CN103017902B - 一种紧凑型光谱采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紧凑型光谱采集装置，包括光纤、光纤准直器、棱栅、第一套筒、第二套筒、第三套筒、聚焦透镜组、驱动信号电缆、数据传输线缆、第一固定旋钮、第二固定旋钮、线阵电荷耦合器件CCD组成。本发明还提供一种基于该装置的光谱采集方法，被测的入射光束经过棱栅发生色散，形成的光谱入射到聚焦透镜组进行聚焦，从聚焦透镜组出射的光谱被线阵电荷耦合器件CCD接收，使光强信号转化为电压信号，电压信号经数据线传输到外部上位计算机进行光谱采集。本发明实现光谱采集系统各个部件的共轴安置，具有结构紧凑、体积小、便于携带等优点。

Description

一种紧凑型光谱采集装置及采集方法

技术领域：

本发明涉及光谱仪的光谱分析及成像技术，尤其涉及一种紧凑型光谱采集装置及采集方法。

背景技术：

光谱仪是对物质的光谱重要特征进行精密分析的装置，也是分析物质组成成分及结构的强有力工具。近几年来，光谱仪的小型化发展十分迅速，目前已报道了多种小型化光谱仪，如基于新型滤波技术的光谱仪、微加工光栅光谱仪、光纤光谱仪等等，但在传统的棱镜或光栅光谱仪器中, 往往存在一个偏转角问题, 即入射光束和出射光谱不在同一条轴线上。这样的系统属于典型的离轴光学系统, 存在着结构体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。

与传统的光谱仪器相比，小型化光谱仪在工作原理上大致相同，但是需要解决小型化和集成化的问题，当前光谱仪器系统结构小型化的主要途径是通过集成加工，仅利用一个或较少的小型化的元件来实现整体系统的小型化。但是这种小型化光谱仪设计方式存在着制造成本高、加工工艺复杂、光谱仪器性能较差等缺点。

发明内容：

本发明所要解决的主要问题是如何以比较简易的制造工艺，在较低的制造成本和调节难度的条件下，减小光谱仪结构的体积，设计出一种紧凑型光谱采集装置及采集方法，实现较高光谱分辨性能的光谱采集。

本发明解决以上技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种紧凑型光谱采集装置，包括光纤、光纤准直器、棱栅、第一套筒、第二套筒、第三套筒、聚焦透镜组、驱动信号电缆、数据传输线缆、第一固定旋钮、第二固定旋钮、线阵电荷耦合器件CCD；

其中：所述第三套筒为一端开口、横向放置的U型套筒，所述线阵电荷耦合器件CCD设置在第三套筒中与其开口端相对的底边上；

所述第二套筒由分别与第三套筒的上下平行的两个侧壁的内侧紧贴、相对设置的第一基板、第二基板组成，其中所述第一基板、第二基板的一端伸出第三套筒的开口端，所述第一、第二基板的另一端与所述第三套筒的底边保持一定距离，不与所述线阵电荷耦合器件CCD接触；第一基板通过第二固定旋钮与第三套筒的上侧壁的开口端固定，在所述第一基板、第二基板的内壁上分别设置有凸出部，所述凸出部将第二套筒分割成第一腔体、第二腔体； 

所述第一套筒由分别与第一基板、第二基板上位于第一腔体内的内壁紧贴、相对设置的第三基板、第四基板组成；其中第三基板通过第一固定旋钮与第一基板的一端固定；

所述光纤准直器设置在第一套筒中远离第二腔体的一端；所述棱栅设置在第一套筒中靠近第二腔体的一端，与光纤准直器保持一定距离；所述聚焦透镜组设置在第二腔体内；所述光纤连接在光纤准直器上；

所述驱动信号电缆的一端、数据传输线缆的一端分别穿过所述第三套筒的底边与线阵电荷耦合器件CCD相连接，所述驱动信号电缆的另一端、数据传输线缆的另一端与外部上位计算机相连接。

作为本发明的一种紧凑型光谱采集装置的进一步优化方案，所述聚焦透镜组采用经过改进的柯克三片式透镜组，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；

其中所述第一透镜的一侧上下两端分别与所述第一、第二基板上的凸出部卡接，所述第一透镜的另一侧和第二透镜的一侧胶合在一起，所述第三透镜的两端分别采用固定环与第二透镜的另一侧、第四透镜的一侧的上下两端连接，所述第四透镜的另一侧和第五透镜的一侧胶合在一起，所述第五透镜的另一侧的上下两端分别采用固定环与第一、第二基板的内壁连接。

