CN106153190A - 用于获得光谱的分光模块及双模复用光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于获得光谱的分光模块，用于获得被测目标物体光谱，沿光入射方向依次包括光入射窗口、漫射器、滤波片阵列，所述滤波片阵列为角度调谐滤波片阵列，滤波器每个子区域对应的滤波片具有不同的中心波长；本发明还提供一种双模复用光学装置，包括分光模块、照明模块、光场成像模块，本发明提出的双模式复用光学装置能实现光谱探测和光场成像两种功能的一体化，可应用于物质光谱探测、数字图像探测、数字调焦，可获得高分辨率成像结果，同时模块可拆卸，便于用户根据需求使用装置。

Description

用于获得光谱的分光模块及双模复用光学装置
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种用于获得光谱的分光模块及包括该分光模块的双模复用光学装置。
背景技术
光场是空间中同时包含二维位置(x，y)和二维方向信息(u，v)的四维光辐射场的参数化表示。随着照相技术的发展，光场成像技术被广泛应用在三维重构、数字调焦等方面。相较传统成像方式，光场成像技术能获取更丰富的目标信息(除目标位置信息外，还能感知发出光线的方向信息)，在图像重建或处理过程中，这些多出的信息能解决传统技术中图像失焦、多物聚焦、运动模糊等很多问题，应用于航拍、动画渲染、立体投影、仪器测量等方面。
光谱探测技术可以帮助用户了解物质组成及结构，是一种必要的分析手段，以此为基础发展起来不同类型的光谱仪，如光栅扫描光谱仪、傅里叶变换光谱仪等。传统光谱仪依赖于大量光学元件，往往体积庞大，成本较高。为顺应小型化、低成本的发展趋势，一种新的光谱探测方法有待提出。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种用于获得光谱的分光模块及包括该分光模块的双模复用光学装置。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种用于获得光谱的分光模块，用于获得被测目标物体光谱，沿光入射方向依次包括光入射窗口、漫射器、滤波片阵列，滤波片阵列的尺寸为Dx×Dy，漫射器水平和竖直方向上的最大发散角度分别为θx、θy，滤波片阵列和漫射器之间的间距d满足：光入射窗由特定波段可透的材料制成，所述特定波段为分光模块的目标波段，所述滤波片阵列为角度调谐滤波片阵列，滤波器每个子区域对应的滤波片具有不同的中心波长，光漫射器的最大发散角度θmax＝max{θx、θy}，所述滤波片阵列的滤波片的最大可调节角度α需满足：α≤θmax。
本发明还提供一种双模复用光学装置，包括上述分光模块，还包含：
照明模块：用于向被测目标物体提供光照；
光场成像模块：用于实现被测目标物体的光场成像，沿光入射方向依次包含会聚透镜、微透镜阵列、探测器、控制电路，其中：会聚透镜将来自滤波片阵列的光线会聚于微透镜平面上，微透镜阵列将来自于与微透镜对应的滤波片上的光线以光谱的形式投射在探测器上，探测器用于探测被测目标物体的光谱或光场成像结果，控制电路用于控制探测器对光谱和光场成像结果进行拍摄；
所述照明模块和分光模块构成一个整体，照明模块置于分光模块光入射窗口一侧，分光模块和光场成像模块可拆卸式连接。
此外，照明模块出射光线与入射窗口之间的夹角可调节，这样能够尽可能保证目标反射和散射光线垂直入射到入射窗。
作为优选方式，所述漫射器表面镀增透膜，和/或漫射器表面采用微透镜阵列的表面形貌。
作为优选方式，所述滤波片阵列的滤波片为以下几种滤波片中的一种：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)薄膜滤光片；(3)干涉滤光片。
作为优选方式，照明模块还包含一个控制电路，用于控制模块的点亮和调节照明模块的亮度。
作为优选方式，微透镜阵列的透镜与滤波片阵列的单个滤波片位置一一对应，每个微透镜在滤波片阵列上的投影位于与微透镜对应的单个滤波片内部，微透镜阵列位于会聚透镜的焦平面上，探测器位于微透镜阵列的焦平面上，每个微透镜的焦距相同，微透镜阵列中各微透镜间存在间隙δ，间隙处镀有吸光薄膜，间隙大小δ与微透镜焦平面弥散斑的直径σ的关系为：δ≥σ。吸光薄膜用于减少相邻微透镜间光的干扰。
