CN103148942A - 基于反卷积的双光路光谱测量装置 - Google Patents

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本发明涉及一种基于反卷积的双光路光谱测量装置，其特征在于该装置设置为双光路结构，一光路由目标物镜、狭缝、准直镜、分束镜、色散元件、第一汇聚镜头和第一CCD相机依次组成，另一光路由分束镜、第二汇聚镜头和CCD相机依次组成。本发明针对现有基于狭缝的光谱仪在弱光下探测能力受限的关键问题，采用一个更宽的狭缝来代替，以增加系统的光通过量，使其在弱光下有更好的探测能力，并通过计算未色散光的原像和色散后光的像的反卷积来获取光源光谱。本发明广泛应用于冶金、地质、化工、医药和环境等领域，特别适用于像生物医学、夜视等弱光场合，应用范围宽广。

Description

基于反卷积的双光路光谱测量装置
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，特别是涉及一种基于反卷积的双光路光谱测量装置。
背景技术
光谱仪是一种能将连续光谱的目标光源分割成多份狭窄谱段的分光系统，通过对目标光谱的分析可以测量物品含有的元素，是对物质结构、成分处理进行分析的常用设备，广泛应用于冶金、地质、化工、医药和环境等领域。
目前，最常见的光谱系统是基于狭缝的光谱仪，其光谱分辨率与狭缝宽度直接相关。为了达到理想的高分辨率，其狭缝宽度要足够窄，而过窄的狭缝严重限制了进入系统的光源能量无法获得理想的信噪比，有时甚至根本无法探测出信号，这就造成了光谱分辨率与系统通光量成了一对矛盾量，限制了其在弱光下的应用。
中国专利申请201210085114.1公开了一种“光栅成像光谱仪”，该方案由于没有克服现有光谱测量系统中多为通过在前段放置较窄的狭缝实现在色散后直接获得光源光谱的不足，所以为了直接光源光谱获得狭缝就必须较窄，造成后端能量较低，对探测器件探测能力要求较高，或者需要所测光源能量较强，限制了其应用范围无法在光线较弱的夜视、生物医学等场合使用。
崔继承等在光谱学与光谱分析[J].2012,32(3)发表的“成像光谱仪一体化设计”一文中，阐述了以凸面光栅成像光谱仪为例，采用现有典型的Offner光路结构，获得成像光谱仪一体化设计的方法，该方法虽然对解决光学像差矫正问题有积极的作用，但仍然没有克服现有通过一个狭窄的狭缝实现在成像器件上直接获得光谱的不足，限制了其应用范围无法在光线较弱的夜视、生物医学等场合中获得较高的信噪比。
如何克服现有技术的不足，已成为当今光谱测量技术领域亟待解决的关键难题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种基于反卷积的双光路光谱测量装置，本发明以较宽狭缝保证通光量为手段，利用反卷积重建出高分辨率的光谱，既可保证高通光量，又可实现高光谱分辨率。
根据本发明提出的一种基于反卷积的双光路光谱测量装置，其特征在于该装置设置为双光路结构，一光路由目标物镜、狭缝、准直镜、分束镜、色散元件、第一汇聚镜头和第一CCD相机依次组成，另一光路由分束镜、第二汇聚镜头和CCD相机依次组成；外部光源经目标物镜汇聚到狭缝上，狭缝设置在目标物镜和准直镜的焦点上，通过狭缝的光经过准直镜后将变成平行光，当平行光入射到分束镜上时，一部分光将发生反射并通过汇聚镜头汇聚到第二CCD相机上，形成未色散光的原像；另一部分光透过分束镜，垂直入射到色散元件上，经色散后的光被第一会聚镜头汇聚到第一CCD相机上形成色散后光的像，通过计算未色散光的原像和色散后光的像的反卷积来获取光源光谱。
本发明的测量原理是：本发明针对现有基于狭缝的光谱仪在弱光下探测能力受限的关键问题，采用一个更宽的狭缝来代替，以增加系统的光通过量，使其在弱光下有更好的探测能力；本发明从狭缝出来的光经过准直镜变成平行光入射到分束镜上，一部分光经过反射和再汇聚在第一CCD上形成经过狭缝的光的原像；另一部分透过分束镜的光会继续保持平行并垂直入射到色散元件上，色散后的光经过镜头再次汇聚到第二CCD形成透过狭缝光的色散像；获得的色散像是原像和外部光源光谱的卷积结果，在光的原像和色散像都可以观测的情况下，外部光源光谱即可通过求解反卷积获得。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明设置为双光路结构，发挥了双光路的集成协调作用，有效地解决了现有技术中的高光谱分辨率与高通过量不匹配的突出问题，实现了在保持高通光量的前提下获取外部光源高分辨率光谱；二是本发明能够在比传统色散型光谱仪低1至2个数量级的光能量下工作，适应能见度较低环境的能力很强；三是本发明不仅广泛应用于冶金、地质、化工、医药和环境等领域，特别适用于像生物医学、夜视等弱光场合，应用领域宽广。
 
