CN106441573A - 一种基于多模光波导的小型光谱仪 - Google Patents

一种基于多模光波导的小型光谱仪 Download PDF

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    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry

Abstract

本发明公开了一种基于多模光波导的小型光谱仪，包括顺次连接的接入端口、偏振控制及保持模块、多模光波导模块、成像及照相模块、图像处理模块、光谱显示模块。本发明没有扫描装置，因此具有较好的稳定性和耐用性，并且在探测光进入多模光波导之前先通过偏振控制及保持模块，很好地避免了偏振状态的改变对光谱仪的影响；本发明拥有独立的图像处理模块和光谱显示模块，不需外接PC，具有很好的一体性，系统体积和重量较小，便于携带；并且由于本发明采用多模光波导作为核心元件，具有低成本的优点；此外，本发明测量速度快，分辨率高，为实时测量提供了可能性。

Description

一种基于多模光波导的小型光谱仪
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种基于多模光波导的小型光谱仪的设计。
背景技术
光谱仪是一种十分重要的光学测量仪器，而物质对不同波长的红外辐射光具有不同的吸收特性，因而可以通过对物质的吸收谱线来对物质的组成和比例进行分析。其在航空航天、农业、生物化学、医学等领域均有重要的应用。传统的光谱仪一般都含有扫描装置，装置中的运动部件会影响还原光谱的质量，而运动部件的轴承在长时间使用之后会产生磨损，影响波长的精确性和重现性，这对整个光谱仪产生了不利的影响。而且传统的光谱仪是利用光栅或者棱镜作为分光元件，其分辨率是与光栅或棱镜与探测器之间的光程成正比的，因此光谱仪的分辨率与尺寸存在矛盾，导致高分辨率的光谱仪尺寸一般较大，不方便携带。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中传统光谱仪存在的上述问题，提出了一种基于多模光波导的小型光谱仪。
本发明的技术方案为：一种基于多模光波导的小型光谱仪，包括顺次连接的接入端口、偏振控制及保持模块、多模光波导模块、成像及照相模块、图像处理模块、光谱显示模块；待测光源经过接入端口与偏振控制及保持模块相连接，偏振控制及保持模块使输入光的偏振方向确定，其输出端与多模光波导模块耦合连接；输入光通过多模光波导模块，并在其末端形成干涉散斑图，通过成像及照相模块对干涉散斑图进行成像；最后通过图像处理模块根据不同波长的输入光对应不同的干涉散斑图来将输入光的光谱组成恢复出来，并在光谱显示模块上显示。
优选地，接入端口采用一个带FC/PC接口的单模光纤。
优选地，偏振控制及保持模块包括扰偏器、起偏器、偏振保持光纤；扰偏器的输入端通过接入端口与待测光源相连接，输出端与起偏器的输入端进行连接，起偏器的输出端与偏振保持光纤相连接，偏振保持光纤的输出端与多模光波导模块的输入端进行耦合熔接，保证光束能量的损失最小化。
优选地，多模光波导模块采用阶跃光波导。
优选地，成像及照相模块包括成像透镜和CCD探测器；成像透镜用于将多模光波导模块末端形成干涉散斑图进行放大，CCD探测器通过输出导线与图像处理模块进行连接，用于对通过成像透镜的干涉散斑图进行拍照，将得到的图像送至图像处理模块。
优选地，图像处理模块用于对干涉散斑图进行处理并存储，并将处理结果输出到光谱显示模块上显示。
本发明的有益效果是：本发明没有扫描装置，因此具有较好的稳定性和耐用性，并且在探测光进入多模光波导之前先通过偏振控制及保持模块，很好地避免了偏振态的改变对光谱仪的影响；本发明拥有独立的图像处理模块和光谱显示模块，不需外接PC，具有很好的一体性，系统体积和重量较小，便于携带，成本较低；此外，本发明测量速度快，分辨率高，为实时测量提供了可能性。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于多模光波导的小型光谱仪结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种基于多模光波导的小型光谱仪，如图1所示，包括顺次连接的接入端口、偏振控制及保持模块、多模光波导模块、成像及照相模块、图像处理模块、光谱显示模块。待测光源经过接入端口与偏振控制及保持模块相连接，偏振控制及保持模块使输入光的偏振方向确定，其输出端与多模光波导模块耦合连接；输入光通过多模光波导模块，并在其末端形成干涉散斑图，通过成像及照相模块对干涉散斑图进行成像；最后通过图像处理模块根据不同波长的输入光对应不同的干涉散斑图来将输入光的光谱组成恢复出来，并在光谱显示模块上显示。
