CN109669270A - 一种光谱选择装置及光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱选择装置及光学设备。其中，光谱选择成像装置包括：光束处理模块，用于将待处理光束中各波长的光分开，并将分开后的各波长的光聚焦到光谱选择模块的信号处理窗口上，以使各波长的光在所述信号处理窗口上所成的像在波长方向上连续排列；光谱选择模块，用于通过对所述信号处理窗口的预设区域施加电信号，选择聚焦到所述信号处理窗口上的光中预设光谱谱段的光，其中，所述预设区域与所述预设光谱谱段一一对应设置；光谱输出模块，用于输出所述光谱选择模块选择的所述预设光谱谱段的光。本发明实施例提供的光谱选择装置，能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能灵活地选择光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

Description

一种光谱选择装置及光学设备

技术领域

本发明实施例涉及光学领域，尤其涉及一种光谱选择装置及光学设备。

背景技术

光谱选择技术是将光束中特定波长位置和特定光谱宽度的光束信息筛选出来，从而获得物体在光谱维的信息。

目前的光学设备中采用的光谱选择装置主要采取分光技术，其直接影响着整个系统的性能、结构、复杂程度、体积、重量和用途等。通常的光谱选择装置有色散型、可调滤波型、傅里叶变换型、层析型等，各类光谱选择装置虽各具特点，但其光谱分辨率要么较低，要么结构复杂体积较大，同时，这些光谱选择装置对光谱的选择不灵活。

发明内容

本发明提供一种光谱选择装置及光学设备，以实现紧凑的光谱选择装置结构，增加光谱分辨率，对光谱谱段进行灵活地选择。

第一方面，本发明实施例提供了一种光谱选择装置，包括：

光束处理模块，用于将待处理光束中各波长的光分开，并将分开后的各波长的光聚焦到光谱选择模块的信号处理窗口上，以使各波长的光在所述信号处理窗口上所成的像在波长方向上连续排列；

光谱选择模块，用于通过对所述信号处理窗口的预设区域施加电信号，选择聚焦到所述信号处理窗口上的光中预设光谱谱段的光，其中，所述预设区域与所述预设光谱谱段一一对应设置；

光谱输出模块，用于输出所述光谱选择模块选择的所述预设光谱谱段的光。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光学设备，包括如第一方面所述的光谱选择装置。

本发明实施例提供的光谱选择装置和光学设备，通过设置光束处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，通过光束处理模块将待处理光束中各波长的光分开，然后通过光谱选择模块将预设光谱谱段的光选择出来，并由光谱输出模块输出，能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能够根据光谱选择模块上的预设区域灵活地选择出所需的光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种光谱选择装置结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种光谱选择装置的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的另一种光谱选择装置的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的又一种光谱选择装置的结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的一种信号处理窗口上光斑形态示意图；

图6是本发明实施例二提供的另一种信号处理窗口上光斑形态示意图；

图7是图3所示的光谱选择装置的部分结构示意图；

图8是本发明实施例二提供的又一种信号处理窗口上光斑形态示意图；

图9是本发明实施例三提供的一种光谱选择装置的结构示意图；

图10是本发明实施例四提供的一种光谱选择装置的结构示意图；

图11是本发明实施例四提供的另一种光谱选择装置的结构示意图；

图12是本发明实施例五提供的一种光谱仪的结构示意图；

图13是本发明实施例五提供的一种成像光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种光谱选择装置结构示意图，参考图1，该光谱选择装置包括光束处理模块11、光谱选择模块12和光谱输出模块13。其中，光束处理模块11用于将待处理光束中各波长的光分开，并将分开后的各波长的光聚焦到光谱选择模块12的信号处理窗口121上，以使各波长的光在信号处理窗口121上所成的像在波长方向上连续排列；光谱选择模块12用于通过对信号处理窗口121的预设区域施加电信号，选择聚焦到信号处理窗口121上的光中预设光谱谱段的光，其中，预设区域与预设光谱谱段一一对应设置；光谱输出模块13用于输出光谱选择模块12选择的预设光谱谱段的光。

其中，示例性地，物体发出的光束沿X轴正方向传播，光束处理模块11将待处理光束中各波长的光分开后聚焦到光谱选择模块12的信号处理窗口121上时，各波长的光形成的光斑按照一定的顺序排列，例如棱镜、光栅或者两者相结合的色散方式的排列，图1所示为各波长的光的光斑沿Z轴分开。光谱选择模块12则根据预设区域与预设光谱谱段一一对应的关系，确定预设光谱谱段的预设区域，然后通过对信号处理窗口121上的预设区域施加相应的电信号，从而选择出该预设区域对应的预设光谱谱段的光，进而通过光谱输出模块13将选择出的预设光谱谱段的光输出，从而实现了光谱的选择。

本发明实施例提供的光谱选择装置通过设置光束处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，通过光束处理模块将待处理光束中各波长的光分开，然后通过光谱选择模块对信号处理窗口上的预设区域施加相应的电信号，使光谱选择模块将预设光谱谱段的光选择出来，并由光谱输出模块输出，本发明实施例提供的光谱选择装置能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能够根据光谱选择模块上的预设区域灵活地选择出所需的光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

可选地，光谱选择模块12包括硅基液晶或者数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)等其它空间光调制器件。以硅基液晶为例，光谱选择模块12采用硅基液晶技术进行光谱谱段选择，其选择较为灵活，不仅谱段宽度可以任意设置，还可以同时选择多个任意宽度谱段的组合，如图1所示，硅基液晶12的信号处理窗口121中对应多个预设光谱谱段的多个预设区域会沿Z轴排列，即在Z轴上把分开的不同波长的光进行选择。

