CN113396316B - 可调法玻腔自校准方法和具有自校准功能的光谱采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种可调法玻腔自校准方法和具有自校准功能的光谱采集装置，通过将入射光线照射在滤光片(1)上，透过滤光片(1)上的校准滤光膜(11)后得到具有固定波长的校准光线(S1)；将校准光线通过法玻腔(2)进行选通，透过法玻腔(2)后得到选通光线(S2)；将选通光线照射在成像芯片(3)上进行成像，并得到输出信号(S3)。当可调法玻腔(2)的选通波长和某一位置的校准滤光膜(11)透过的校准光线的波长匹配时，此位置的光线才被选通并到达成像芯片(3)，该对应位置的成像芯片(3)的输出信号可以作为自校准的检测信号，并且不影响滤光片上校准滤光膜(11)之外的其他位置的正常成像，该方法操作简单，精确可行。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器领域，特别是一种可调法玻腔自校准方法和具有自校准功能的光谱采集装置。
背景技术
Fabry-Perot腔结构的可调谐光滤波器原理可以追溯至很早的多光束干涉原理。简单的来说，Fabry-Perot腔是由两个能提供高反射率的镜面和一个能提供谐振空间的腔体组成的，入射光被限制在F-P腔中来回多次振荡、干涉，当干涉光信号达到某条件时便会出射。此结构的滤波器主要依靠调节F-P腔的长度或者腔体折射率来改变谐振条件，达到滤波的效果。因此F-P腔(法玻腔)在光谱精细结构分析、激光谐振腔、光学滤波器等方面得到了广泛的运用。
Fabry-Perot腔应用在光学滤波器，在正入射下如果腔长的光学厚度为入射光半波长的整数倍时，这个波长下的光可以低损耗地透射过去，而不满足这个条件的波长则被反射，从而实现滤波的功能。基于Fabry-Perot(法玻腔)干涉的可调滤光器件(tuneableFPI)可以应用在微型光谱仪和小型甚至迷你高光谱相机。在可见光-近红外(400-1000nm)的高光谱成像领域，相较于其他的解决方案，Fabry-Perot腔提供最简单的系统结构和光路，所以可以极大降低高光谱相机的成本、体积和功耗。
通常微型可调法玻腔是由电压信号驱动以调整法玻腔的腔长，进而选通光谱上不同波段的光。随着驱动电压的增加或降低，法玻腔中两个镜面间的相对位置d(腔长)随之减小或增大。而d的减小或增大就可以调节法玻腔滤出的波峰位置从而实现光谱上的可调滤波。
其中，电压控制曲线随着温度，机械和时间变化形成的漂移是可调法玻腔在应用时的主要的误差来源。因此在实际应用中如何降低此类误差就成为一个器件和模组设计的重要部分。目前的解决办法仅限于使用温度校准的查表解决方案或基于电容反馈的闭环解决方案。针对在光谱成像系统中的法玻腔校准方法目前还没有比较简单、实用的技术方案。
有鉴于此，设计出一种针对光谱成像系统中法玻腔的校准方法和装置是至关重要的。
发明内容
针对上述存在可调法玻腔在应用时电压控制曲线随着温度，机械和时间变化容易漂移误差、降低误差难度大、操作不够简便、不能实现自校准等问题。本申请的实施例提供了一种可调法玻腔自校准方法和具有自校准功能的光谱采集装置以解决上述存在的问题。
根据本发明的第一方面，本申请的实施例提供了一种可调法玻腔自校准方法，包括以下步骤：
S1：将入射光线照射在滤光片上，透过滤光片上的校准滤光膜后得到具有固定波长的校准光线；
S2：将校准光线通过法玻腔进行选通，透过法玻腔后得到选通光线；
S3：将选通光线照射在成像芯片上进行成像，并得到输出信号。
在一些实施例中，步骤S2中通过控制法玻腔的驱动电压对校准光线进行选通得到选通光线。法玻腔的驱动电压与法玻腔的腔长满足一定的关系，即符合法玻腔的控制曲线的规律。通过控制法玻腔的驱动电压可以改变法玻腔的腔长，从而选通一定波长的光。
在一些实施例中，输出信号包括校准电压，校准电压为校准光线被选通时法玻腔的驱动电压。校准电压对应于校准光线的波长。
在一些实施例中，校准电压与法玻腔的控制曲线中的电压进行对比以重新拟合出新的控制曲线。最终实现法玻腔在应用中的实时自校准。