其中，接入端口采用一个带FC/PC接口的单模光纤。
偏振控制及保持模块包括扰偏器、起偏器、偏振保持光纤。扰偏器的输入端通过接入端口与待测光源相连接，输出端与起偏器的输入端进行连接。起偏器的输出端与偏振保持光纤相连接，保持输入光的偏振态固定且不变，消除了偏振态的改变对光谱仪的精确性的影响。偏振保持光纤的输出端与多模光波导模块的输入端进行耦合熔接，保证光束能量的损失最小化。
多模光波导模块采用阶跃光波导，是整个光谱仪的核心元件，其作用是在其输出端面根据不同波长组成的输入光形成不同的干涉散斑图。多模光波导模块采取弯曲结构增加波导的长度，并且波导的芯层尺寸较大，能够支持数百到上千个模式，从而使波导末端的干涉散斑图数量增加，有效地增加了光谱仪的分辨率。
成像及照相模块包括成像透镜和CCD探测器。成像透镜用于将多模光波导模块末端形成干涉散斑图进行放大，成像过程中，多模光波导模块的输出端与成像透镜的中心进行对准，保证成像的质量。CCD探测器通过输出导线与图像处理模块进行连接，用于对通过成像透镜的干涉散斑图进行拍照，将得到的图像送至图像处理模块。成像透镜与多模光波导模块输出端面以及CCD探测器的距离要合适，应使CCD探测器探测到的干涉散斑图足够分散并且数目足够多，以充分利用干涉图案包含的光谱信息。
图像处理模块包括存储和处理灰度图像的功能，可以对干涉散斑图进行处理并存储，并将处理结果输出到光谱显示模块上显示。图像处理模块通过导线与光谱显示模块相连接。
下面通过一个具体实施例对本发明提供的基于多模光波导的小型光谱仪的工作原理作详细说明：
第一步，记录定标光谱对应的干涉散斑图：
先用一个可调谐的激光光源产生的单色性较好的激光通入光谱仪，通过图像处理模块记录此时经过成像透镜并由CCD探测器探测得到的干涉散斑图，通过改变激光光源的波长，记录不同波长下的干涉散斑图，并依次将这些干涉散斑图存储在图像处理模块中，作为定标光谱。
第二步，采集待恢复的光谱：
将待测光经过前段偏振控制及保持模块通入到多模光波导模块当中，记录此时从多模光波导模块末端探测到的干涉散斑图，并将其存储在图像处理模块当中。
第三步，处理并恢复待测光的光谱：
将待测光的干涉散斑图与定标光谱的干涉散斑图进行对比，并利用图像处理模块进行计算还原，得到被测光的光谱，并送入显示器。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，包括顺次连接的接入端口、偏振控制及保持模块、多模光波导模块、成像及照相模块、图像处理模块、光谱显示模块；待测光源经过接入端口与偏振控制及保持模块相连接，偏振控制及保持模块使输入光的偏振方向确定，其输出端与多模光波导模块耦合连接；输入光通过多模光波导模块，并在其末端形成干涉散斑图，通过成像及照相模块对干涉散斑图进行成像；最后通过图像处理模块根据不同波长的输入光对应不同的干涉散斑图来将输入光的光谱组成恢复出来，并在光谱显示模块上显示。
2.根据权利要求1所述的基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，所述接入端口采用一个带FC/PC接口的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，所述偏振控制及保持模块包括扰偏器、起偏器、偏振保持光纤；所述扰偏器的输入端通过接入端口与待测光源相连接，输出端与起偏器的输入端进行连接；所述起偏器的输出端与偏振保持光纤相连接；所述偏振保持光纤的输出端与多模光波导模块的输入端进行耦合熔接，保证光束能量的损失最小化。
4.根据权利要求1所述的基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，所述多模光波导模块采用阶跃光波导。
5.根据权利要求1所述的基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，所述成像及照相模块包括成像透镜和CCD探测器；所述成像透镜用于将多模光波导模块末端形成干涉散斑图进行放大；所述CCD探测器通过输出导线与图像处理模块进行连接，用于对通过成像透镜的干涉散斑图进行拍照，将得到的图像送至图像处理模块。
6.根据权利要求1所述的基于多模光波导的小型光谱仪，其特征在于，所述图像处理模块用于对干涉散斑图进行处理并存储，并将处理结果输出到光谱显示模块上显示。
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