可选地，硅基液晶可以为振幅型硅基液晶或相位型硅基液晶；硅基液晶为振幅型硅基液晶时，硅基液晶用于改变预设光谱谱段的光的偏振方向，以使硅基液晶返回的预设光谱谱段的光的偏振方向与入射到硅基液晶的光的偏振方向垂直；硅基液晶为相位型硅基液晶时，硅基液晶用于改变预设光谱谱段的光的传播方向，以使硅基液晶返回的预设光谱谱段的光的传播方向不同于硅基液晶返回的非预设光谱谱段的光的传播方向。除此之外，光谱选择模块还可以选择为数字微镜器件，此时数字微镜器件用于改变所述预设光谱谱段的光的传播方向，以使数字微镜器件返回的预设光谱谱段的光的传播方向不同于数字微镜器件返回的非预设光谱谱段的光的传播方向。

其中，不同种类的硅基液晶对预设光谱谱段光束的选择原理存在差异，振幅型硅基液晶可以改变入射光束中预设谱段光束的偏振方向，光谱输出模块13根据偏振方向输出光谱选择模块12选择出的光，而相位型硅基液晶则可以改变入射光束中预设谱段光束的传播角度，同样地，光谱输出模块13则根据传播角度将光谱选择模块12选出的光输出。

可选地，预设光谱谱段为固定值或可改变，其中，预设光谱谱段可随时间进行调节，或者按照光谱谱段的位置对光谱的谱段及谱段宽度进行调节，具体地可以根据实际的需求来进行设置，以获得最佳的光谱谱段。

为满足不同的光谱输出需求和应用，光谱选择模块12可在不同时刻下，通过电信号的控制，可以选择出不同的预设光谱谱段，即预设的光谱谱段可随时间变化；同样地，光谱选择模块12还可以通过电信号的控制，改变预设光谱谱段的谱宽，光谱谱宽可以设置为根据时间或者光谱谱段的位置而定。

通过调节光谱选择模块，使其选择的光谱谱段随时间变化，可以获得物体不同谱段的光信息，实现对物体的光谱扫描。除此之外，光谱谱宽通过随时间和随光谱谱段的位置的调节，可对重点关心的光谱谱段进行小步长窄频宽的扫描，非重点光谱谱段实施大步长宽频宽扫描，从而提高扫描效率，灵活地获得物体不同谱段光信息，满足各类光谱选择的要求。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的一种光谱选择装置的结构示意图，参考图2，该光谱选择装置包括光束处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，其中，光束处理模块包括准直单元21、偏振分光单元22、色散单元23和聚焦单元24，光谱选择模块包括振幅型硅基液晶25；准直单元21用于将待处理光束变成准平行光束，待处理光束对应的物体位于准直单元21的物方焦点处，或者光谱选择装置还包括前置光学单元20，前置光学单元20的像方焦点与准直单元21的物方焦点重合，前置光学单元20用于会聚待处理光束，缩小视场角；偏振分光单元22用于将准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，第一光束沿准平行光束的入射光路传播，第一偏振方向与第二偏振方向垂直；色散单元23用于将第一光束或第二光束中各波长的光分开；聚焦单元24用于将分开后的各波长的光聚焦到振幅型硅基液晶25的信号处理窗口251上；硅基液晶25位于聚焦单元24的焦平面，用于将第一光束或者第二光束中预设光谱谱段的光的偏振方向改变为与之前垂直的偏振方向，并将第一光束或第二光束返回。

光谱输出模块包括聚焦单元24、色散单元23和偏振分光单元22；其中，聚焦单元24还用于将硅基液晶25返回的第一光束或第二光束返回至色散单元23；色散单元23还用于将聚焦单元24返回的第一光束或第二光束中各波长的光进行合并并返回至偏振分光单元22；偏振分光单元22还用于输出色散单元23返回的第一光束或第二光束中经硅基液晶25改变偏振方向的光。

示例性地，参考图2，色散单元23将偏振分光单元22中分出的第一光束中各波长的光分开，第一偏振方向的第一光束的偏振矢量位于XZ平面内，第一光束为p偏振光，第二偏振方向的第二光束的偏振矢量位于YZ平面内，即第二光束为s偏振光，亦即XZ平面与YZ平面相垂直。需要说明的是，本领域技术人员还可以根据实际情况，将色散单元23设置在第二光束的光路上，从而可以将第二光束中各波长的光分开。

本发明实施例提供的光谱选择装置通过采用振幅型硅基液晶作为光谱选择模块以及利用准直单元、偏振分光单元、色散单元和聚焦单元作为光束处理模块将待处理光束中各波长的光分开，然后通过光谱选择模块将预设光谱谱段的光选择出来，并由光谱输出模块输出，能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能够根据光谱选择模块上的预设区域灵活地选择出所需的光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

前置光学单元20的像方焦点与准直单元21的物方焦点重合，前置光学单元20会聚待处理光束，缩小视场角，准直单元21将待处理光束变为准平行光；其中，前置光学单元20和准直单元21之间可设置一孔径光阑或者狭缝，用于限制远轴光线，减少光束成像的像差。