在一些实施例中，滤光片包括基板和带通滤光膜，带通滤光膜涂布在基板的表面以使一定波长范围的成像光线透过带通滤光膜。带通滤光膜可以提高法布里-珀罗干涉仪的透过率，保证足够多的成像光线能够透过法玻腔并照射在成像芯片进行成像。
在一些实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于法玻腔的通光孔径内的一部分区域。因此透过校准滤光膜的校准光线可以直接照射在法玻腔的通光孔径内。
在一些实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于成像芯片的边缘位置的一部分区域。因此可以实现实时自校准并且不影响在校准滤光膜之外其他位置的正常成像功能。
在一些实施例中，校准滤光膜设置为多个并分布在滤光片的不同的位置上以使多个不同的固定波长的光透过校准滤光膜。通过设置多个校准滤光膜可以得到多个不同的校准电压以实现更加精准的拟合。
根据本发明的第二方面，本申请的实施例中提出了一种具有自校准功能的光谱采集装置，包括依次间隔排列的滤光片、法玻腔和成像芯片，在滤光片的一部分区域上设置有校准滤光膜以使固定波长的光透过校准滤光膜，通过改变法玻腔的电压信号以选通透过校准滤光膜的光，并通过成像芯片产生图像信号。
在一些实施例中，滤光片包括基板和带通滤光膜，带通滤光膜涂布在基板的表面以使一定波长范围的成像光线透过带通滤光膜。
在一些实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于法玻腔的通光孔径内的一部分区域。因此透过校准滤光膜的校准光线可以直接照射在法玻腔的通光孔径内。
在一些实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于成像芯片的边缘位置的一部分区域。因此可以实现实时自校准并且不影响在校准滤光膜之外其他位置的正常成像功能。
在一些实施例中，校准滤光膜设置为多个并分布在滤光片的不同的位置上以使多个不同波长的光透过校准滤光膜。通过设置多个校准滤光膜可以得到多个不同的校准电压以实现更加精准的拟合。
在一些实施例中，透过校准滤光膜的光被法玻腔选通时法玻腔的驱动电压为校准电压，将校准电压与法玻腔的控制曲线中的电压进行对比以重新拟合出新的控制曲线。最终实现法玻腔在应用中的实时自校准。
本申请的实施例公开了一种可调法玻腔自校准方法，通过设置校准滤光膜对法玻腔的控制曲线进行拟合，只有当可调法玻腔的选通波长和某一位置的校准滤光膜透过的校准光线的波长匹配时，此位置的光线才被选通并到达成像芯片，该对应位置的成像芯片的输出信号可以作为自校准的检测信号。并且不影响滤光片上校准滤光膜之外的其他位置的正常成像，该方法操作简单，精确可行。本申请的另一个实施例公开了一种具有自校准功能的光谱采集装置，通过该装置可以使用上述的可调法玻腔自校准方法，实现对可调法玻腔的实时自校准，装置简单，成本低廉。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1为本申请的实施例中的可调法玻腔自校准方法的流程图；
图2为本申请的实施例中的可调法玻腔自校准方法的法玻腔控制曲线的示意图；
图3为本申请的实施例中的可调法玻腔自校准方法的光谱响应图；
图4为本申请的实施例中的具有自校准功能的光谱采集装置的示意图；
图5为本申请的实施例中的具有自校准功能的光谱采集装置的滤光片的截面图；
图6为本申请的实施例中的具有自校准功能的光谱采集装置的滤光片的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种可调法玻腔自校准方法，包括以下步骤：
S1：将入射光线照射在滤光片上，透过滤光片上的校准滤光膜后得到具有固定波长的校准光线；
S2：将校准光线通过法玻腔进行选通，透过法玻腔后得到选通光线；
S3：将选通光线照射在成像芯片上进行成像，并得到输出信号。
