CN106989821B - 基于光纤光学成像波导的轻型光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，包括成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统；成像光学模块将携带有成像光谱信号的入射光聚焦到光纤光学光谱成像与探测器模块表面，光纤光学光谱成像与探测器模块具有光纤光学波导，用于传播成像光谱信号并将其转变为电信号发送至电学系统，电学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对光纤光学光谱成像与探测器模块进行驱动和控制。本发明无任何运动部件，光谱分光与成像模块与探测器阵列采用一体化封装模块，简化了光谱分光和光谱成像的光学系统设计，显著提高了入射光耦合能力，减小了传统成像光学系统存在的畸变并可以消除光谱串扰。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像仪领域，具体涉及一种基于光纤光学成像波导的轻型光谱成像仪。
背景技术
近年来，随着遥感探测、防伪检测、物料分选、石油化工、国土资源调查、环境监测、生物医药、科技农业、军事分析以及工业流程控制等领域的现代化发展，对于用于分析、科学研究等用途的近红外光谱成像仪提出了非常迫切的小型化、轻量化、高性价比、高灵敏度、高集成度、高可靠性、系统简单等要求。在特殊应用场合下（如环保、野外、现场检测等）还要求仪器坚固抗震。
目前常用的基于滤波、棱镜、光栅、或者傅里叶变换体制的典型光谱成像仪，通常由相机和光谱仪组成，通常体积较大，并且需要使用复杂的光学系统以获取高质量的光谱成像数据。虽然目前常通过采用先进的光学设计手段和新型器件以降低光谱成像仪的尺寸，但是这往往会导致更加复杂的光学系统设计，以及由此带来的低光学效率。这一现状往往导致了应用于现场环境的光谱成像仪需要采用额外的加固等措施，以保证仪器能正常工作。这不但限制了仪器的应用场合，而且急剧增加了仪器的使用成本，这显然限制了近红外光谱成像技术的应用范围。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于光纤光学成像波导的轻型光谱成像仪，本发明将光谱仪和成像系统融为一体，实现了光学系统与探测器的一体化封装，减少了系统组件数量，有效降低了光学系统的装调难度，从而使得整体体积相比之前有了很大下降。
本发明采用下面的技术方案：
一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，包括成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统；
所述成像光学模块将携带有成像光谱信号的入射光聚焦到光纤光学光谱成像与探测器模块表面，光纤光学光谱成像与探测器模块具有光纤光学波导，用于传播成像光谱信号并将其转变为电信号发送至电学系统，电学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对所述光纤光学光谱成像与探测器模块进行驱动和控制。
进一步的，所述光纤光学光谱成像与探测器模块包括渐变滤光片薄膜、光纤光学波导和探测器阵列；渐变滤光片薄膜与探测器阵列之间采用光纤光学波导耦合，所述渐变滤光片薄膜、光纤光学波导、探测器阵列通过光学粘合剂封装为一体。
进一步的，所述成像光学模块包括双高斯透镜，用于将入射光转换为设定光束类型，并聚焦到渐变滤光片薄膜表面。
进一步的，所述光学粘合剂采用光学树脂。
进一步的，所述光学粘合剂的折射率分别与渐变滤光片薄膜、光纤光学波导的纤芯折射率相匹配。
进一步的，所述渐变滤光片薄膜在为10mm宽*10mm长以下。
进一步的，所述电学系统包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、时序控制模块和接口模块；
所述信号调理模块对探测器阵列发送模拟信号进行噪声抑制、增益调整，用于改善所述电信号的质量；
所述探测器驱动电路用于提供探测器阵列处于工作状态时所选的时序、逻辑控制命令；
所述A/D转换模块用于对所述探测器阵列输出的信号进行模拟-数字转换工作，输出数字信号；
所述时序控制模块分别与探测器驱动电路、A/D转换模块相连，用于提供时序脉冲信号；
所述接口模块用于与上位机通信，将所述光谱信号上传。
进一步的，所述电学系统还包括乒乓缓存阵列，乒乓缓存阵列一端连接所述时序控制模块，另一端连接上位机。
进一步的，所述探测器阵列为线阵探测器。
进一步的，还包括电源接口，电源接口与外部电源连接。
进一步的，还包括时序/逻辑控制模块，时序/逻辑控制模块与成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统连接，用于提供所述轻型成像光谱仪所需的时序和逻辑控制信号。
本发明的有益效果：
1.本发明解决了传统的由相机和光谱仪组成的光谱成像仪的体积大、需要复杂光学系统的问题，将光谱仪和成像系统融为一体，核心的光谱分光与成像模块与探测器阵列采用一体化封装模块；减少了系统组件数量，有效降低了光学系统的装调难度，从而使得整体体积相比之前有了很大下降；