图3是本发明实施例二提供的另一种光谱选择装置的结构示意图，参考图3，可选地，该光谱选择装置还包括第一反射镜26和半波片27，第一反射镜26用于反射第二光束(其中，第一光束沿原准平行光束的传播方向传播)，以使反射后的第二光束与第一光束的传播方向平行，半波片27用于将第二光束的偏振方向变为与之垂直的偏振方向，此时第二光束和第一光束均为第一偏振方向；相应的，色散单元23用于将第一光束以及经半波片27改变偏振方向的第二光束中各波长的光分开；硅基液晶25用于改变聚焦于信号处理窗口251上的光束中预设光谱谱段的光的偏振方向，并将第一光束和第二光束返回，其中第一光束和第二光束中预设光谱谱段的光已被硅基液晶25改变偏振方向，该预设光谱谱段的光通过光谱输出模块输出；而光谱输出模块包括聚焦单元24、色散单元23、第一反射镜26、半波片27和偏振分光单元22；其中，聚焦单元24还用于将由硅基液晶25返回的第一光束和第二光束返回至色散单元23；色散单元23还用于将由聚焦单元24返回的第一光束和第二光束中各波长的光分别进行合并，并将第一光束返回至半波片27，将第二光束返回至偏振分光单元22；半波片27则将色散单元23返回的第一光束的偏振方向改变为与之垂直的偏振方向；第一反射镜26还用于将经半波片27的第一光束反射至偏振分光单元22；偏振分光单元22还用于输出第一光束以及第二光束中经硅基液晶25改变偏振方向的光。

或者，图4是本发明实施例二提供的又一种光谱选择装置的结构示意图，参考图4，该光谱选择装置还包括第一反射镜26和半波片27，第一反射镜26用于反射未经色散单元23分光的第一光束(其中，第二光束的传播方向非原光束传播方向)，以使反射后的第一光束与第二光束的传播方向平行，半波片27用于将反射后的第一光束的偏振方向变为与之垂直的偏振方向，此时第一光束的偏振方向与第二光束的偏振方向相同，色散单元23用于将第二光束以及经半波片27改变偏振方向的第一光束中各波长的光分开；硅基液晶25用于改变聚焦于信号处理窗口251上的光束中预设光谱谱段的光的偏振方向，并将第二光束按第一光束入射光路返回，将第一光束按第二光束的入射光路返回；光谱输出模块包括聚焦单元24、色散单元23、第一反射镜26、半波片27和偏振分光单元22；其中，聚焦单元24还用于将硅基液晶25返回的第一光束和第二光束返回至色散单元23；色散单元23还用于将由聚焦单元24返回的第一光速和第二光束中各波长的光分别进行合并，并将第二光束返回至半波片27，将第一光束返回至偏振分光单元22；半波片27还用于将色散单元23返回的第二光束的偏振方向变为与之垂直的偏振方向；第一反射镜26还用于将经半波片27的第二光束反射至偏振分光单元22；偏振分光单元22还用于输出第一光束以及第二光束中经硅基液晶25改变偏振方向的光。

示例性地，图3所示实线和虚线分别代表被色散单元24分开的不同波长的光，并且两种不同波长的光由聚焦单元24聚焦于硅基液晶25信号处理窗口251的Z轴上的不同位置。由偏振分光单元22分开的第一光束沿原方向即X轴正方向传播，第二光束经第一反射镜26反射后，其偏振方向不变，与第一光束的方向平行传播至半波片27，半波片27将第二光束由第二偏振方向变为第一偏振方向，即第二光束的偏振矢量与第一光束的第一偏振方向一致。可选地，偏振分光单元可以选用偏振分光棱镜或双折射晶体。

第一反射镜可采用平面反射镜，也可采用反射棱镜，此处不做限制。采用第一反射镜和半波片可以充分利用所有从前置光学单元和准直单元进入的光束，减少光能浪费，大大提高了光能利用率。

可选地，聚焦单元为圆透镜、圆透镜组、柱透镜或柱透镜组、凹面反射镜、凹面反射柱镜或者以上组合。

以图2和图3所示光谱选择装置为例，聚焦单元24将由色散单元23分开的不同波长的光中相同波长的光聚焦于振幅型硅基液晶25信号处理窗口251的Z轴上的不同位置，采用不同类型的聚焦单元会影响聚焦至信号处理窗口251上的不同波长光束的光斑形态。图5是本发明实施例二提供的一种信号处理窗口上光斑形态示意图，图6是本发明实施例二提供的另一种信号处理窗口上光斑形态示意图，参考图5和图6，其中，图5所示为聚焦单元24采用圆透镜、圆透镜组或者凹面反射镜时信号处理窗口251上的光斑形态，图5所示视角为沿X轴正方向的视角，其中光斑100为圆形光斑(成像物体为圆点时)，不同波长光束聚焦后的光斑在Z轴上分开，虚线框代表预设光谱谱段对应的预设区域200，该预设区域宽度d可调，从而通过电信号控制能够对不同谱段、不同位置的预设光谱谱段进行选择。图6所示为聚焦单元24采用柱透镜、柱透镜组或者凹面反射柱镜时信号处理窗口251上的光斑形态，同样地，图6所示视角为沿X轴正方向的视角，其中光斑100为椭圆形光斑(成像物体为圆点时)，不同波长光束聚焦后的光斑在Z轴上分开，虚线框代表预设光谱谱段对应的预设区域200，该预设区域宽度d可调，从而通过电信号控制能够对不同谱段、不同位置的预设光谱谱段进行选择。需要说明的是，柱透镜、柱透镜组或者凹面柱镜的放置形态与光的色散方向对应，即当色散单元23将不同波长的光在Z轴上分开时，柱透镜和柱透镜组的屈光力方向应与Z轴平行；当色散单元23将不同波长的光在Y轴上散开，则柱透镜和柱透镜组的屈光力方向与Y轴平行，其中Y轴垂直于XZ平面。图7是图3所示的光谱选择装置的部分结构示意图，示例性地，参考图7，其中，聚焦单元24为柱透镜，由于色散单元将不同波长的光在Z轴上散开，因此，柱透镜应设置为屈光力方向与Z轴平行，此时，对应的信号处理窗口上光斑形态如图6，光斑的排列方向为沿Z轴延伸的方向。当色散单元23将不同波长的光在Y轴上散开，对应地，如图7所示的柱透镜旋转90度后，柱透镜的屈光力方向与Y轴平行；此时，信号处理窗口上光斑形态中，光斑的排列方向为沿Y轴延伸的方向，图8是本发明实施例二提供的又一种信号处理窗口上光斑形态示意图，参考图8，由于聚焦单元24选用柱透镜，因此光斑的形状为椭圆形，并且，由于柱透镜的屈光力与Y轴平行时，此时，光斑的排列方向为沿Y轴延伸的方向。