作为优选方式，滤波片为正方形，微透镜阵列中每个微透镜的直径小于等于正方形滤波片的内切圆直径。
作为优选方式，微透镜是非球面的。这样可以减少像差。
作为优选方式，会聚透镜置于光场成像模块的最前端，所述会聚透镜选自：平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜其中的一种，或采用透镜组的形式。
作为优选方式，微透镜阵列和探测器间存在垫块支撑结构，该结构的长度与微透镜阵列焦距相等。
本发明的有益效果为：本发明代替传统的光栅、迈克尔逊干涉仪等分光方式，提出一种基于角度调谐滤波片阵列的分光模块以及包括该分光模块的利用光场成像技术的双模式复用光学装置。分光模块用于获得被测目标物体光谱，光线入射到角度调谐滤波片阵列后，能得到波长与出射角度相关的规律分布的光谱。当将光场成像技术应用于光谱探测时，由于能有效感知光线角度上的变化，光谱探测结果具有较高的分辨率，实现光谱仪的功能。此外，角度调谐滤波片阵列制作工艺简单，加工成本低，且可以加工成任意形状大小，为装置小型化创造更多可能。本发明提出的双模式复用光学装置能实现光谱探测和光场成像两种功能的一体化，可应用于物质光谱探测、数字图像探测、数字调焦，可获得高分辨率成像结果，同时模块可拆卸，便于用户根据需求使用装置。
附图说明
图1为本发明中照明模块和分光模块的结构示意图。
图2为本发明中光场成像模块的结构示意图。
图3为本发明中双模式复用光学装置的结构示意图；
图4为漫射器和滤波片阵列的结构示意图；
图5为微透镜阵列间隙镀膜示意图；
图6光场模块光线传播示意图；
图7子滤波片出射光谱分布图；
其中，101为照明模块，102为光入射窗口，103为漫射器，104为滤波片阵列，105为会聚透镜，106为微透镜阵列，107为探测器，108为控制电路，1、2、3为子滤波片。
此外，δ表示相邻微透镜间隙大小；λ1、λ2、λ3分别表示不同波长的光线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图1所示，一种用于获得光谱的分光模块，用于获得被测目标物体光谱，沿光入射方向依次包括光入射窗口102、漫射器103、滤波片阵列104，滤波片阵列的尺寸为Dx×Dy，如图4所示，漫射器水平和竖直方向上的最大发散角度分别为θx、θy，滤波片阵列和漫射器之间的间距d满足：满足上述条件能有效利用装置的空间，如果不满足会导致滤波片阵列部分面积的浪费。光入射窗由特定波段可透的材料制成，所述特定波段为分光模块的目标波段，所述滤波片阵列为角度调谐滤波片阵列，滤波器阵列包含一系列子区域，每个子区域有一块滤波片，即所述滤波器由一系列滤波片构成。滤波器阵列每个子区域对应的滤波片具有不同的中心波长，光漫射器的最大发散角度θmax＝max{θx、θy}，所述滤波片阵列的滤波片的最大可调节角度α需满足：α≤θmax。
实施例2
如图3所示，一种双模复用光学装置，包括实施例1中的分光模块，还包含：照明模块101：用于向被测目标物体提供光照；光场成像模块：用于实现被测目标物体的光场成像，沿光入射方向依次包含会聚透镜105、微透镜阵列106、探测器107、控制电路108，其中：会聚透镜将来自滤波片阵列的光线会聚于微透镜平面上，微透镜阵列将来自于与微透镜对应的滤波片上的光线以光谱的形式投射在探测器上，探测器用于探测被测目标物体的光谱或光场成像结果，控制电路用于控制探测器对光谱和光场成像结果进行拍摄；所述照明模块和分光模块构成一个整体，照明模块置于分光模块光入射窗口一侧，分光模块和光场成像模块可拆卸式连接，如螺纹连接、花键连接、卡扣连接等。
所述照明模块可通过目前存在的任何照明装置实现。例如激光器、量子点LED、红外LED和卤素灯等。照明模块可通过LED阵列的形式实现。在一些实施例中，阵列中的每个LED的发光光谱不同，使得照明装置的总光谱覆盖可见光到近红外波段。照明模块还包含一个聚光装置，将光源发出的光汇聚到所测样品上。
