CN105444883A - 一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪及全光谱范围自动获取的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其包括光谱仪以及远程控制装置，光谱仪与远程控制装置通讯连接；光谱仪包括外壳、光学镜头及液晶可调谐滤光片，外壳内部设置有CCD探测器、DSP处理器以及电源模块，光学镜头设置在外壳的外部液晶可调谐滤光片设置在光学镜头的后部，物体的反射光通过光学镜头后再由液晶可调谐滤光片调谐滤波。本发明提供了一种以液晶可调谐滤光片为核心分光设置、CCD探测器为数字感光元件，并使用DSP处理器为计算、控制单元的成像光谱仪，能够获得高分辨率的光谱图像，并且控制液晶可调谐滤光片，实现光谱波段的任意调谐，利用DSP处理器与远程控制装置的交互，实现光谱的自动获取及计算参数的自动修正，使用方便，成本较低。

Description

一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪及全光谱范围自动获取的方法

技术领域

本发明涉及光谱仪领域，具体地涉及一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪及全光谱范围自动获取的方法。

背景技术

成像光谱是一种结合成像技术和光谱技术的新型技术，不仅能对物体进行空间成像，同时还能提供丰富的光谱信息。由于它具有光谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，使成像光谱技术在遥感、医学显微等领域的使用日益广泛，能够获取高分辨率的二维、三维地表图像，有效地区分和识别地表的物体，获取微小细胞组织的光谱图像。

现在目前应用的光谱仪一般为色散型光谱仪，但是色散型光谱仪探测灵敏度低，其空间分辨率、光谱分辨率以及对弱信号的探测能力都不能满足用户的需求，干涉成像光谱仪虽然具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点，能够满足日益提升的应用需求，但是对于干涉成像光谱技术，其核心部件的分光部件对于获取合适的偏振光十分重要，因此成本较多，操作较复杂，另一方面，现在的成像光谱技术需要感光元件产生数据信号、数字信号的处理以及后期处理等，因此现有的光谱仪的操作复杂，不能满足需求。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有的光谱仪存在的探测灵敏度低、全自动化水平低等问题，并满足应用场合所需的高光谱分辨率、高能量利用要求，以及自动化控制、自动化参数修正等其他要求，提供了以液晶可调谐滤光片为核心分光设置、CCD探测器为数字感光元件，并使用DSP处理器为计算、控制单元的成像光谱仪，能够获得高分辨率的光谱图像，并且控制液晶可调谐滤光片，实现光谱波段的任意调谐，利用DSP处理器与PC机的交互，实现光谱的自动获取及计算参数的自动修正，使用方便，成本较低，且后续处理方便快捷。

具体的，本发明提供一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其包括光谱仪以及远程控制装置，所述光谱仪与所述远程控制装置通讯连接；

所述光谱仪包括外壳、光学镜头以及液晶可调谐滤光片，所述外壳内部设置有CCD探测器、DSP处理器、控制器以及电源模块，所述光学镜头设置在所述外壳的外部，所述液晶可调谐滤光片设置在所述光学镜头的后部，物体的反射光通过光学镜头后再由液晶可调谐滤光片调谐滤波；

所述控制器与所述DSP处理器通讯连接，所述控制器能够根据所述DSP处理器发出的指令，控制液晶可调谐滤光片进行调谐，以适应全光谱范围；

所述CCD探测器与所述DSP处理器通讯连接，能够获取经过光学镜头及液晶可调谐滤光片的光，产生图像的数字信号，并传输给DSP处理器。

优选地，液晶可调谐滤光片由依次平行排列的多级单元级联而成，每一级单元包含有两个相互平行的偏振片，所述两个偏振片之间夹设有液晶延迟片，液晶延迟片的光轴与偏振片的透过方向存在45°的方位夹角，延迟片的厚度逐级增加，分别为d、2d、…、2N-1d，d是其中最薄的延迟片厚度，当光源通过其中一级单元时，由于沿液晶延迟片快、慢轴传播的两束光振动方向相同，而位相差是一定的，因此发生干涉作用。

优选地，所述外壳为塑料壳体或不锈钢壳体。

优选地，所述外壳设有镜头开孔、电源开口、通讯开口、电源开关以及指示灯。

优选地，所述光学镜头设置在所述外壳的镜头开孔处。

优选地，所述电源模块包括电源插头以及整流稳压模块，所述电源插头连接标准的市电电源插座，为光谱仪提供电源，所述整流稳压模块将市电经过整流稳压后，产生供仪器使用的直流电。