实施例三

图9是本发明实施例三提供的一种光谱选择装置的结构示意图，参考图9，该光谱选择装置包括光束处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，光谱选择模块包括硅基液晶25或者数字微镜器件DMD，硅基液晶选择相位型硅基液晶时，光束处理模块包括准直单元21、偏振分光单元22、色散单元23和聚焦单元24；准直单元21用于将待处理光束变成准平行光束，待处理光束对应的物体位于准直单元21的物方焦点处，或者光谱选择装置还包括前置光学单元20，前置光学单元20的像方焦点与准直单元21的物方焦点重合，前置光学单元20用于会聚待处理光束，缩小视场角；偏振分光单元22用于将准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，第一光束沿准平行光束的入射光路传播，第一偏振方向与第二偏振方向垂直；色散单元23用于将第一光束或第二光束中各波长的光分开；聚焦单元24用于将分开后的各波长的光聚焦到硅基液晶25的信号处理窗口251上；硅基液晶25位于聚焦单元24的焦平面，用于改变聚焦到信号处理窗口251上的光束中预设光谱谱段的光的传播方向，以使经硅基液晶25返回的预设光谱谱段的光的传播路径与非预设光谱谱段的光按不同的光路返回；

光谱输出模块包括聚焦单元24、色散单元23和第二反射镜28；其中，聚焦单元24还用于将硅基液晶25返回的预设光谱谱段的光返回至色散单元23；色散单元23还用于将聚焦单元24返回的预设光谱谱段的光中各波长的光分别进行合并，并将预设光谱谱段的光传输至第二反射镜28；第二反射镜28用于反射并输出色散单元23传输的预设光谱谱段的光。

需要说明的是，如图9所示，物体发出的光束沿X方向传播，经偏振分光单元22转化为硅基液晶25可处理的偏振光，色散单元23将光束中不同波长的光在Z轴(垂直于XY平面的方向)上分开，然后通过聚焦单元24将不同波长的光沿Y轴聚焦于硅基液晶25的信号处理窗口251上，硅基液晶25则对与预设光谱谱段对应的预设区域施加电信号，将Z轴上分开的预设光谱谱段的光向Z轴的维度上发生偏转，进而通过由聚焦单元24、色散单元23和第二反射镜28将预设光谱谱段的光筛选出来，实现光谱选择。

对于光谱选择模块采用硅基液晶进行光谱选择时，由于目前的硅基液晶只能对偏振光进行处理，因此，采用相位型硅基液晶时，需要设置偏振分光单元22将光束处理为硅基液晶可处理的偏振光，但若光谱选择模块选用数字微镜器件DMD、对偏振不敏感的硅基液晶器件或者其它类型的空间光调制器，则对应该光谱选择装置中可以将偏振分光单元22去掉。

本发明实施例提供的光谱选择装置通过采用相位型硅基液晶作为光谱选择模块以及利用准直单元、色散单元和聚焦单元作为光束处理模块，通过光束处理模块将待处理光束中各波长的光分开，然后通过光谱选择模块将预设光谱谱段的光选择出来，并由光谱输出模块输出，能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能够根据光谱选择模块上的预设区域灵活地选择出所需的光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

同样可选地，聚焦单元可以为圆透镜、圆透镜组、柱透镜、柱透镜组、凹面镜、凹面柱镜及上述的组合。其中，圆透镜、圆透镜组、柱透镜、柱透镜组、凹面镜或凹面柱镜将不同波长的光聚焦至相位型硅基液晶25的信号处理窗口251上，相位型硅基液晶25通过电信号控制预设区域，对预设光谱谱段的光束进行选择，其中，对应不同的聚焦单元，其在信号处理窗口上形成的聚焦光斑的形态也有所不同，即聚焦光斑的排列方向为横向排列或纵向排列与聚焦单元的屈光力方向有关，具体可参见实施例二，此处不再赘述。

实施例四

图10是本发明实施例四提供的一种光谱选择装置的结构示意图，参考图10，该光谱选择装置包括光谱处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，其中，光谱选择模块为硅基液晶25，硅基液晶25为振幅型硅基液晶，光束处理模块包括偏振分光单元22、色散单元23和准直聚焦单元210；