照明模块发出光线照射到样品上，被样品反射的光线经分光模块入射窗照射到漫射器上。
此外，照明模块出射光线与入射窗口之间的夹角可调节，例如照明模块铰接在分光模块光入射窗口一侧，这样能够尽可能保证目标反射和散射光线垂直入射到入射窗。照明模块还包含一个控制电路，用于控制模块的点亮和调节照明模块的亮度。
所述探测器可为既有探测器中的任意一种，例如CCD或CMOS。
所述漫射器表面镀增透膜，和/或漫射器表面采用微透镜阵列的表面形貌。透射到漫射器上的光线，经漫射器103匀化作用，使得透射光具有均匀的光谱分布。使得各个波长的光波具有基本相同的发散角范围0度～θ度。
所述滤波片阵列的滤波片为以下几种滤波片中的一种：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)薄膜滤光片；(3)干涉滤光片。
微透镜阵列的微透镜与滤波片阵列的单个滤波片位置一一对应，每个微透镜在滤波片阵列上的投影位于与微透镜对应的单个滤波片内部，微透镜阵列位于会聚透镜的焦平面上，探测器位于微透镜阵列的焦平面上，每个微透镜的焦距相同，如图5所示，微透镜阵列中各微透镜间存在间隙δ，间隙处镀有吸光薄膜，间隙大小δ与微透镜焦平面弥散斑的直径σ的关系为：δ≥σ。吸光薄膜用于减少相邻微透镜间光的干扰。
滤波片为正方形，微透镜阵列中每个微透镜的直径小于等于正方形滤波片的内切圆直径。
微透镜是非球面的。这样可以减少像差。
会聚透镜置于光场成像模块的最前端，所述会聚透镜选自：平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜其中的一种，或采用透镜组的形式。
微透镜阵列106和探测器107间存在垫块支撑结构，该结构的长度与微透镜阵列焦距相等。
如图7所示，由于滤波片阵列的角度调谐特性，所述滤波片阵列104的任意一个子滤波片的光线出射角度与出射光波长存在一一对应关系，出射光具有规律的光谱分布，呈多个嵌套的同心圆环。在一些实施例中，圆环半径越大对应波长越短。
如附图6所示，ai、bi、ci(i＝1、2、3)表示来自滤波片阵列104中子滤波片1、2、3的三种出射角度(对应三种不同波长)的光线，其中，脚标i表示来自第i块子滤波片，而a、b、c分别表示三种不同的出射角度。来自各个子滤波片的出射光经会聚透镜105的会聚作用，聚焦在放置于会聚透镜105焦平面处的微透镜阵列上。不同出射角度的光线对应不同的微透镜，并最终投射在探测器106上不同的区域，图中探测器区域一、二、三分别探测到来自三个子滤波片出射角度为a、b、c的光谱分布，并将光信号转化为电信号。
实施例3
如图2所示，本实施例采用光场成像模块实现光场相机功能。
光场成像模块：用于实现被测目标物体的光场成像，沿光入射方向依次包含会聚透镜105、微透镜阵列106、探测器107、控制电路108，其中：会聚透镜将来自滤波片阵列的光线会聚于微透镜平面上，微透镜阵列将来自于与微透镜对应的滤波片上的光线以光谱的形式投射在探测器上，探测器用于探测被测目标物体的光谱或光场成像结果，控制电路用于控制探测器对光谱和光场成像结果进行拍摄；
所述探测器可为既有探测器中的任意一种，例如CCD或CMOS。
微透镜阵列的微透镜与滤波片阵列的单个滤波片位置一一对应，每个微透镜在滤波片阵列上的投影位于与微透镜对应的单个滤波片内部，微透镜阵列位于会聚透镜的焦平面上，探测器位于微透镜阵列的焦平面上，每个微透镜的焦距相同，微透镜阵列中各微透镜间存在间隙δ，间隙处镀有吸光薄膜，镀膜材料为金属铬。间隙大小δ与微透镜焦平面弥散斑的直径σ的关系为：δ≥σ。微透镜之间的间隙镀吸光薄膜膜可反射部分杂散光，减少相邻微透镜间光的干扰。
光线依次通过会聚透镜105、微透镜阵列106后会聚在探测器107平面，控制电路108控制探测器107将光信号转化为电信号。
来自空间不同位置、一定方向上的外部光线通过透镜组组成的会聚透镜105汇聚到放置在会聚透镜焦平面处的微透镜阵列106的对应微透镜上。所述微透镜阵列排列方式可为面阵列和线阵列两种，如12个微透镜组成的1×12的线阵列或2×6、3×4的面阵列。