2.本发明的成像光谱仪可以实现单次测量获取目标的一维空间图像信息和一维光谱信息，依靠载具或转台带动成像光谱仪运动获取另一维空间图像信息，然后经系列处理，获取目标的成像光谱数据；
3.本发明中的渐变滤光片薄膜、光纤光学成像波导、探测器阵列三者使用光学树脂粘合，封装成一个整体模块。这将简化光谱分光和光谱成像的光学系统设计，可显著提高入射光耦合能力、减小传统成像光学系统存在的畸变及消除光谱串扰，降低光学装调难度，可极大缩小封装尺寸。
附图说明
图1为本发明提出的基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪原理框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本发明的实施例为一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，该种光谱仪凭借高度集成化的设计，实现了高光谱成像仪器的轻质量、小型化特点。
基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪主要成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统、电源接口、时序/逻辑控制模块组成，其尺寸不大于60*60*140mm，重量不超过400g，测量波段范围为1100nm~2100nm。
本系统无任何运动部件，单次测量可获取目标的一维空间图像信息和一维光谱信息，依靠载具或转台带动成像光谱仪运动获取另一维空间图像信息，然后经系列处理，获取目标的成像光谱数据。
本实施例给出的轻型成像光谱仪经USB接口与基于电脑等的上位机软件通信，完成成像光谱仪的控制命令、获取成像光谱数据等的传输。获取的成像光谱数据等在上位机软件控制下，经USB接口上传至电脑等设备后，进行后续处理与分析。
下面对该成像光谱仪的组件进行详细介绍：
1.成像光学模块采用双高斯透镜设计，与用于可见近红外相机的商用镜头的典型特性一致。它主要用于将入射光聚焦到光纤面板的渐变滤光片薄膜表面，并将入射光转换为光纤光学光谱成像所需的光束类型。
2. 光纤光学光谱成像与探测器模块主要由渐变滤光片薄膜、光纤光学波导、光学粘合剂、探测器阵列等组成；
①渐变滤光片薄膜、光纤光学成像波导、探测器阵列三者使用光学树脂粘合，封装成一个整体模块。这将简化光谱分光和光谱成像的光学系统设计，可显著提高入射光耦合能力、减小传统成像光学系统存在的畸变及消除光谱串扰，降低光学装调难度，可极大缩小封装尺寸；
②渐变滤光片薄膜采用光学树脂直接粘合在光纤光学成像波导上，形成一体化模块，可简化光学系统设计，有效降低光谱串扰，改善光谱分光和光谱成像的光学质量；
③成像光谱仪的光谱分光是由安装在光纤光学成像波导上的渐变滤光片薄膜实现的。本发明所用渐变滤光片采用Viavi Solutions0公司商业货架产品，因为它提供标准化生产的商用高分辨率近红外渐变滤光片产品，可极大降低仪器成本。本发明中，渐变滤光片直接决定了成像光谱仪的光谱分辨率和工作波段。本发明所用渐变滤光片薄膜尺寸为10mm（宽）*10mm长，滤波器长度方向的通道中心波长变化率为100nm/mm，波段为1100nm~2200nm；
④光纤光学成像波导是粘合很多根光纤形成的光纤束，可将图像等信息准直的从一端传输到另一端，具备极高的光学传输效率，光纤芯被可吸收杂散光的光纤覆盖层和EMA包裹，可改善图像传输质量。本发明的成像光谱仪选用Hollow Optical fiber生产的芯直径为320um的近红外波段的光纤束，在本发明成像光谱仪工作的波段具有良好的工作性能，本发明所用光纤光学成像波导的表面积为12mm*12mm，厚度为2mm，选择这一尺寸可满足10mm*10mm渐变滤光片薄膜的薄膜匹配要求；
⑤光学粘合剂主要用于将渐变滤光片薄膜、光纤光学波导、探测器阵列粘合为一个整体模块。他们之间合理的粘合厚度为5~25um。选择光学粘合剂时，应使其与渐变滤光片薄膜和光纤光学成像波导纤芯的折射系数匹配，良好的系数匹配有助于降低粘合处的反射。本发明所用光学粘合剂为Epoxy Technology的Epo-Tek 320-3光学树脂。该粘合剂在25um粘合厚度时， 1.1~2.5um波段的光学透过率接近96%；
⑥探测器阵列主要用于将入射的成像光谱信号转换为电信号。本发明的成像光谱仪选用E2V的电子增强型InGaAS面阵探测器，它是13um象元大小的1024*1024象元线阵，探测器成像面积为13.3*13.3um，满足12um*12um光纤面板的需求，可提供较高的量子效率以及低探测噪声，选用电子增强型面阵探测器可有效改善弱光学信号时的探测能力，所用探测器象元尺寸为光纤光学成像波导纤芯直径的倍数以使空间效应最小；
3.电学系统主要包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、乒乓缓存阵列、时序控制模块、USB接口模块等。负责完成探测器驱动、数据获取与采样、数据缓存与传输、与上位机通信、成像光谱仪工作控制等。
