CN114942069A - 一种宽谱段微型光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱数据采集的技术领域，具体涉及一种宽谱段微型光谱仪，所述的微型光谱仪的主要结构包括线阵探测器、可见台阶滤光片、红外台阶滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片、分光镜、镜头及配套光源；所述的台阶滤光片分为可见和红外两片，分别封装在两个线阵探测器上，入射光线经过镜头和分光镜分别射入两个线阵探测器。每个线阵探测器上不同位置像元获得待测目标不同谱段的光谱特征，从而获取待测目标的可见‑红外范围内的光谱数据。本发明的宽谱段微型光谱仪基于台阶滤光片实现快速分光，简化了分光结构，体积小，成本低，且光谱范围同时包含可见范围和红外范围，相对于现有的光谱仪具有明显优势。

Description

一种宽谱段微型光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱数据采集的技术领域，特别涉及一种宽谱段微型光谱仪。
背景技术
对于非成像的光谱仪，基于光栅色散分光的光谱仪一般体积较大且成本高。由于其分光原理使得其光谱范围一般只覆盖可见范围或只覆盖红外范围。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种新型结构的宽谱段微型光谱仪。
本发明提供的所述宽谱段微型光谱仪包括线阵探测器、可见台阶滤光片、红外台阶滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片、分光镜、镜头及光源；
所述可见台阶滤光片与所述红外台阶滤光片均设置在所述线阵探测器上；所述线阵探测器的像元尺寸与所述可见台阶滤光片、所述红外台阶滤光片的通道尺寸相匹配；
所述长波通滤光片设置在所述分光镜与所述红外台阶滤光片之间；所述短波通滤光片设置在所述分光镜与所述可见台阶滤光片之间；
所述光源发射入射光线，所述入射光线依次经过所述镜头和所述分光镜，再经过所述短波通滤光片和可见台阶滤光片，或者再经过所述的长波通滤光片和所述的红外台阶滤光片，最终被所述线阵探测器接收。
所述的台阶滤光片在平面上分为长、宽两个方向，沿一个方向上其不同位置透过的光的波长保持不变，该方向为台阶滤光片的非波长变化方向；沿另一个方向上不同位置透过的光的波长呈台阶式变化，该方向为台阶滤光片的波长变化方向。
所述的线阵探测器为一维探测器，像元为一行或者一列，其行方向或者列方向即为线阵探测器的像元方向。
优选的，所述可见台阶滤光片的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器的像元方向，所述红外台阶滤光片的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器的像元方向。
优选的，所述台阶滤光片包括可见台阶滤光片和红外台阶滤光片。
优选的，所述线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述可见台阶滤光片的光谱通道范围和所述红外台阶滤光片的光谱通道范围。
优选的，所述线阵探测器包括可见线阵探测器和红外线阵探测器；所述可见台阶滤光片设置在所述可见线阵探测器上；所述红外台阶滤光片设置在所述红外线阵探测器上；
所述可见线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述可见台阶滤光片的光谱通道范围；所述红外线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述红外台阶滤光片的光谱通道范围。
优选的，所述线阵探测器包括两个相同的宽谱段线阵探测器，所述宽谱段线阵探测器的光谱范围同时覆盖可见线阵探测器的光谱范围和红外线阵探测器的光谱范围。
优选的，所述长波通滤光片设置在所述分光镜与所述红外台阶滤光片之间；所述短波通滤光片设置在所述分光镜与所述可见台阶滤光片之间。
优选的，所述分光镜用于将经过所述镜头的入射光线的一部分透射到所述可见台阶滤光片上，并将另一部分反射到所述红外台阶滤光片上。
优选的，所述可见台阶滤光片和所述红外台阶滤光片分别包括m个台阶，所述宽谱段微型光谱仪包括m个光谱通道，每个所述光谱通道覆盖所述线阵探测器的n个像元，则每个所述光谱通道的光谱数据采集结果为：
Figure 948803DEST_PATH_IMAGE001
其中，Grayi为所述可见台阶滤光片或所述红外台阶滤光片中第i个光谱通道采集的灰度值，Grayij为第i个光谱通道中的第j个像元的灰度值。
优选的，所述光谱数据的采集过程包括步骤：
S1、所述光源发出的照射到待测目标上的入射光线经过所述镜头射入所述分光镜；
S2、进入所述分光镜的入射光线的一部分透射到所述短波通滤光片上，另一部分反射到所述长波通滤光片上；
S3、透射到所述短波通滤光片上的入射光线，滤掉红外部分的入射光线后，透射到所述可见台阶滤光片上；反射到所述长波通滤光片上的入射光线，滤掉可见部分的入射光线后，透射到所述红外台阶滤光片上；