优选地，所述DSP处理器通过USB通讯模块连接远程控制装置，用于将所述DSP处理器计算处理后的光谱数据传输给所述远程控制装置，同时，将所述远程控制装置发出的用户指令传输给所述DSP处理器。

优选地，所述远程控制装置为计算机。

优选的，本发明还提供一种全光谱范围自动获取的方法，其步骤如下所述：

S1、待测物体的反射光经过光学镜头，再由液晶可调谐滤光片进行调谐滤光，在CCD探测器上成像，将数字信号传输给DSP处理器，DSP处理器处理后，经过USB通讯模块传输给远程控制装置；

S2、远程控制装置获取特定波长的光谱图像信息后，根据设置要求，通过USB通讯模块向DSP处理器发出新的波长指令；

S3、DSP处理器获取新的波长指令，控制控制器对液晶可调谐滤光片中的液晶延迟片进行调整，以达到调谐功能，确定新的中心波长；

S4、重复步骤S1-S3，直到获取所有不同波长的光谱图像为止。

优选地，本发明还提供一种基于上述的全光谱范围自动获取方法的成像光谱仪的自动修正方法，其步骤如下：

S1、通过标准仪器获取待测物体的实际地物偏振信息；

S2、使用所述成像光谱仪，获取每个探测单片的输出信号；

S3、根据所有的探测单片的仪器输出信号以及对应的实际地物偏振信息，确定对应的关系，计算或修正光谱成像的计算参数，以修正所述成像光谱仪的误差。

本发明能够满足应用场合所需的高光谱分辨率、高能量利用要求，以及自动化控制、自动化参数修正等其他要求，提供了以液晶可调谐滤光片为核心分光设置、CCD探测器为数字感光元件，并使用DSP处理器为计算、控制单元的成像光谱仪，能够获得高分辨率的光谱图像，并且控制液晶可调谐滤光片，实现光谱波段的任意调谐，利用DSP处理器与PC机的交互，实现光谱的自动获取及计算参数的自动修正，使用方便，成本较低，且后续处理方便快捷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光谱仪的结构示意图；

图3为本发明的结构示意框图；

图4为液晶可调谐滤光片的原理图；

图5为液晶可调谐滤光片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的结构及工作原理做进一步解释：

本发明提供一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其包括光谱仪1以及远程控制装置2，所述光谱仪1与所述远程控制装置2通讯连接；

所述光谱仪1包括外壳11、光学镜头12以及液晶可调谐滤光片13，所述外壳11内部设置有CCD探测器111、DSP处理器112、控制器113以及电源模块114，所述光学镜头12设置在所述外壳11的外部，所述液晶可调谐滤光片13设置在所述光学镜头12的后部，物体的反射光通过光学镜头12后再由液晶可调谐滤光片13调谐滤波；

所述控制器113与所述DSP处理器112通讯连接，所述控制器113能够根据所述DSP处理器112发出的指令，控制液晶可调谐滤光片13进行调谐，以适应全光谱范围；

所述CCD探测器111与所述DSP处理器112通讯连接，能够获取经过光学镜头12及液晶可调谐滤光片13的光，产生图像的数字信号，并传输给DSP处理器112。

优选地，液晶可调谐滤光片13由依次平行排列的多级单元级联而成，每一级单元包含有两个相互平行的偏振片131，所述两个偏振片131之间夹设有液晶延迟片132，液晶延迟片132的光轴与偏振片131的透过方向存在45°的方位夹角，液晶延迟片132的厚度逐级增加，分别为d、2d、…、2N-1d，d是其中最薄的延迟片厚度，当光源通过其中一级单元时，由于沿液晶延迟片132快、慢轴传播的两束光振动方向相同，而位相差是一定的，因此发生干涉作用。

优选地，所述外壳11为塑料壳体或不锈钢壳体。

优选地，所述外壳11设有镜头开孔115、电源开口116、通讯开口117、电源开关118以及指示灯119。

优选地，所述光学镜头12设置在所述外壳11的镜头开孔115处。

优选地，所述电源模块114包括电源插头1141以及整流稳压模块1142，所述电源插头1141连接标准的市电电源插座，为光谱仪1提供电源，所述整流稳压模块1142将市电经过整流稳压后，产生供仪器使用的直流电。

优选地，所述DSP处理器112通过USB通讯模块连接远程控制装置2，用于将所述DSP处理器112计算处理后的光谱数据传输给所述远程控制装置2，同时，将所述远程控制装置2发出的用户指令传输给所述DSP处理器112。

