 分布，識別并評估混凝土中的水分和鹽分等。本發明還可應用于隨時間監控這些評估。
權利要求
一種辨別過濾裝置(10)，包括具有第一通帶的第一過濾器(20.1)，具有第二通帶的第二過濾器(20.2)，所述第二通帶包含所述第一通帶，檢測單元(30)，用于檢測從所關注對象輸出的并且傳播通過所述第一過濾器和所述第二過濾器之一的電磁波，從而輸出與來自所述所關注對象的電磁波的強度相對應的第一信號和第二信號，以及分析單元(40)，用于根據利用所述第二信號的積分而歸一化的所述第一信號來對所述所關注對象執行辨別分析。
2.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述分析單元根據所述第一信號積分的 對數與所述第二信號積分的對數之差來執行對所述所關注對象的辨別分析。
3.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述分析單元根據通過將所述第一信號 和所述第二信號代人根據所述第一通帶和所述第二通帶確定的辨別函數而獲取的值，執行 對所述所關注對象的辨別分析。
4.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述第一通帶和所述第二通帶包括近紅 外范圍。
5.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述分析單元識別以類型歸類的兩個或 更多類型的物質。
6.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述分析單元將水與另一物質識別開。
7.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述分析單元估計并識別物質表面或者 內部的水分含量。
8.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，還包括用于發射電磁波的波源(1630)，其中，所述檢測單元檢測從所述所關注對象輸出的電磁波，所述所關注對象接收從所述波源所輸出的所述電磁波。
9.根據權利要求8所述的辨別過濾裝置，其中所述波源包括LED。
10.根據權利要求8所述的辨別過濾裝置，其中所述檢測單元檢測從所述波源輸出的 并且傳播通過所述所關注對象的電磁波。
11.根據權利要求8所述的辨別過濾裝置，其中所述檢測單元檢測從所述波源輸出的 并且從所述所關注對象反射的電磁波。
12.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述檢測單元包括將電磁波轉換成電 信號的至少一個元件。
13.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述檢測單元包括多個元件，其中每個 元件都將電磁波轉換成電信號，所述多個元件一維對齊。
14.根據權利要求1所述的辨別過濾裝置，其中所述檢測單元包括具有二維對齊的多 個元件的圖像感應元件，多個元件中的每個元件都將電磁波轉換成電信號。
15.一種所關注對象的辨別方法，包括步驟檢測從所述所關注對象輸出的并且傳播通過具有第一通帶的第一過濾器(20. 1)的電 磁波，從而輸出與傳播通過所述第一過濾器的電磁波的強度相對應的第一信號，檢測從所述所關注對象輸出的并且傳播通過具有第二通帶的第二過濾器(20.2)的電 磁波，從而輸出與傳播通過所述第二過濾器的電磁波的強度相對應的第二信號，第二通帶包含第一通帶，以及根據由所述第二信號的積分歸一化的所述第一信號來執行對所關注對象的辨別分析。
16.一種對辨別過濾裝置(10)的過濾器進行設計的方法，包括步驟 為多個過濾器中的每個過濾器設置透射特性，根據所設置的透射特性以及多個樣品的指教光譜，產生所述辨別過濾裝置對所關注對 象進行辨別時使用的辨別函數，計算在使用所述辨別函數時錯誤地辨別樣品的誤差率， 修改所述透射特性，根據所修改的透射特性和所述指教光譜重新產生所述辨別函數， 計算針對重新產生的辨別函數的誤差率，以及獲取所設置的透射特性和所修改的透射特性中提供了最小誤差率的透射特性。
17.根據權利要求16所示的對辨別過濾裝置的過濾器進行設計的方法，其中 所述指教光譜包括近紅外范圍的光譜，以及所述所修改的透射特性包括具有近紅外范圍的通帶的透射特性。
全文摘要
一種辨別過濾裝置(10)，包括具有不同通帶的過濾器(20.1)和過濾器(20.2)、檢測單元(30)、處理單元(40)和結果輸出單元(50)。檢測單元(30)通過過濾器(20.1和20.2)檢測來自作為目標的對象輸出的電磁波。過濾器(20.1和20.2)的通帶被設計成適合于對象辨別。處理單元(40)將來自檢測單元(30)的輸出代人根據過濾器(20.1和20.2)的通帶和事先得到的指教光譜確定的辨別函數，從而根據代入結果推導出對象屬于哪個組。
文檔編號G01J3/28GK101983329SQ20098011205
公開日2011年3月2日 申請日期2009年3月27日 優先權日2008年4月1日
發明者中內茂樹, 巖崎孝, 茂木昌春 申請人:國立大學法人豐橋技術科學大學;住友電氣工業株式會社