附图说明：
图1是基于反卷积的双光路光谱测量装置的结构示意图。
图2是外部光源通过狭缝后的原像图。
图3是外部光源通过狭缝后的色散像图。
图4是氘灯标准光谱图。
图5是本发明测量的氘灯光谱图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
结合图1，本发明提出的一种基于反卷积的双光路光谱测量装置，该装置设置为双光路结构，一光路由目标物镜（1）、狭缝（2）、准直镜（3）、分束镜（4）、色散元件（5）、第一汇聚镜头（6）和第一CCD相机（7）依次组成，另一光路由分束镜（4）、第二汇聚镜头（8）和CCD相机（9）依次组成；外部光源经目标物镜（1）汇聚到狭缝（2）上，狭缝（2）设置在目标物镜（1）和准直镜（3）的焦点上，通过狭缝（2）的光经过准直镜（3）后将变成平行光，当平行光入射到分束镜（4）上时，一部分光将发生反射并通过汇聚镜头（8）汇聚到第二CCD相机（9）上，形成未色散光的原像；另一部分光透过分束镜（4），垂直入射到色散元件（5）上，经色散后的光被第一会聚镜头（6）汇聚到第一CCD相机（7）上形成色散后光的像，通过计算未色散光的原像和色散后光的像的反卷积来获取外部光源光谱。
本发明进一步的优选方案是：透过狭缝（2）的光经准直镜（3）准直后利用分束镜（4）构建出双光路，同时获取未色散光的原像和色散后光的像；目标物镜（1）、准直镜（3）、第一汇聚镜头（6）和第二汇聚镜头（8）均为CCTV或相机镜头；狭缝（2）的宽度方向与色散元件（5）的光色散方向一致；色散元件（5）为光栅或棱镜；第一CCD相机（7）和第二CCD相机（9）均为黑白工业数字相机。
本发明调试校对的要求是：目标物镜（1）和准直镜（3）焦点都调整在狭缝（2）上，且调整为同光轴；调整分束镜（4）为与准直镜（3）的光轴夹45°，经过分束镜（4）反射的光将与准直后的平行光成90°夹角，并且垂直于第二汇聚镜头（8）的焦面入射；狭缝（2）的宽度方向与色散元件（5）色散方向一致，透过分束镜（4）的光准直入射在色散元件（5）表面上，保证第一汇聚镜头（6）的焦平面与色散元件（5）的表面垂直。
本发明选用器件的要求是：各器件符合本技术领域的通用标准。其中，有具体要求的器件是：目标物镜（1）采用焦距50mm、光圈大小为1.4的相机镜头，狭缝（2）宽度小于准直镜（3）的有效聚焦宽度，准直镜（3）采用焦距为25mm、光圈为1.2的CCTV镜头，第一汇聚镜头（6）和第二汇聚镜头（8）均采用焦距为50mm、光圈为1.4的CCTV镜头，第一CCD相机（7）和第二CCD相机（9）均采用黑白工业数字相机、分辨率大小为1280*1024，像元大小为5                                                
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE001
，色散元件（5）可根据不同的应用场合选择不同刻度密度的光栅，如用于可见光波段使用的300线/毫米。
本发明用于具体测量的实施例：本发明在满足上述方案要求的条件下，以使用较宽的200
Figure 488247DEST_PATH_IMAGE001
狭缝为例，汇聚在第二CCD相机（9）上的原像为透过目标物镜（1）汇聚在狭缝（2）上的像，CCD像元作为能量感应器件，即在第二CCD相机（9）上测量出了离散化的狭缝内光强分布
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE002
。同理，汇聚在第一CCD相机（7）上的色散像，测量出了离散化的经过色散元件（5）色散后的狭缝（2）内光强分布，记作。由于色散只在一个方面内发生，设这个方向为x，沿着与x方向准直的y方向的光有相同的光色散分布，同时将沿着y方向的测量的像元相加作为一个像元处理，将
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE004
处理后记作
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 343071DEST_PATH_IMAGE003
处理后记作
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE006
。另外，在本发明的系统结构框架内存在
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE007
；其中*表示卷积，
Figure 2013100767678100002DEST_PATH_IMAGE008
表示外部光源的光谱为未知量。根据这个前提，
Figure 496709DEST_PATH_IMAGE008
可以通过求
Figure 891918DEST_PATH_IMAGE006
关于
Figure 643974DEST_PATH_IMAGE005
的反卷积获得。本发明利用氘灯作为外部光源时，获得的原像如图2所示，获得的色散像如图3所示，结果显示本发明的光通量高，突破了现有技术测量的瓶颈。本发明中采用的氘灯的标准光谱如图4曲线所示，通过本发明最终测量计算的氘灯光谱如图5曲线所示，结果显示本发明的测量结果与外部光源标准光谱高度一致吻合，实现了本发明的目的。
本发明经反复试验验证，取得了满意应用效果。

