CN110440915A - 一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，具体涉及探测光谱仪技术领域。该探测光谱仪包括会聚光学系统、整形光学系统和分光与探测系统；会聚光学系统包括光学窗口片、凹面反射镜、次反射镜、入射镜筒、三通转接镜筒、反射镜筒和反射伸缩镜筒，三通转接镜筒、反射伸缩镜筒位于入射镜筒和反射镜筒之间，光学窗口片位于入射镜筒的前段，凹面反射镜位于反射镜筒的后段；整形光学系统包括双凸透镜、柱透镜和整形镜筒，双凸透镜和柱透镜安装于整形镜筒的顶端；分光与探测系统包括线性渐变滤光片、光敏芯片和线列光电探测器，线性渐变滤光片黏贴于光敏芯片上。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪。
背景技术
以微型光谱仪作为核心光谱获取手段的光谱分析技术，凭借其快速、无损伤和高精度在线检测的特点，近年来在食品、药品、化工等领域得到广泛应用。当前主流微型光谱仪器一般采用光栅进行分光，由于分光光路和入射狭缝的存在，使得光谱仪器的集成度、抗振性和探测距离等指标难以进一步提高，对于野外探测和空间应用等对仪器重量和抗振性等要求特别苛刻的领域较为不利。作为对地观测技术的重大突破，航空和航天遥感因其时效性强、大范围的动态监测能力以及获取信息受条件限制少等优点，率先在国际上得到广泛应用。其缺点是数据获取成本较高，数据精细度不足，不适于小范围和室内监测。近年来，随着光谱仪器的不断小型化发展，以手持式光谱仪为代表的近地探测用地物光谱仪迅速发展起来。近地遥感时间灵活，可以进行小范围细节探测，并提供精细的分析数据。
多通道分光器的问世极大地促进了多光谱技术向高集成、低功耗、微型化的方向发展。目前，Viavi公司和Consumer Physics公司分别设计出以线性渐变滤光片分光的不同型号微型光谱采集仪器；国内，中国科学院上海技术物理研究所研制出基于线性渐变滤光片和InGaAs焦平面的微型化物联网节点，可实现对长波近红外光谱数据的采集(王绪泉.微型长波近红外物联网节点及实验研究.红外与毫米波学报2018,37(1):42-46)。
当前国内外基于多通道滤光器所设计的光谱采集仪器由于缺少入射光学系统的存在，能量利用率低，需依赖主动光源照射，光谱探测距离一般限制在毫米量级内，对于一些户外光谱探测和局部较大面积光谱采集的应用场景，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种有效的扩大了入射通光孔径，提高了光谱仪探测距离，并可通过调制视场来限制探测范围的基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，包括会聚光学系统、整形光学系统和分光与探测系统；
所述会聚光学系统包括光学窗口片、凹面反射镜、次反射镜、入射镜筒、三通转接镜筒、反射镜筒和反射伸缩镜筒，三通转接镜筒、反射伸缩镜筒位于入射镜筒和反射镜筒之间，光学窗口片位于入射镜筒的前段，凹面反射镜位于反射镜筒的后段；
所述整形光学系统包括双凸透镜、柱透镜和整形镜筒，双凸透镜和柱透镜安装于整形镜筒的顶端；
所述分光与探测系统包括线性渐变滤光片、光敏芯片和线列光电探测器，线性渐变滤光片黏贴于光敏芯片上。
优选地，所述光学窗口片通过卡环压圈固定于入射镜筒前段，用于起到防护作用，凹面反射镜通过卡环压圈固定于反射镜筒的后端，次反射镜通过反射镜支架倾斜45°安装于凹面反射镜的焦平面处。
优选地，所述双凸透镜和柱透镜通过透镜安装座和卡环压圈安装于整形镜筒的顶端，利用双凸透镜和柱透镜，将反射镜反射的发散光束整形为一线条光斑。
优选地，所述线列光电探测器的光敏元方向与整形光斑方向一致。
优选地，所述线列光电探测器根据探测波长选择Si焦平面探测器或InGaAs焦平面探测器。
优选地，所述光学窗口片根据光谱仪待测波长选择透过率较高的光学玻璃。
优选地，基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪的装配及使用调节具体包括以下步骤：
步骤一：将凹面反射镜利用卡环压圈安装于反射镜筒的后端，然后将反射镜筒借助反射伸缩镜筒装配在三通转接镜筒右端；
步骤二：将次反射镜装配到反射镜支架上；