优选地，所述远程控制装置2为计算机。

优选的，本发明还提供一种全光谱范围自动获取的方法，其步骤如下所述：

S1、待测物体的反射光经过光学镜头12，再由液晶可调谐滤光片13进行调谐滤光，在CCD探测器111上成像，将数字信号传输给DSP处理器112，DSP处理器112处理后，经过USB通讯模块传输给远程控制装置2；

S2、远程控制装置2获取特定波长的光谱图像信息后，根据设置要求，通过USB通讯模块向DSP处理器112发出新的波长指令；

S3、DSP处理器112获取新的波长指令，控制控制器113对液晶可调谐滤光片13中的液晶延迟片132进行调整，以达到调谐功能，确定新的中心波长；

S4、重复步骤S1-S3，直到获取所有不同波长的光谱图像为止。

优选地，本发明还提供一种基于上述的全光谱范围自动获取方法的成像光谱仪的自动修正方法，其步骤如下：

S1、通过标准仪器获取待测物体的实际地物偏振信息；

S2、使用所述成像光谱仪，获取每个探测单片的输出信号；

S3、根据所有的探测单片的仪器输出信号以及对应的实际地物偏振信息，确定对应的关系，计算或修正光谱成像的计算参数，以修正所述成像光谱仪的误差。

下面对液晶可谐调滤光片(以下简称LCTF)的结构及原理做进一步解释：

LCTF是基于偏振光的干涉原理利用液晶材料的双折射特性而制成的。LCTF是一种Lyot型可调谐双折射滤光器件，由依次平行排列的许多级级联而成，每一级包含有两个相互平行的偏振片，中间夹着液晶延迟片，延迟片的光轴与偏振片的透过方向有45°的方位夹角，延迟片的厚度逐级增加，分别为d、2d、…、2N-1d，d是其中最薄的延迟片厚度。如图4及图5所示，当光源通过其中一级单元时，由于沿液晶快、慢轴传播的两束光振动方向相同，而位相差一定，因此发生干涉作用。

第一级入射偏振片把入射光分解为沿两个晶轴的相等分量，施加在液晶元件上的电压引起其中一个晶轴上的折射率的变化。两分量间的相对延迟产生相位差，在出射偏振片上，两分量重新组合为一个可以预见的偏振态。只有与出射偏振片透过轴平行的偏振光束才可以输出；另一方面，两分量间的延迟与波长有关，因此液晶延迟片选择了可以透过的波长。干涉波长取决于e光和o光。在各级中除了电光调制液晶延迟片，还加入了铌化锂晶体。主要是利用铌化锂晶体的较大双折射特性，作为被动(固定非调谐的)波片，用来减小器件的总长度，而真正起调谐作用的是液晶元件。

LCTF每一级的透过率均是波长的函数，为：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0{\cos }^2\frac{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\λ}\right)}{2}$

其中Γ(λ)是厚度为d的一级(最薄的一级)的延迟，也是入射角θ和方位角φ的函数，其表达式为

其中，d是最薄的波片的厚度；ne和no分别是材料对寻常和非常光的折射率，λ是入射辐射的波长。上式用二项式展开，可化简为：

式中Δn＝ne-no是双折射情况下寻常和非常光的折射率之差，则每一级滤光片透过率在波长λ处有最大值的条件为：

Г(λ)＝2πM

其中M为整数。一个多级滤光片的总透过率如同有2N条线的光栅，产生cos2因子，N级LCTF的透过率为：

$T_f=\underset{l=1}{\overset{N}{\Π}}{\cos }^2\{2^{l-1}\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\λ}\right)/2\}=\frac{{\sin }^2{2}^N\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\λ}\right)/2}{2^{2N}{\sin }^2\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\λ}\right)/2}$

根据上式，正入射时(轴上光线)的光谱半宽Δλ1/2和自由光谱ΔλF，分别与材料的双折射折射率差Δn、双折射色散率α、滤光片级数N、以及元件厚度d的关系可进一步表述为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}=\frac{0.886\mathrm{\λ}}{2^{N}d(\mathrm{\α}-\mathrm{\Δ}n/\mathrm{\λ})}$

${\mathrm{\Δ\λ}}_F=\frac{\mathrm{\λ}}{d(\mathrm{\α}-\mathrm{\Δ}n/\mathrm{\λ})}$

$\mathrm{\α}=\frac{\∂n_e}{\∂\mathrm{\λ}}-\frac{\∂n_o}{\∂\mathrm{\λ}}$

因此，液晶作为可调谐延迟片(LCVR)，实现了波长调谐。在正入射情况下，LCTF中一级的总延迟可表示为：

Г＝Г_L+Г₁+Г₂

其中，ГL＝2πΔnLdL/λ是双折射折射率差为Δn、厚度为d的液晶元件的相位延迟；Г1、Г2分别是铌化锂晶体的延迟。上式忽略了半波片的影响，为实现全部自由光谱区的调谐，需要ГL有2π的变化范围，或者等价地，需要液晶的双折射改变为λ/dL。