作为本发明的一种紧凑型光谱采集装置的进一步优化方案，所述棱栅由第一棱镜、光栅基片、光栅、光栅保护玻璃、第二棱镜组成；其中，所述光栅基片、光栅保护玻璃分别设置在光栅的两侧，所述第一棱镜和光栅基片胶合在一起，所述第二棱镜和光栅保护玻璃胶合在一起。

作为本发明的一种紧凑型光谱采集装置的进一步优化方案，所述线阵电荷耦合器件CCD采用法国Atmel公司生产的Aviiva SM2型线阵电荷耦合器件CCD。

本发明为解决技术问题还提出一种紧凑型光谱采集装置的光谱采集方法，包括以下步骤：

步骤1，将被测入射光束依次经过光纤、光纤准直器成为准直平行的空间光；

步骤2，将步骤1所述的准直平行的空间光入射棱栅发生色散形成出射光谱；通过第一旋钮调节第二套筒和第一套筒之间的相对位置使得聚焦透镜组的入射光谱的反向延长线会聚于该聚焦透镜组的物方焦平面上，使得所述出射光谱入射到聚焦透镜组进行聚焦；

步骤3，通过第二旋钮调节第三套筒和第二套筒之间的相对位置，使得聚焦透镜组出射的各个光谱分量精确聚焦于线阵电荷耦合器件CCD的光敏面上；采用线阵电荷耦合器件CCD接收从聚焦透镜组出射的光谱，将光强信号转化为电压信号；

步骤4，所述电压信号经数据传输线缆传输到外部上位计算机，完成光谱采集。

本发明具有以下优点：

1．通过采用基于棱栅的分光光路，使出射光谱中心波长光的主光线与入射光束的主光线同处在聚焦透镜组的光轴上，实现光谱采集系统各个部件的共轴安置，具有结构紧凑、体积小、便于携带等优点。

2．通过采用三层套筒的结构，第一套筒、第二套筒和第三套筒之间可以进行相对调节，调节第二套筒使得聚焦透镜组的入射光谱的反向延长线会聚于该透镜组的物方焦平面上，调节第三套筒使得各个光谱成分精确聚焦于线阵CCD的光敏面上，从而实现对各个光谱成分的精确对焦，提高光谱采集系统的性能。

3．通过将紧凑型光谱采集系统中的各个部件共轴安置于封闭的套筒内，避免了内部的各个部件因受到外界震动干扰而可能发生的位置偏移或损坏，而且分光光路封装在密闭的套筒内，防止了杂散光入射形成的干扰信号，这种光谱仪设计结构具有提高光路稳定性、消除杂散光干扰、延长器件使用寿命等固有优点。

附图说明

图1是本发明一种紧凑型光谱采集装置及采集方法的棱栅的结构示意图。

图2是本发明一种紧凑型光谱采集装置及采集方法的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明：

如图1所示：所述的棱栅3的示意图，包括第一棱镜20、光栅基片21、光栅22、光栅保护玻璃23、第二棱镜24组成。其中第一棱镜20和光栅基片21胶合在一起，光栅保护玻璃23和第二棱镜24胶合在一起，在棱栅3中，由第一棱镜20、光栅基片21、光栅22、光栅保护玻璃23和第二棱镜24组成一个整体。第一棱镜20和第二棱镜24选择在紧凑型光谱采集装置工作波段内无色散的玻璃材料，从而保证对入射光束和出射光谱仅起到折转光路的作用。光栅基片21和光栅保护玻璃23采用与第一棱镜20和第二棱镜24相同材料的玻璃，并且起到承接光栅、保护前后器件的作用。

根据不同波长取适当角度的棱镜对，使得入射光线经折射、色散、二次折射的过程，出射的光谱中心波长光的主光线与入射光的主光线同处在聚焦透镜组的光轴上，从而实现该紧凑型光谱采集系统中的各个部件的共轴安置。

例如，探测的光谱中心波长为580nm，且棱栅3中的光栅22具有1000线对每毫米的刻线密度，并设第一棱镜20和第二棱镜24的折射率为1.5，通过选取底角为45度的第一棱镜20和第二棱镜24，则可使被测入射光束经第一棱镜20折射后入射到棱栅3发生色散，并且入射角与出射光谱中心波长光的主光线的出射角相等，光谱经第二棱镜2次折射，使得出射棱栅3的出射光谱中心波长光的主光线与入射光的主光线同处在聚焦透镜组的光轴上，从而实现该紧凑型光谱采集系统中的各个部件的共轴安置。