在具体的实施例中，步骤S2中通过控制法玻腔的驱动电压对校准光线进行选通得到选通光线。通常微型可调法玻腔是通过电压信号对法玻腔进行驱动，具体包括两种方式，一种是在法玻腔的两个镜面上形成两个相对的电极，并在两个电极上施加电压以形成电容驱动的法玻腔，另一种是通过压电执行器驱动法玻腔的可动镜面进行移动，在压电执行器的上下电极上施加电压对压电执行器进行驱动。因此，通过改变电压信号来改变法玻腔的腔长，并对光线进行选通。在优选的实施例中，在电容驱动的方式下控制法玻腔的腔长，法玻腔的驱动电压与法玻腔的腔长满足一定的关系，即可以得到如图2所示的法玻腔的控制曲线，并且满足以下公式：
其中，V表示法玻腔的驱动电压；k表示法玻腔结构的弹性系数；ε0表示真空中的介电常数；A表示法玻腔电容驱动电极的面积；d0为法玻腔的初始腔长；d为法玻腔的当前腔长。如图2所示，在法玻腔的驱动电压为V1的情况下对应的是法玻腔的腔长为d1，在法玻腔的驱动电压为V2的情况下对应的是法玻腔的腔长为d2。因此随着驱动电压的增大或减小，法玻腔的腔长随之减小或增大。法玻腔的腔长与光的波长满足以下的公式：
λ＝2d/m，
其中，λ为被选通的光的波长，d为法玻腔的当前腔长，m为正整数。
由以上两个公式即可算出透过法玻腔后被选通的光的波长，反之，通过已知透过法玻腔后被选通的光的波长后，可以推算出法玻腔的驱动电压。当校准光线透过法玻腔后被选通，此时法玻腔实际测量出来的驱动电压即为校准电压，校准电压对应于校准光线的波长。另一方面，根据校准光线的波长可以根据以上两个公式计算出法玻腔的驱动电压，将计算出来的驱动电压与实际测量的校准电压进行比对，可以对法玻腔的控制曲线进行重新拟合，并且不会影响正常成像光线的成像效果，从而实现实时的自校准功能。在其他可选的实施例中，其他电压信号驱动的法玻腔的电压和腔长满足其他的控制曲线公式，也可以采用以上的方式对法玻腔进行自校准。
在具体的实施例中，滤光片包括基板和带通滤光膜，带通滤光膜涂布在基板的表面以使一定波长范围的成像光线透过带通滤光膜。由于法布里-珀罗干涉仪本身的透过性并不理想，导致禁带透过率过高，通过设置带通滤光膜可以提高法布里-珀罗干涉仪的透过率，保证足够多的成像光线透过法玻腔并照射在成像芯片进行成像。在优选的实施例中，带通滤光膜设置在基板上朝向校准滤光膜的一面上。就是在基板上先涂布一层带通滤光膜，再在带通滤光膜的一部分区域上涂布一小块校准滤光膜。当然，带通滤光膜还可以设置在基板上远离校准滤光膜的一面。就是在基板的一面设置校准滤光膜，在基板的另一面设置带通滤光膜。带通滤光膜和校准滤光膜的光路可以重叠，也可以不重叠。在上述校准滤光膜和带通滤光膜的光路重叠的情况下，带通滤光膜可以使一定波长范围的成像光线透过，校准滤光膜可以使在一定波长范围内的某一个固定波长透过。另外，基板为透明基板，包括玻璃基板或者其他光学树脂基板。这样可以有效提高光谱成像系统的光线的成像效果，并且装置简单，成本低廉，准确度高。
在具体的实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于法玻腔的通光孔径内的一部分区域。因此透过校准滤光膜的校准光线可以直接照射在法玻腔的通光孔径内。而不会超出法玻腔的通光孔径，从而影响校准效果。在优选的实施例中，校准滤光膜被设置在滤光片上对应于成像芯片的边缘位置的一部分区域。校准滤光膜设置在对应于成像芯片的边缘位置上不仅可以实现实时校准，而且会不影响在校准滤光膜之外其他位置的正常成像功能，因此最终达到自校准的目的。
在具体的实施例中，校准滤光膜设置为多个并分布在滤光片的不同的位置上以使多个不同的固定波长的光透过校准滤光膜。通过设置多个校准滤光膜可以得到多个不同的校准电压，从而实现更加精准的拟合。在优选的实施例中，校准滤光膜可以设置为3个，分别设置在对应于成像芯片的边缘的端点上，带通滤光膜可以透过光谱上一定波长范围的光，而校准滤光膜只透过固定波长的窄带光线，因此这三个校准滤光膜对应带通滤光光谱范围中的三个不同波长位置，最终得到如图3所示的光谱响应图。并且存在三个校准电压使得三个位置对应的成像芯片像素存在信号输出。将这三个校准电压和法玻腔最初标定的控制曲线中的相应波长对应的电压做对比，如果出现漂移则可以根据以上公式重新拟合出一条新的控制曲线，从而实现法玻腔在光谱成像应用中的实时自校准。