为减少像差，所述微透镜阵列的每个微透镜为平凸非球面透镜，平面对向会聚透镜105，凸面对向探测器107。在许多实施例中，每个间隙镀有光吸收或反射薄膜，
会聚透镜置于光场成像模块的最前端，所述会聚透镜选自：平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜其中的一种，或采用透镜组的形式。
微透镜阵列106和探测器107间存在垫块支撑结构，该结构的长度与微透镜阵列焦距相等，该结构用于固定光路。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于获得光谱的分光模块，用于获得被测目标物体光谱，其特征在于：沿光入射方向依次包括光入射窗口、漫射器、滤波片阵列，滤波片阵列的尺寸为Dx×Dy，漫射器水平和竖直方向上的最大发散角度分别为θx、θy，滤波片阵列和漫射器之间的间距d满足：光入射窗由特定波段可透的材料制成，所述特定波段为分光模块的目标波段，所述滤波片阵列为角度调谐滤波片阵列，滤波器每个子区域对应的滤波片具有不同的中心波长，光漫射器的最大发散角度θmax＝max{θx、θy}，所述滤波片阵列的滤波片的最大可调节角度α需满足：α≤θmax。
2.一种双模复用光学装置，包括权利要求1中的分光模块，其特征在于还包含：
照明模块：用于向被测目标物体提供光照；
光场成像模块：用于实现被测目标物体的光场成像，沿光入射方向依次包含会聚透镜、微透镜阵列、探测器、控制电路，其中：会聚透镜将来自滤波片阵列的光线会聚于微透镜平面上，微透镜阵列将来自于与微透镜对应的滤波片上的光线以光谱的形式投射在探测器上，探测器用于探测被测目标物体的光谱或光场成像结果，控制电路用于控制探测器对光谱和光场成像结果进行拍摄；
所述照明模块和分光模块构成一个整体，照明模块置于分光模块光入射窗口一侧，分光模块和光场成像模块可拆卸式连接。
3.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：所述漫射器表面镀增透膜，和/或漫射器表面采用微透镜阵列的表面形貌。
4.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于所述滤波片阵列的滤波片为以下几种滤波片中的一种：(1)法布里-珀罗滤波片；(2)薄膜滤光片；(3)干涉滤光片。
5.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：照明模块还包含一个控制电路，用于控制模块的点亮和调节照明模块的亮度。
6.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：微透镜阵列的透镜与滤波片阵列的单个滤波片位置一一对应，每个微透镜在滤波片阵列上的投影位于与微透镜对应的单个滤波片内部，微透镜阵列位于会聚透镜的焦平面上，探测器位于微透镜阵列的焦平面上，每个微透镜的焦距相同，微透镜阵列中各微透镜间存在间隙δ，间隙处镀有吸光薄膜，间隙大小δ与微透镜焦平面弥散斑的直径σ的关系为：δ≥σ。
7.根据权利要求6所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：滤波片为正方形，微透镜阵列中每个微透镜的直径小于等于正方形滤波片的内切圆直径。
8.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：微透镜是非球面的。
9.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：会聚透镜置于光场成像模块的最前端，所述会聚透镜选自：平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜其中的一种，或采用透镜组的形式。
10.根据权利要求2所述的一种双模复用光学装置，其特征在于：微透镜阵列和探测器间存在垫块支撑结构，该结构的长度与微透镜阵列焦距相等。
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