如图2所示一种紧凑型光谱采集装置结构示意图，包括光纤1、光纤准直器2、棱栅3、第一套筒4、第二套筒5、第三套筒6、聚焦透镜组7、驱动信号电缆8、数据传输线缆9、第一固定旋钮10、第二固定旋钮11、线阵电荷耦合器件CCD12、第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16、第五透镜17、3个固定环18、凸出部19；

第三套筒6套在第二套筒5外，第三套筒6的内壁一端与第二套筒5外壁紧密滑动连接，通过第二固定旋钮11固定第二套筒5与第三套筒6之间的相对位置；第二套筒5套在第一套筒4外，第二套筒5的内壁一端与第一套筒4外壁紧密滑动连接，通过第一固定旋钮10固定第一套筒4与第二套筒5之间的相对的位置。第一套筒4、第二套筒5和第三套筒6之间可以进行相对调节，实现对各个光谱分量的精确对焦，调节第二套筒5使得聚焦透镜组的入射光谱的反向延长线会聚于该透镜组7的物方焦平面上，调节第三套筒6使各个光谱分量精确线阵电荷耦合器件CCD12的光敏面上。在第二套筒5的内壁螺纹起始处加工出一个凸出19，用于固定第一透镜5在套筒中的位置，第三套筒6内的线阵电荷耦合器件CCD12外装有保护片，使得三个套筒在相对运动的调焦过程中不会损伤套筒中的各个光学器件。

第一套筒4内侧的一端固定光纤准直器2，另一端固定棱栅3，光纤准直器2与光纤1连接，被测的入射光束经光纤准直器2准直后入射到棱栅3发生色散，形成的出射光谱入射到聚焦透镜组7进行聚焦。

第二套筒5一端设置有聚焦透镜组7，采用经过改进的柯克三片式透镜组，柯克三片式透镜组可通过八个设计变量，控制或优化系统的球差、彗差、像散、轴向色差、畸变、场曲参数等像差并控制焦距，对于所选择的相对孔径和焦距，各种像差之间可以得到很好的平衡，尤其是三级像差；而经过改进的柯克透镜组的变型，其胶合面可用来改善高级彗差、像散和轴外球差，所述聚焦透镜组7包括第一透镜13、第二透镜14、第三透镜15、第四透镜16、第五透镜17、3个固定环18，第一透镜13和第二透镜14胶合在一起，第四透镜16和第五透镜17胶合在一起。在第二套筒5内壁的一端有螺纹，三个固定环的外侧壁均有与第二套筒5内壁螺纹相契合的螺纹，可依次旋入第二套筒13内，透镜安置在第二套筒15内部有螺纹的一端，并通过固定环按图2所示依次将各个透镜夹住固定。

从聚焦透镜组出射的光谱被线阵电荷耦合器件CCD12接收，使光强信号转化为电压信号，电压信号经数据线缆9传输到计算机进行采集。典型的线阵CCD参数可参考法国Atmel公司生产的线阵CCD (Aviiva SM2)。与传统的摄像器件相比，线阵CCD15具有光谱响应宽、线性好、动态范围宽、噪声低、灵敏度高、实时传输和电荷自扫描等多方面的优点，目前已广泛应用于遥感成像、卫星监测、机器视觉等领域。驱动信号电缆8用于向线阵电荷耦合器件CCD12传输驱动信号。

本发明还提供一种光谱采集方法，其步骤包括：

步骤1，被测入射光束依次经过光纤1、光纤准直器2成为准直平行的空间光；

步骤2，准直平行的空间光入射棱栅3发生色散形成的出射光谱；

步骤3，出射光谱入射到聚焦透镜组7进行聚焦；调节第二套筒5和第一套筒4之间的相对位置使得聚焦透镜组7的入射光谱的反向延长线会聚于该透镜组7的物方焦平面上。

步骤4，线阵电荷耦合器件CCD12接收从聚焦透镜组出射的光谱，将光强信号转化为电压信号；调节第三套筒6和第二套筒5之间的相对位置使得各个光谱分量精确聚焦于线阵电荷耦合器件CCD12的光敏面上。