针对本申请的实施例中提出的一种可调法玻腔自校准方法，相对应的提出了一种具有自校准功能的光谱采集装置，该光谱采集装置可以采用可调法玻腔自校准方法进行自校准，如图4所示，该光谱采集装置包括依次间隔排列的滤光片1、法玻腔2和成像芯片3，在滤光片1的一部分区域上设置有校准滤光膜11以使固定波长的光透过校准滤光膜11，通过改变法玻腔2的电压信号以选通透过校准滤光膜11的光，并通过成像芯片3产生图像信号。
在具体的实施例中，如图5所示，滤光片1包括基板10和带通滤光膜12，带通滤光膜12涂布在基板10的表面以使一定波长范围的成像光线透过带通滤光膜12。由于法玻腔本身的透过性并不理想，导致禁带透过率过高，通过设置带通滤光膜12可以提高装置的透过率，保证足够多的成像光线透过法玻腔2并照射在成像芯片进行成像。在优选的实施例中，带通滤光膜12设置在基板10上朝向校准滤光膜11的一面上。就是在基板10上先涂布一层带通滤光膜12，再在带通滤光膜12的一部分区域上涂布一小块校准滤光膜11。当然，带通滤光膜还可以设置在基板10上远离校准滤光膜11的一面。就是在基板10的一面设置校准滤光膜11，在基板10的另一面设置带通滤光膜12。带通滤光膜12和校准滤光膜11的光路可以重叠，也可以不重叠。在上述校准滤光膜11和带通滤光膜12重叠的情况下，带通滤光膜12可以使一定波长范围的成像光线透过，校准滤光膜11可以使在一定波长范围内的某一个固定波长透过。另外，基板10为透明基板，包括玻璃基板或者其他光学树脂基板。这样光谱采集装置结构简单，成本低廉，准确度高。
在具体的实施例中，如图6所示，校准滤光膜11被设置在滤光片1上对应于法玻腔2的通光孔径内的一部分区域。因此透过校准滤光膜11的校准光线可以直接照射在法玻腔2的通光孔径内，而不会超出法玻腔2的通光孔径，从而影响校准效果。在优选的实施例中，校准滤光膜11被设置在滤光片1上对应于成像芯片3的边缘位置的一部分区域。校准滤光膜11设置在对应于成像芯片3的边缘位置上不仅可以实现实时校准，而且会不影响在校准滤光膜11之外其他位置的正常成像功能，因此最终达到自校准的目的。
在具体的实施例中，校准滤光膜11设置为多个并分布在滤光片1的不同的位置上以使多个不同波长的光透过校准滤光膜11。通过设置多个校准滤光膜11可以得到多个不同的校准电压以实现更加精准的拟合。通过设置多个校准滤光膜11可以得到多个不同的校准电压，从而实现更加精准的拟合。在优选的实施例中，校准滤光膜11可以设置为3个，分别设置在对应于成像芯片3的边缘的端点上，带通滤光膜12可以透过光谱上一定波长范围的光，而校准滤光膜11只透过固定波长的窄带光线，因此这三个校准滤光膜11对应带通滤光光谱范围中的三个不同波长位置。并且存在三个校准电压使得三个位置对应的成像芯片像素存在信号输出。最终得到如图3所示的光谱响应图。将这三个校准电压和法玻腔2最初标定的控制曲线中的相应波长对应的电压做对比，如果出现漂移则可以根据以上公式重新拟合出一条新的控制曲线，从而实现法玻腔2在光谱成像应用中的实时自校准。
在具体的实施例中，透过校准滤光膜11的光被法玻腔2选通时法玻腔2的驱动电压为校准电压，将校准电压与法玻腔2的控制曲线中的电压进行对比以重新拟合出新的控制曲线。最终实现法玻腔2的实时自校准。
本申请的实施例公开了一种可调法玻腔自校准方法，通过将入射光线照射在滤光片上，透过滤光片上的校准滤光膜后得到具有固定波长的校准光线；将校准光线通过法玻腔进行选通，透过法玻腔后得到选通光线；将选通光线照射在成像芯片上进行成像，并得到输出信号。通过设置校准滤光膜对法玻腔的控制曲线进行拟合，只有当可调法玻腔的选通波长和某一位置的校准滤光膜透过的校准光线的波长匹配时，此位置的光线才被选通并到达成像芯片，该对应位置的成像芯片的输出信号可以作为自校准的检测信号。并且不影响滤光片上校准滤光膜之外的其他位置的正常成像，该方法操作简单，精确可行。本申请的另一个实施例公开了一种具有自校准功能的光谱采集装置，通过该装置可以使用上述的可调法玻腔自校准方法，实现对可调法玻腔的实时自校准，该装置结构简单，成本低廉、校准准确度高。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。
Claims (14)