准直聚焦单元210包括至少一个凹面反射镜，用于将待处理光束变成准平行光束，并将准平行光束反射至色散单元23，以及将色散单元23分光后的各波长的光聚焦至信号处理窗口251上；待处理光束对应的物体位于准直聚焦单元210的焦平面附近，或者光谱选择装置还包括前置光学单元20，前置光学单元20的像方焦点位于准直聚焦单元210的焦平面附近，前置光学单元20用于会聚待处理光束，缩小视场角；

偏振分光单元22用于将准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，第一光束沿准平行光束的入射光路传播至色散单元23，第一偏振方向与第二偏振方向垂直；

色散单元23用于将第一光束或第二光束中各波长的光分开；

准直聚焦单元210还用于将分开后的各波长的光聚焦到信号处理窗口251上；

振幅型硅基液晶25位于准直聚焦单元210的焦平面，用于将第一光束或者第二光束中预设光谱谱段的光的偏振方向改变为与之垂直的偏振方向，并将第一光束或第二光束返回；

光谱输出模块包括准直聚焦单元210、色散单元23和偏振分光单元22；其中，准直聚焦单元210还用于将振幅型硅基液晶25返回的第一光束或第二光束返回至色散单元23；色散单元23还用于将准直聚焦单元210返回的第一光束或第二光束中各波长的光进行合并并返回至偏振分光单元22；偏振分光单元22还用于输出色散单元23返回的第一光束或第二光束中经振幅型硅基液晶25改变偏振方向的光。

具体地，如图10仅示出了光谱处理模块包括前置光学单元20的光谱选择装置的结构，并且，图10所示的偏振分光单元22在将准直聚焦单元210反射出的准平行光束分为第一光束和第二光束时，第一光束沿该准平行光束的传播方向传播，而第二光束则垂直于图10所示纸面向上的方向即Y轴的负方向传播，即偏振分光单元22中所示的黑点即为第二光束。第一光束由色散单元23将不同波长的光分开，其中示例性地，实线和虚线分别代表被色散单元23分开的两种波长的光，然后该波长不同的光由准直聚焦单元210聚焦至硅基液晶25的信号处理窗口251上，并且，该波长不同的光形成的光斑在信号处理窗口251上沿Z轴排列，硅基液晶25则对于预设光谱谱段对应的预设区域施加电信号，将Z轴上分开的预设光谱谱段的光的偏振状态由第一偏振态改变为第二偏振态，并依次由准直聚焦单元210、色散单元23返回至偏振分光单元22，偏振分光单元22则对返回的第一光束中偏振态发生改变的光谱谱段的光选择出来，实现光谱的选择，具体地，第一光束中偏振态变为第二偏振态的光束通过偏振分光单元22向垂直纸面向下的方向即Y轴的正方向传播。

需要说明的是，本实施例中仅示例性地示出了光谱选择模块采用振幅型硅基液晶时，色散单元23设置于偏振分光单元22分出的第一光束的光路上，当然，本领域技术人员也可以将色散单元23合理性地设置在偏振分光单元22分出的第二光束的光路上，并通过合理地设置准直聚焦单元和硅基液晶25的位置，使色散单元23将第二光束中的不同波长的光分开并且反射到准直聚焦单元210上，再由准直聚焦单元210反射至硅基液晶25上，通过硅基液晶25实现预设光谱谱段的选择。更进一步地，为了充分利用偏振分光单元22分出的具有不同偏振态的第一光束和第二光束，可以参考本发明实施例二图3或图4所示的光谱选择装置的结构，在第一光束或者第二光束的光路上设置第一反射镜和半波片，以将第二光束和第一光束传播方向平行并且偏振态相同，实现对第二光束或第一光束的利用，此处不再赘述。

本实施例采用凹面反射镜用于改变待处理光束为平行光束，以及将色散单元分光后的平行光束聚焦至信号处理窗口上，实现了准直和聚焦的功能，并且使得光谱选择装置结构更加紧凑，部分像差可相互抵消，降低了色差的影响。

图11是本发明实施例四提供的另一种光谱选择装置的结构示意图，参考图11，该光谱选择装置包括光谱处理模块、光谱选择模块和光谱输出模块，其中，光谱选择模块为硅基液晶25，硅基液晶25为相位型硅基液晶，光束处理模块包括偏振分光单元22、色散单元23和准直聚焦单元210；

准直聚焦单元210包括至少一个凹面反射镜，用于将待处理光束变成准平行光束，并将准平行光束反射至色散单元23，以及将色散单元23分光后的平行光束聚焦至信号处理窗口251上；待处理光束对应的物体位于准直聚焦单元210的焦平面附近，或者光谱选择装置还包括前置光学单元20，前置光学单元20的像方焦点位于准直聚焦单元210的焦平面附近，前置光学单元20用于会聚待处理光束，缩小视场角；

偏振分光单元22用于将准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，第一光束沿准平行光束的入射光路传播至色散单元23，第一偏振方向与第二偏振方向垂直；

色散单元23位于准直聚焦单元210的焦平面，用于将准平行光束中各波长的光分开并平行反射至准直聚焦单元210；

硅基液晶25位于准直聚焦单元210的焦平面，用于改变聚焦到信号处理窗口251上的光束中预设光谱谱段的光的传播方向，以使经硅基液晶25返回的预设光谱谱段的光非预设光谱谱段的光沿不同的光路返回；