Claims (7)

1.基于反卷积的双光路光谱测量装置，其特征在于该装置设置为双光路结构，一光路由目标物镜（1）、狭缝（2）、准直镜（3）、分束镜（4）、色散元件（5）、第一汇聚镜头（6）和第一CCD相机（7）依次组成，另一光路由分束镜（4）、第二汇聚镜头（8）和第二CCD相机（9）依次组成；外部光源经目标物镜（1）汇聚到狭缝（2）上，狭缝（2）设置在目标物镜（1）和准直镜（3）的焦点上，通过狭缝（2）的光经过准直镜（3）后将变成平行光，当平行光入射到分束镜（4）上时，一部分光将发生反射并通过第二汇聚镜头（8）汇聚到第二CCD相机（9）上，形成未色散的原像；另一部分光透过分束镜（4），垂直入射到色散元件（5）上，经色散后的光被第一会聚镜头（6）汇聚到第一CCD相机（7）上形成色散后光的像，通过计算未色散光的原像和色散后光的像的反卷积来获取外部光源光谱。
2.根据权利1所述的双光路光谱测量装置，其特征在于狭缝（2）宽度小于准直镜（3）的有效聚焦宽度。
3.根据权利1或2所述的双光路光谱测量装置，其特征在于狭缝（2）的宽度方向与色散元件（5）的光色散方向一致。
4.根据权利1所述的双光路光谱测量装置，其特征在于色散元件（5）为光栅或棱镜。
5.根据权利3所述的双光路光谱测量装置，其特征在于色散元件（5）为光栅或棱镜。
6.根据权利1所述的双光路光谱测量装置，其特征在于目标物镜（1）、准直镜（3）、第一汇聚镜头（6）和第二汇聚镜头（8）均为CCTV镜头或相机镜头。
7.根据权利1所述的双光路光谱测量装置，其特征在于第一CCD相机（7）和第二CCD相机（9）均为黑白工业数字相机。
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