1.一种可调法玻腔实时自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将入射光线照射在滤光片上，透过所述滤光片上的校准滤光膜后得到具有固定波长的校准光线；
S2：将所述校准光线通过所述法玻腔进行选通，透过所述法玻腔后得到选通光线；
S3：将所述选通光线照射在成像芯片上进行成像，并得到输出信号，
其中，所述校准滤光膜被设置在所述滤光片的一部分区域上，利用所述输出信号作为自校准的检测信号。
2.根据权利要求1所述的可调法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述步骤S2中通过控制所述法玻腔的驱动电压对所述校准光线进行选通得到所述选通光线。
3.根据权利要求2所述的可调法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述输出信号包括校准电压，所述校准电压为所述校准光线被选通时所述法玻腔的驱动电压。
4.根据权利要求3所述的可调法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述校准电压与所述法玻腔的控制曲线中的电压进行对比以重新拟合出新的控制曲线。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述滤光片包括基板和带通滤光膜，所述带通滤光膜涂布在所述基板的表面以使一定波长范围的成像光线透过所述带通滤光膜。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述校准滤光膜被设置在所述滤光片上对应于所述法玻腔的通光孔径内的一部分区域。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述校准滤光膜被设置在所述滤光片上对应于所述成像芯片的边缘位置的一部分区域。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的法玻腔实时自校准方法，其特征在于，所述校准滤光膜设置为多个并分布在所述滤光片的不同的位置上以使多个不同的固定波长的光透过所述校准滤光膜。
9.一种具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，包括依次间隔排列的滤光片、法玻腔和成像芯片，在所述滤光片的一部分区域上设置有校准滤光膜以使固定波长的光透过所述校准滤光膜，通过改变法玻腔的电压信号以选通透过所述校准滤光膜的光，并通过所述成像芯片产生图像信号，利用所述图像信号作为自校准的检测信号。
10.根据权利要求9所述的具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，所述滤光片包括基板和带通滤光膜，所述带通滤光膜涂布在所述基板的表面以使一定波长范围的成像光线透过所述带通滤光膜。
11.根据权利要求9所述的具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，所述校准滤光膜被设置在所述滤光片上对应于所述法玻腔的通光孔径内的一部分区域。
12.根据权利要求9所述的具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，所述校准滤光膜被设置在所述滤光片上对应于所述成像芯片的边缘位置的一部分区域。
13.根据权利要求9所述的具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，所述校准滤光膜设置为多个并分布在所述滤光片的不同的位置上以使多个不同波长的光透过所述校准滤光膜。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的具有实时自校准功能的光谱采集装置，其特征在于，透过所述校准滤光膜的光被所述法玻腔选通时所述法玻腔的驱动电压为校准电压，将所述校准电压与所述法玻腔的控制曲线中的电压进行对比以重新拟合出新的控制曲线。
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