步骤三：利用平行光管照射凹面反射镜，旋转调节反射伸缩镜筒，直到凹面反射镜的反射光斑落到次反射镜中心位置；
步骤四：利用卡环压圈将光学窗口片安装在入射镜筒前端，并把入射镜筒安装在三通转接镜筒左端接口；
步骤五：利用透镜安装座和卡环压圈将双凸透镜和柱透镜安装在整形镜筒的顶端，并使两透镜紧密贴近，然后将整形镜筒安装于三通转接镜筒的下端接口；
步骤六：将线性渐变滤光片沿光敏面方向黏贴在线列光电探测器的光敏芯片上，并将线列光电探测器通过整形伸缩镜筒安装在整形镜筒上；
步骤七：借助平行光管照射会聚光学系统，通过调节整形镜筒将线列光电探测器光敏面调整到整形光学系统的焦平面处，使得整形后光斑与线列光电探测器光敏面之间完全匹配，减少光能量损失；
步骤八：利用平行光管和标定好的若干窄带滤光片产生平行光，照射会聚光学系统，通过切换滤光片和线性拟合的方式对光谱仪进行在线波长定标。
本发明具有如下有益效果：
基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪有效的扩大了入射通光孔径，提高了光谱仪探测距离，并可通过调制视场来限制探测范围；
大口径牛顿反射式光学会聚系统有效的提高了进光量，可在无主动照射光源的条件下实现对室外探测目标反射光谱的采集；光学整形系统，可实现对光束能量的会聚整形，提高了光学能量利用率；
通过对该远距离探测光谱仪进行光谱辐射定标，该光谱仪还将具备光谱辐射计的作用，实现对宽波段不同波长下光谱辐射能量的探测。
附图说明
图1为基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪结构示意图；
图2a为探测光谱仪的光学系统形成的光斑形状示意图；
图2b为探测光谱仪的光学系统形成的光斑的能量分布图；
图3为线性渐变滤光片和光敏元对应关系示意图。
其中，1为光学窗口片，2为入射镜筒，3为反射镜支架，4为次反射镜，5为反射伸缩镜筒，6为反射镜筒，7为凹面反射镜，8为卡环压圈，9为双凸透镜，10为柱透镜，11为线性渐变滤光片，12为光敏芯片，13为线列光电探测器，14为整形伸缩镜筒，15为整形镜筒，16为透镜安装座，17为三通转接镜筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，包括会聚光学系统、整形光学系统和分光与探测系统；
会聚光学系统包括光学窗口片1、凹面反射镜7、次反射镜4、入射镜筒2、三通转接镜筒17、反射镜筒6和反射伸缩镜筒5，三通转接镜筒17、反射伸缩镜筒5位于入射镜筒2和反射镜筒6之间，光学窗口片1位于入射镜筒2的前段，凹面反射镜7位于反射镜筒6的后段；光学窗口片1、次反射镜4和凹面发射镜7需根据探测波长进行对应波长镀膜处理。
整形光学系统包括双凸透镜9、柱透镜10和整形镜筒，双凸透镜9和柱透镜10安装于整形镜筒15的顶端；双凸透镜9和柱透镜10选用K9材质光学玻璃，并需根据探测使用波长对其焦距进行匹配设计和对应波长镀膜处理。
如图3所示，分光与探测系统包括线性渐变滤光片11、光敏芯片12和线列光电探测器13，线性渐变滤光片11通过光学胶水黏贴于光敏芯片12上。线性渐变滤光片根据探测波长范围选择对应工作波长滤光片。
光学窗口片1通过卡环压圈8固定于入射镜筒2前段，根据光谱仪待测波长选择透过率较高的光学玻璃，可以采用如蓝宝石窗口片等，用于起到防护作用；凹面反射镜7通过卡环压圈固定于反射镜筒6的后端，次反射镜4通过反射镜支架倾斜45°安装于凹面反射镜的焦平面处，可以通过改变次反射镜4的尺寸或在其前端加装孔径光阑的方式来调节光学系统视场角。
双凸透镜9和柱透镜10通过透镜安装座和卡环压圈安装于整形镜筒的顶端，利用双凸透镜和柱透镜，将反射镜反射的发散光束整形为一线条光斑，光斑形状和能量分布如图2a和2b所示。
线列光电探测器13的光敏元方向与整形光斑方向一致。
线列光电探测器13根据探测波长选择Si焦平面探测器或InGaAs焦平面探测器。
基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪的装配及使用调节方法具体包括以下步骤：
步骤一：将凹面反射镜7利用卡环压圈8安装于反射镜筒6的后端，然后将反射镜筒6借助反射伸缩镜筒5装配在三通转接镜筒17右端；