步骤5，电压信号经数据线9传输到计算机进行采集。

本发明提出了一种紧凑型光谱采集装置及采集方法，提出的基于棱栅的分光光路，使得被测的入射光束发生色散，形成的光谱入射到聚焦透镜组进行聚焦，从聚焦透镜组出射的光谱被线阵CCD接收，使光强信号转化为电压信号，电压信号经数据线传输到计算机进行采集。提出的紧凑型光谱采集方法及系统中的棱栅，通过选取适当角度的棱镜对，使得入射光线经折射、色散、二次折射的过程，出射的光谱中心波长光的主光线与入射光的主光线同处在聚焦透镜组的光轴上，从而实现该紧凑型光谱采集系统中的各个部件的共轴安置。这种紧凑型光谱采集装置结构紧凑、体积小、便于携带，紧凑型光谱采集装置的采集方法能实现对各个光谱成分的精确对焦，提高光谱采集系统的性能，提高光路稳定性，消除杂散光干扰，延长器件使用寿命。各个部件共轴安置于封闭的套筒内，避免了内部的各个部件因受到外界震动干扰而可能发生的位置偏移或损坏，而且分光光路封装在密闭的套筒内，防止了杂散光入射形成的干扰信号。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种紧凑型光谱采集装置，其特征在于，包括光纤（1）、光纤准直器（2）、棱栅（3）、第一套筒（4）、第二套筒（5）、第三套筒（6）、聚焦透镜组（7）、驱动信号电缆（8）、数据传输线缆（9）、第一固定旋钮（10）、第二固定旋钮（11）、线阵电荷耦合器件CCD（12）；

其中：所述第三套筒为一端开口、横向放置的U型套筒，所述线阵电荷耦合器件CCD设置在第三套筒中与其开口端相对的底边上；

所述第二套筒由分别与第三套筒的上下平行的两个侧壁的内侧紧贴、相对设置的第一基板、第二基板组成，其中所述第一基板、第二基板的一端伸出第三套筒的开口端，所述第一、第二基板的另一端与所述第三套筒的底边保持一定距离，不与所述线阵电荷耦合器件CCD接触；第一基板通过第二固定旋钮（11）与第三套筒的上侧壁的开口端固定，在所述第一基板、第二基板的内壁上分别设置有凸出部（19），所述凸出部将第二套筒分割成第一腔体、第二腔体； 

所述第一套筒由分别与第一基板、第二基板上位于第一腔体内的内壁紧贴、相对设置的第三基板、第四基板组成；其中第三基板通过第一固定旋钮（10）与第一基板的一端固定；

所述光纤准直器设置在第一套筒中远离第二腔体的一端；所述棱栅设置在第一套筒中靠近第二腔体的一端，与光纤准直器保持一定距离；所述聚焦透镜组设置在第二腔体内；所述光纤连接在光纤准直器上；

所述驱动信号电缆（8）的一端、数据传输线缆（9）的一端分别穿过所述第三套筒的底边与线阵电荷耦合器件CCD（12）相连接，所述驱动信号电缆（8）的另一端、数据传输线缆（9）的另一端与外部上位计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型光谱采集装置，其特征在于，所述聚焦透镜组（7）采用经过改进的柯克三片式透镜组，包括第一透镜（13）、第二透镜（14）、第三透镜（15）、第四透镜（16）、第五透镜（17）；

其中所述第一透镜的一侧上下两端分别与所述第一、第二基板上的凸出部卡接，所述第一透镜的另一侧和第二透镜的一侧胶合在一起，所述第三透镜的两端分别采用固定环与第二透镜的另一侧、第四透镜的一侧的上下两端连接，所述第四透镜的另一侧和第五透镜的一侧胶合在一起，所述第五透镜的另一侧的上下两端分别采用固定环与第一、第二基板的内壁连接。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型光谱采集装置，其特征在于，所述棱栅（3）由第一棱镜（20）、光栅基片（21）、光栅（22）、光栅保护玻璃（23）、第二棱镜（24）组成；其中，所述光栅基片、光栅保护玻璃分别设置在光栅的两侧，所述第一棱镜（20）和光栅基片（21）胶合在一起，所述第二棱镜（24）和光栅保护玻璃（23）胶合在一起。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型光谱采集装置，其特征在于，所述线阵电荷耦合器件CCD（12）采用法国Atmel公司生产的Aviiva SM2型线阵电荷耦合器件CCD。

5.一种基于权利要求1所述的紧凑型光谱采集装置的光谱采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将被测入射光束依次经过光纤、光纤准直器成为准直平行的空间光；

步骤2，将步骤1所述的准直平行的空间光入射棱栅发生色散形成出射光谱；通过第一旋钮调节第二套筒和第一套筒之间的相对位置使得聚焦透镜组的入射光谱的反向延长线会聚于该聚焦透镜组的物方焦平面上，使得所述出射光谱入射到聚焦透镜组进行聚焦；

步骤3，通过第二旋钮调节第三套筒和第二套筒之间的相对位置，使得聚焦透镜组出射的各个光谱分量精确聚焦于线阵电荷耦合器件CCD的光敏面上；采用线阵电荷耦合器件CCD接收从聚焦透镜组出射的光谱，将光强信号转化为电压信号；

步骤4，所述电压信号经数据传输线缆传输到外部上位计算机，完成光谱采集。