①信号调理模块负责对面阵探测器输出模拟信号进行噪声抑制、增益调整等预处理，以改善获取信号质量，为数据采集提供最好的模拟信号；
②探测器驱动电路负责提供面阵探测器工作所需的时序、逻辑等控制命令，该模块基于FPGA器件实现；
③A/D转换模块负责完成面阵探测器输出信号的模拟-数字转换工作，输出数字信号；
④引入乒乓缓存阵列设计，是考虑到对获取的近红外成像光谱数据采样率和采样数据传输到上位机的速率之间的异步操作，可改善数据传输质量，该模块基于FPGA和SRAM实现；
⑤时序控制模块负责为面阵探测器驱动电路、A/D转换、乒乓缓存阵列等提供必须的时序脉冲信号；
⑥USB接口模块负责与上位机通信、获取的近红外成像光谱数据上传等；
6. 电源接口负责与外部电源连接，为本发明的成像光谱仪提供工作所需的电源；
7. 时序/逻辑控制模块主要负责提供本发明的成像光谱仪工作所需的时序和逻辑控制信号，该模块基于FPGA器件实现。
时序/逻辑控制模块与成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统连接，用于提供所述轻型成像光谱仪所需的时序和逻辑控制信号。
综合上述对实施例的描述，最终设计完成的整机重量不大于400g；光谱范围为1100~2100nm；光谱分辨率优于1.5nm；整机尺寸不大于60*60*140mm。
本发明无任何运动部件，核心的光谱分光与成像模块与探测器阵列采用一体化封装模块；即渐变滤光片薄膜、光纤光学成像波导、探测器阵列三者使用光学树脂粘合，封装成一个整体模块。这将简化光谱分光和光谱成像的光学系统设计，可显著提高入射光耦合能力、减小传统成像光学系统存在的畸变及消除光谱串扰，降低光学装调难度，可极大缩小封装尺寸。
另外，本发明可以实现单次测量获取目标的一维空间图像信息和一维光谱信息，依靠载具或转台带动成像光谱仪运动获取另一维空间图像信息，然后经系列处理，获取目标的成像光谱数据。
本发明的相关技术可实现轻型的成像光谱测量仪器，具有极高的探测灵敏度和较为完善的评价体系。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：包括成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电学系统；
所述成像光学模块将携带有成像光谱信号的入射光聚焦到光纤光学光谱成像与探测器模块表面，所述光纤光学光谱成像与探测器模块包括渐变滤光片薄膜、光纤光学波导和探测器阵列；渐变滤光片薄膜与探测器阵列之间采用光纤光学波导耦合，所述渐变滤光片薄膜、光纤光学波导、探测器阵列通过光学粘合剂封装为一体，所述光纤光学光谱成像与探测器模块用于传播成像光谱信号并将其转变为电信号发送至电学系统，电学系统用于对所述电信号进行获取、采样、缓存、传输、与上位机通信，同时对所述光纤光学光谱成像与探测器模块进行驱动和控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述成像光学模块包括双高斯透镜，用于将入射光转换为设定光束类型，并聚焦到渐变滤光片薄膜表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述光学粘合剂采用光学树脂。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述光学粘合剂的折射率分别与渐变滤光片薄膜、光纤光学波导的纤芯折射率相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述渐变滤光片薄膜尺寸为10mm宽*10mm长以下。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述电学系统包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、时序控制模块和接口模块；
所述信号调理模块对探测器阵列发送模拟信号进行噪声抑制、增益调整，用于改善所述电信号的质量；
所述探测器驱动电路用于提供探测器阵列处于工作状态时所选的时序、逻辑控制命令；
所述A/D转换模块用于对所述探测器阵列输出的信号进行模拟-数字转换工作，输出数字信号；
所述时序控制模块分别与探测器驱动电路、A/D转换模块相连，用于提供时序脉冲信号；
所述接口模块用于与上位机通信，将所述光谱信号上传。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述电学系统还包括乒乓缓存阵列，乒乓缓存阵列一端连接所述时序控制模块，另一端连接上位机。
8.根据权利要求3所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：所述探测器阵列为线阵探测器。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪，其特征在于：还包括电源接口，电源接口与外部电源连接。
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