步骤二：将次反射镜4装配到反射镜支架3上；
步骤三：利用平行光管照射凹面反射镜7，旋转调节反射伸缩镜筒5，直到凹面反射镜7的反射光斑落到次反射镜4中心位置；
步骤四：利用卡环压圈8将光学窗口片1安装在入射镜筒2前端，并把入射镜筒2安装在三通转接镜筒17左端接口；
步骤五：利用透镜安装座16和卡环压圈8将双凸透镜9和柱透镜10安装在整形镜筒15的顶端，并使两透镜紧密贴近，然后将整形镜筒15安装于三通转接镜筒17的下端接口；
步骤六：将线性渐变滤光片11沿光敏面方向黏贴在线列光电探测器13的光敏芯片12上，并将线列光电探测器通过整形伸缩镜筒14安装在整形镜筒15上；
步骤七：借助平行光管照射会聚光学系统，通过调节整形伸缩镜筒14将线列光电探测器13的光敏面调整到整形光学系统的焦平面处，使得整形后光斑与线列光电探测器13光敏面之间完全匹配，减少光能量损失；
步骤八：利用平行光管和标定好的若干窄带滤光片产生平行光，照射会聚光学系统，通过切换滤光片和线性拟合的方式对光谱仪进行在线波长定标。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，包括会聚光学系统、整形光学系统和分光与探测系统；
所述会聚光学系统包括光学窗口片、凹面反射镜、次反射镜、入射镜筒、三通转接镜筒、反射镜筒和反射伸缩镜筒，三通转接镜筒、反射伸缩镜筒位于入射镜筒和反射镜筒之间，光学窗口片位于入射镜筒的前段，凹面反射镜位于反射镜筒的后段；
所述整形光学系统包括双凸透镜、柱透镜和整形镜筒，双凸透镜和柱透镜安装于整形镜筒的顶端；
所述分光与探测系统包括线性渐变滤光片、光敏芯片和线列光电探测器，线性渐变滤光片黏贴于光敏芯片上。
2.如权利要求1所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，所述光学窗口片通过卡环压圈固定于入射镜筒前段，用于起到防护作用，凹面反射镜通过卡环压圈固定于反射镜筒的后端，次反射镜通过反射镜支架倾斜45°安装于凹面反射镜的焦平面处。
3.如权利要求1所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，所述双凸透镜和柱透镜通过透镜安装座和卡环压圈安装于整形镜筒的顶端，利用双凸透镜和柱透镜，将反射镜反射的发散光束整形为一线条光斑。
4.如权利要求3所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，所述线列光电探测器的光敏元方向与整形光斑方向一致。
5.如权利要求3所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，所述线列光电探测器根据探测波长选择Si焦平面探测器或InGaAs焦平面探测器。
6.如权利要求1所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，所述光学窗口片根据光谱仪待测波长选择透过率较高的光学玻璃。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪，其特征在于，基于线性渐变滤光片分光的紧凑型远距离探测光谱仪的装配及使用调节具体包括以下步骤：
步骤一：将凹面反射镜利用卡环压圈安装于反射镜筒的后端，然后将反射镜筒借助反射伸缩镜筒装配在三通转接镜筒右端；
步骤二：将次反射镜装配到反射镜支架上；
步骤三：利用平行光管照射凹面反射镜，旋转调节反射伸缩镜筒，直到凹面反射镜的反射光斑落到次反射镜中心位置；
步骤四：利用卡环压圈将光学窗口片安装在入射镜筒前端，并把入射镜筒安装在三通转接镜筒左端接口；
步骤五：利用透镜安装座和卡环压圈将双凸透镜和柱透镜安装在整形镜筒的顶端，并使两透镜紧密贴近，然后将整形镜筒安装于三通转接镜筒的下端接口；
步骤六：将线性渐变滤光片沿光敏面方向黏贴在线列光电探测器的光敏芯片上，并将线列光电探测器通过整形伸缩镜筒安装在整形镜筒上；
步骤七：借助平行光管照射会聚光学系统，通过调节整形镜筒将线列光电探测器光敏面调整到整形光学系统的焦平面处，使得整形后光斑与线列光电探测器光敏面之间完全匹配，减少光能量损失；
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