待测光场通过液晶产生的光程差(相位差)，由于双折射液晶造成的相位差可以通过电压进行调节，即通过施加不同的电压可以使其不同波长的光发生干涉，可以实现不同波长的扫描。因此，通过可调谐液晶元件构成的液晶延迟片选择了可以透过的波长实现了分光作用。在LCTF之后配以固体成像器件对入射光波场的分光光谱图像进行光电变换即可得到不同光谱段的待测目标图像。

本发明能够满足应用场合所需的高光谱分辨率、高能量利用要求，以及自动化控制、自动化参数修正等其他要求，提供了以液晶可调谐滤光片为核心分光设置、CCD探测器为数字感光元件，并使用DSP处理器为计算、控制单元的成像光谱仪，能够获得高分辨率的光谱图像，并且控制液晶可调谐滤光片，实现光谱波段的任意调谐，利用DSP处理器与PC机的交互，实现光谱的自动获取及计算参数的自动修正，使用方便，成本较低，且后续处理方便快捷。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：其包括光谱仪以及远程控制装置，所述光谱仪与所述远程控制装置通讯连接；

所述光谱仪包括外壳、光学镜头以及液晶可调谐滤光片，所述外壳内部设置有CCD探测器、DSP处理器、控制器以及电源模块，所述光学镜头设置在所述外壳的外部，所述液晶可调谐滤光片设置在所述光学镜头的后部，物体的反射光通过光学镜头后再由液晶可调谐滤光片调谐滤波；

所述控制器与所述DSP处理器通讯连接，所述控制器能够根据所述DSP处理器发出的指令，控制液晶可调谐滤光片进行调谐，以适应全光谱范围；

所述CCD探测器与所述DSP处理器通讯连接，能够获取经过光学镜头及液晶可调谐滤光片的光，产生图像的数字信号，并传输给DSP处理器。

2.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：液晶可调谐滤光片由依次平行排列的多级单元级联而成，每一级单元包含有两个相互平行的偏振片，所述两个偏振片之间夹设有液晶延迟片，液晶延迟片的光轴与偏振片的透过方向存在45°的方位夹角，延迟片的厚度逐级增加，分别为d、2d、…、2N-1d，d是其中最薄的延迟片厚度。

3.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述外壳为塑料壳体或不锈钢壳体。

4.根据权利要求3所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述外壳设有镜头开孔、电源开口、通讯开口、电源开关以及指示灯。

5.根据权利要求4所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述光学镜头设置在所述外壳的镜头开孔处。

6.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述电源模块包括电源插头以及整流稳压模块，所述电源插头连接标准的市电电源插座，为光谱仪提供电源，所述整流稳压模块将市电经过整流稳压后，产生供仪器使用的直流电。

7.根据权利要求1所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述DSP处理器通过USB通讯模块连接远程控制装置，用于将所述DSP处理器计算处理后的光谱数据传输给所述远程控制装置，同时，将所述远程控制装置发出的用户指令传输给所述DSP处理器。

8.根据权利要求7所述的基于液晶可调谐滤光片的成像光谱仪，其特征在于：所述远程控制装置为计算机。

9.一种根据权利要求1-8所述的成像光谱仪进行全光谱范围自动获取的方法，其特征在于：其包括如下步骤：

S1、待测物体的反射光经过光学镜头，再由液晶可调谐滤光片进行调谐滤光，在CCD探测器上成像，将数字信号传输给DSP处理器，DSP处理器处理后，经过USB通讯模块传输给远程控制装置；

S2、远程控制装置获取特定波长的光谱图像信息后，根据设置要求，通过USB通讯模块向DSP处理器发出新的波长指令；

S3、DSP处理器获取新的波长指令，控制控制器对液晶可调谐滤光片中的液晶延迟片进行调整，以达到调谐功能，确定新的中心波长；

S4、重复步骤S1-S3，直到获取所有不同波长的光谱图像为止。

10.一种基于权利要求9所述的全光谱范围自动获取方法的成像光谱仪的自动修正方法，其步骤如下：

S1、通过标准仪器获取待测物体的实际地物偏振信息；

S2、使用所述成像光谱仪，获取成像光谱仪的每个探测单片的仪器输出信号；

S3、根据所有的探测单片的仪器输出信号以及对应的实际地物偏振信息，确定对应的关系，计算或修正光谱成像的计算参数，以修正所述成像光谱仪的误差。