光谱输出模块包括准直聚焦单元210、色散单元23和第三反射镜292；其中，准直聚焦单元210还用于将硅基液晶25返回的预设光谱谱段的光和非预设光谱谱段的光返回至色散单元23，并将色散单元23返回的预设光谱谱段的光聚焦至第三反射镜292；色散单元23还用于将准直聚焦单元210返回的预设光谱谱段的光和非预设光谱谱段的光中各波长的光分别进行合并，并返回至准直聚焦单元210；第三反射镜292用于反射并输出准直聚焦单元210聚焦至第三反射镜292的预设光谱谱段的光。

具体地，如图11所示，物体发出的光束经前置光学单元20后由准直聚焦单元210变为平行光，通过偏振分光单元22转化为硅基液晶25可处理的偏振光，然后由色散单元23将不同波长的光分开，其中实线和虚线分别代表被色散单元23分开的不同波长的光，即该波长不同的两束光由准直聚焦单元210聚焦至硅基液晶25的信号处理窗口251上，并且，该波长不同的两束光在信号处理窗口251上沿Z轴排列，硅基液晶25则对与预设光谱谱段对应的预设区域施加电信号，将Z轴上分开的预设光谱谱段的光向Y轴的维度上发生偏转，进而依次通过准直聚焦单元210、色散单元23、准直聚焦单元210和第三反射镜292将预设光谱谱段的光筛选出来，实现光谱选择。需要注意的是，第三反射镜292与前置光学单元20、偏振分光单元22、色散单元23以及硅基液晶25可以不在同一XZ平面，以接收向Y轴的维度上发生偏转的预设光谱谱段的光。

可选地，凹面反射镜为柱面凹面反射镜或球面凹面反射镜，示例性地，柱面凹面反射镜可以设置屈光力子午线与Z轴平行。

除此之外，凹面反射镜还可以是球面反射镜，同样地，球面反射镜通过将物体发出的光束变为准平行光，由色散单元将准平行光束中不同波长的光分开，然后在通过凹面反射镜将分开的不同波长的光聚焦到硅基液晶的信号处理窗口上，对与预设光谱谱段对应的预设区域施加电信号，示例性地，可以将Z轴上分开的预设光谱谱段的光向Y方向的维度上发生偏转，进而依次通过球面反射镜、色散单元、球面反射镜以及第三反射镜将预设光谱谱段的光筛选出来，实现光谱选择。

实施例五

本发明实施例五还提供了一种光学设备，该光学设备中包括如上述实施例中任一的光谱选择装置。

示例性的，本发明实施例提供的光学设备中的光谱选择装置，可通过采用振幅型硅基液晶作为光谱选择模块，以及利用准直单元、偏振分光单元、色散单元和聚焦单元作为光束处理模块通过光束处理模块将待处理光束中各波长的光分开，然后通过光谱选择模块将预设光谱谱段的光选择出来，并由光谱输出模块输出，能够使光谱选择装置的结构更加紧凑，并且能够根据光谱选择模块上的预设区域灵活地选择出所需的光谱谱段，实现高分辨率的光谱输出。

可选地，光学设备包括光谱仪和/或成像光谱仪。

图12是本发明实施例五提供的一种光谱仪的结构示意图，参考图12，示例性地，该光谱仪包括光谱选择装置300，还包括成像单元301和光探测器302；成像单元301用于将光谱选择装置300输出的预设光谱谱段的光聚焦至光探测器302；

光探测器302位于成像单元301的像方焦点处，用于探测预设光谱谱段的光的光谱。

图13是本发明实施例五提供的一种成像光谱仪的结构示意图，参考图13，示例性地，该成像光谱仪包括光谱选择装置300，成像光谱仪还包括成像单元301和图像传感器402；

成像单元301用于将光谱选择装置300输出的预设光谱谱段的光聚焦至图像传感器402；

图像传感器402位于成像单元301的像方焦点处，用于根据预设光谱谱段的光生成对应的图像。

需要说明的是，示例性地，如图13所示，光谱选择装置300采集物体的光束，并将某一波段(λ1～λ2)光谱选择出来，由图像传感器402以某一波段(λ1～λ2)光谱进行物体显示，光谱选择装置300不仅可以选择某一宽度如(λ1～λ2)的波段光谱，也可选择多个波段的光谱的集合，以突出物体在该多个波段光谱中的特性。

目前的光谱成像技术是光谱技术和成像技术的有机结合，包含色散型、可调滤波型、傅里叶变换型、层析型等多种光谱仪系统。由于多光谱图像波段数多，波段狭窄且连续，因而数据量巨大，数据之间相关性大，尤其是相邻波段之间具有很大的数据冗余。本发明实施例提供的成像光谱仪可对多光谱图像进行融合，将两幅或者多幅图融合成一幅或者几幅图，使其包含更多的信息，减少数据量，便于观察、分析和识别，其结构简单可靠，拥有高的光能利用率，光谱选择灵活，谱段宽度可变，并且可同时选择任意多个频段进行成像，大大减轻后端图像处理的压力，适合需要实时监控特征目标的应用场合。

需要说明的是，本实施例提供的光谱仪和成像光谱仪给出的结构示意图中，示例性地给出了光谱选择装置的结构，包括光谱仪和成像光谱仪的光学设备中的光谱选择装置可以采用如前实施例中的各种结构，本领域技术人员可根据实际情况选择适当结构的光谱选择装置进行光谱仪以及成像光谱仪等光学设备的设计，除此之外，利用本发明实施例提供的光谱选择装置，本领域技术人员也可以设计形成同时包括光谱仪和成像光谱仪在内的光学设备。因此，对本领域技术人员来说将光谱仪和成像光谱仪等光学设备的结构能够进行各种明显的变化、重新调整和替代均不会脱离本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光谱选择装置，其特征在于，包括：

光束处理模块，用于将待处理光束中各波长的光分开，并将分开后的各波长的光聚焦到光谱选择模块的信号处理窗口上，以使各波长的光在所述信号处理窗口上所成的像在波长方向上连续排列；

光谱选择模块，用于通过对所述信号处理窗口的预设区域施加电信号，选择聚焦到所述信号处理窗口上的光中预设光谱谱段的光，其中，所述预设区域与所述预设光谱谱段一一对应设置；

光谱输出模块，用于输出所述光谱选择模块选择的所述预设光谱谱段的光。

2.根据权利要求1所述的光谱选择装置，其特征在于，所述光谱选择模块包括振幅型硅基液晶、相位型硅基液晶或数字微镜器件；

所述光谱选择模块为振幅型硅基液晶时，所述振幅型硅基液晶用于改变所述预设光谱谱段的光的偏振方向，以使所述振幅型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光的偏振方向不同于所述振幅型硅基液晶返回的非所述预设光谱谱段的光的偏振方向；

所述光谱选择模块为相位型硅基液晶时，所述相位型硅基液晶用于改变所述预设光谱谱段的光的传播方向，以使所述相位型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光的传播方向不同于所述相位型硅基液晶返回的非所述预设光谱谱段的光的传播方向；

所述光谱选择模块为数字微镜器件时，所述数字微镜器件用于改变所述预设光谱谱段的光的传播方向，以使所述数字微镜器件返回的所述预设光谱谱段的光的传播方向不同于所述数字微镜器件返回的非所述预设光谱谱段的光的传播方向。

3.根据权利要求2所述的光谱选择装置，其特征在于，所述光谱选择模块为振幅型硅基液晶，所述光束处理模块包括准直单元、偏振分光单元、色散单元和聚焦单元；

所述准直单元用于将所述待处理光束变成准平行光束，所述待处理光束对应的物体位于所述准直单元的物方焦点附近，或者所述光谱选择装置还包括前置光学单元，所述前置光学单元的像方焦点与所述准直单元的物方焦点重合，所述前置光学单元用于会聚所述待处理光束，缩小视场角；

所述偏振分光单元用于将所述准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，所述第一光束沿所述准平行光束的入射光路传播，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直；

所述色散单元用于将所述第一光束或所述第二光束中各波长的光分开；

所述聚焦单元用于将分开后的各波长的光聚焦到所述信号处理窗口上；

所述振幅型硅基液晶位于所述聚焦单元的焦平面，用于将所述第一光束或者第二光束中所述预设光谱谱段的光的偏振方向改变为与之垂直的偏振方向，并将所述第一光束或所述第二光束返回；

所述光谱输出模块包括所述聚焦单元、所述色散单元和所述偏振分光单元；其中，所述聚焦单元还用于将所述硅基液晶返回的所述第一光束或所述第二光束返回至所述色散单元；所述色散单元还用于将所述聚焦单元返回的所述第一光束或所述第二光束中各波长的光进行合并并返回至所述偏振分光单元；所述偏振分光单元还用于输出所述色散单元返回的所述第一光束或所述第二光束中经所述振幅型硅基液晶改变偏振方向的光。

4.根据权利要求3所述的光谱选择装置，其特征在于，还包括：

第一反射镜，用于反射所述第一光束或者所述第二光束，以使反射后的第二光束与所述第一光束的传播方向平行；

半波片，用于将反射后的第一光束和第二光束具有相同的偏振方向；

相应的，所述色散单元用于将所述第一光束和所述第二光束中各波长的光分开；

所述振幅型硅基液晶用于改变聚焦于所述信号处理窗口上的光束中所述预设光谱谱段的光的偏振方向；

所述光谱输出模块包括所述聚焦单元、所述色散单元、所述第一反射镜、所述半波片和所述偏振分光单元；其中，所述聚焦单元还用于将所述振幅型硅基液晶返回的第一光束和第二光束返回至所述色散单元；所述色散单元还用于将所述聚焦单元返回的第一光束和第二光束中各波长的光分别进行合并，并将第一光束返回至所述半波片，将第二光束返回至所述偏振分光单元，或者将第二光束返回至所述半波片，将第一光束返回至所述偏振分光单元；所述半波片还用于将所述色散单元返回的第一光束的偏振方向变为与之垂直的偏振方向，或者将所述色散单元返回的第二光束的偏振方向变为与之垂直的偏振方向；所述第一反射镜还用于将经所述半波片的第一光束或第二光束反射至所述偏振分光单元；所述偏振分光单元还用于输出经所述振幅型硅基液晶改变偏转方向的第一光束和第二光束的光。

5.根据权利要求2所述的光谱选择装置，其特征在于，所述光谱选择模块为相位型硅基液晶，所述光束处理模块包括准直单元、偏振分光单元、色散单元和聚焦单元；

所述准直单元用于将所述待处理光束变成准平行光束，或者所述光谱选择装置还包括前置光学单元，所述前置光学单元的像方焦点与所述准直单元的物方焦点重合，所述前置光学单元用于会聚所述待处理光束，缩小视场角；

所述偏振分光单元用于将所述准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，所述第一光束沿所述准平行光束的入射光路传播，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直；

所述色散单元用于将所述第一光束或所述第二光束中各波长的光分开；

所述聚焦单元用于将分开后的各波长的光聚焦到所述信号处理窗口上；

所述相位型硅基液晶位于所述聚焦单元的焦平面，用于改变聚焦到所述信号处理窗口上的光束中所述预设光谱谱段的光的传播方向，以使经所述相位型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光向预设方向偏转，并将非所述预设光谱谱段的光按聚焦到所述信号处理窗口上的光束的入射光路返回或者向不同于所述预设方向的方向偏转；

所述光谱输出模块包括所述聚焦单元、所述色散单元和第二反射镜；其中，所述聚焦单元还用于将所述相位型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光和非所述预设光谱谱段的光返回至所述色散单元；所述色散单元还用于将所述聚焦单元返回的所述预设光谱谱段的光和非所述预设光谱谱段的光中各波长的光分别进行合并，并将所述预设光谱谱段的光传输至所述第二反射镜；所述第二反射镜用于反射并输出所述色散单元传输的所述预设光谱谱段的光。

6.根据权利要求3-5任一项所述的光谱选择装置，其特征在于，所述偏振分光单元包括偏振分光棱镜或双折射晶体；所述聚焦单元包括圆透镜，和/或凹面反射镜，和/或柱透镜。

7.根据权利要求2所述的光谱选择装置，其特征在于，所述光谱选择模块为振幅型硅基液晶，所述光束处理模块包括偏振分光单元、色散单元和准直聚焦单元；

所述准直聚焦单元包括至少一个凹面反射镜，用于将所述待处理光束变成准平行光束，并将所述准平行光束反射至所述色散单元，以及将所述色散单元分光后的各波长的光聚焦至所述信号处理窗口上；所述待处理光束对应的物体位于所述准直聚焦单元的焦平面附近，或者所述光谱选择装置还包括前置光学单元，所述前置光学单元的像方焦点位于所述准直聚焦单元的焦平面附近，所述前置光学单元用于会聚所述待处理光束，缩小视场角；

所述偏振分光单元用于将所述准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，所述第一光束沿所述准平行光束的入射光路传播，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直；

所述色散单元用于将所述第一光束或所述第二光束中各波长的光分开；

所述振幅型硅基液晶位于所述准直聚焦单元的焦平面，用于将所述第一光束或者所述第二光束中所述预设光谱谱段的光的偏振方向改变为与之垂直的偏振方向，并将所述第一光束或所述第二光束返回；

所述光谱输出模块包括所述准直聚焦单元、所述色散单元和所述偏振分光单元；其中，所述准直聚焦单元还用于将所述振幅型硅基液晶返回的所述第一光束或第二光束返回至所述色散单元；所述色散单元还用于将所述准直聚焦单元返回的所述第一光束或所述第二光束中各波长的光进行合并并返回至所述偏振分光单元；所述偏振分光单元还用于输出所述色散单元返回的所述第一光束或所述第二光束中经所述振幅型硅基液晶改变偏振方向的光。

8.根据权利要求2所述的光谱选择装置，其特征在于，所述光谱选择模块为相位型硅基液晶，所述光束处理模块包括偏振分光单元、色散单元和准直聚焦单元；

所述准直聚焦单元包括至少一个凹面反射镜，用于将所述待处理光束变成准平行光束，并将所述准平行光束反射至所述色散单元，以及将所述色散单元分光后的各波长的光聚焦至所述信号处理窗口上；所述待处理光束对应的物体位于所述准直聚焦单元的焦平面附近，或者所述光谱选择装置还包括前置光学单元，所述前置光学单元的像方焦点位于所述准直聚焦单元的焦平面附近，所述前置光学单元用于会聚所述待处理光束，缩小视场角；

所述偏振分光单元用于将所述准平行光束变为具有第一偏振方向的第一光束和具有第二偏振方向的第二光束，所述第一光束沿所述准平行光束的入射光路传播，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直；

所述色散单元位于所述准直聚焦单元的焦平面，用于将所述准平行光束中各波长的光分开并返回至所述准直聚焦单元；

所述相位型硅基液晶位于所述准直聚焦单元的焦平面，用于改变聚焦到所述信号处理窗口上的光束中所述预设光谱谱段的光的传播方向，以使经所述相位型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光向预设方向偏转，并将非所述预设光谱谱段的光按聚焦到所述信号处理窗口上的光束的入射光路返回或者向不同于所述预设方向的方向偏转；

所述光谱输出模块包括所述准直聚焦单元、所述色散单元和第三反射镜；其中，所述准直聚焦单元还用于将所述相位型硅基液晶返回的所述预设光谱谱段的光和非所述预设光谱谱段的光返回至所述色散单元，并将所述色散单元返回的所述预设光谱谱段的光返回至所述第三反射镜；所述色散单元还用于将所述准直聚焦单返回的所述预设光谱谱段的光和非所述预设光谱谱段的光中各波长的光分别进行合并，并返回至所述准直聚焦单元；所述第三反射镜用于输出所述准直聚焦单元聚焦至所述第三反射镜的所述预设光谱谱段的光。

9.一种光学设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的光谱选择装置。

10.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备包括光谱仪和/或成像光谱仪；

所述光谱仪还包括成像单元和光探测器；

所述成像单元用于将所述光谱选择装置输出的预设光谱谱段的光聚焦至所述光探测器；

所述光探测器位于所述成像单元的像方焦点处，用于探测所述预设光谱谱段的光的光谱；

所述成像光谱仪还包括成像单元和图像传感器；

所述成像单元用于将所述光谱选择装置输出的预设光谱谱段的光成像至所述图像传感器；

所述图像传感器位于所述成像单元的像方焦点处，用于根据所述预设光谱谱段的光生成对应的图像。