S4、透射到所述可见台阶滤光片和所述红外台阶滤光片上的入射光线在不同的光谱通道透过不同波长的单色光，所述线阵探测器上不同位置的像元接收到不同波长的单色光，得到不同的像元的灰度值，则为所述待测目标在不同通道下的光谱特征。
优选的，所述光源为环形光源或穹顶光源。
本发明的宽谱段微型光谱仪基于台阶滤光片实现快速分光，简化了分光结构，通过分光镜实现可见和红外范围的联合，整个宽谱段微型光谱仪体积小，成本低，且光谱范围同时包含可见范围和红外范围，相对于现有的光谱仪具有明显优势。
附图说明
图1是本发明实施例中宽谱段微型光谱仪的结构示意图。
图2是本发明实施例的宽谱段微型光谱仪中台阶滤光片的侧面结构示意图。
附图标记：
1、可见线阵探测器；2、可见台阶滤光片；3、短波通滤光片；4、红外线阵探测器；5、红外台阶滤光片；6、长波通滤光片；7、分光镜；8、镜头；9、光源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，为本发明具体实施方式中宽谱段微型光谱仪的结构示意图，从图中可以看出，宽谱段微型光谱仪包括线阵探测器（具体包括可见线阵探测器1和红外线阵探测器4）、可见台阶滤光片2、红外台阶滤光片5、长波通滤光片6、短波通滤光片3、分光镜7、镜头8及配套光源9。
所述可见台阶滤光片2设置在所述可见线阵探测器1上；所述红外台阶滤光片5设置在所述红外线阵探测器4上；所述线阵探测器的像元尺寸与所述可见台阶滤光片2、所述红外台阶滤光片5的通道尺寸相匹配；可见台阶滤光片2和红外台阶滤光片5用于实现光谱分光，可见台阶滤光片2和红外台阶滤光片5的侧面示意图如图2所示，所述线阵探测器只有一列像元。
所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5均在平面上分为长、宽两个方向；沿其中一个方向上，其不同位置透过的光的波长保持不变，该方向为可见台阶滤光片2或红外台阶滤光片5的非波长变化方向；沿另一个方向上，不同位置透过的光的波长呈台阶式变化，该方向为可见台阶滤光片2或红外台阶滤光片5的波长变化方向。所述线阵探测器具体为一维探测器，其像元为一行或者一列，其行方向或者列方向即为线阵探测器的像元方向。所述可见台阶滤光片2的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器，即可见线阵探测器1的像元方向（列方向），所述红外台阶滤光片5的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器，即红外线阵探测器4的像元方向（列方向）；可见台阶滤光片2和红外台阶滤光片5沿像元方向上波长呈台阶式变化，不同位置的像元对应的波长不同。
具体的实施方式中，如图1所示，所述长波通滤光片6设置在所述分光镜7与所述红外台阶滤光片5之间，用于截止可见部分的光线；所述短波通滤光片3也设置在所述分光镜7与所述可见台阶滤光片2之间，用于截止红外部分的光线；所述分光镜7用于将入射光线分为两束，具体的，将经过所述镜头8的入射光线的一部分透射到所述可见台阶滤光片2上，并将另一部分反射到所述红外台阶滤光片5上；所述光源9发射入射光线，所述入射光线依次经过所述镜头8和所述分光镜7，入射至所述线阵探测器。所述光源9为配套光源，用于为整个宽谱段微型光谱仪提供全谱光源，具体的，所述光源9可以为环形光源或穹顶光源，也可以为其他一些光谱齐全且亮度均匀的光源。
如图1中所示的实施方式中，所述线阵探测器包括可见线阵探测器1和红外线阵探测器4；所述可见台阶滤光片2设置在所述可见线阵探测器1上，具体采用封装的形式；所述红外台阶滤光片5设置在所述红外线阵探测器4上，具体也采用封装的形式；在该实施方式中，所述可见线阵探测器1的像元尺寸与所述可见台阶滤光片2的通道尺寸相匹配，所述红外线阵探测器4的像元尺寸与所述红外台阶滤光片5的通道尺寸相匹配；所述可见线阵探测器1的光谱响应范围覆盖所述可见台阶滤光片2的光谱通道范围；所述红外线阵探测器4的光谱响应范围覆盖所述红外台阶滤光片5的光谱通道范围；所述可见线阵探测器1和所述红外线阵探测器4分别用于接收透过所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5的光线的能量，不同位置像元的灰度值则对应不同通道的光谱特征；所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5均用于实现光谱分光，其波长变化方向分别平行于所述可见线阵探测器1和所述红外线阵探测器4的像元方向（列方向），所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5的侧面示意图也均如图2所示。其他的一种实施方式中，所述可见线阵探测器1和所述红外线阵探测器4可以整体替换为一个宽谱线阵探测器，即仅采用一个宽谱线阵探测器；该宽谱线阵探测器的光谱响应范围，可以覆盖所述可见台阶滤光片2的光谱通道范围和所述红外台阶滤光片5的光谱通道范围；第三种实施方式中，所述可见线阵探测器1和所述红外线阵探测器4可以替换为两个相同的宽谱段线阵探测器，每个所述宽谱段线阵探测器的光谱范围同时覆盖可见线阵探测器的光谱范围和红外线阵探测器的光谱范围。
本发明具体实施方式所提供的宽谱段微型光谱仪可以同时获取待测目标在可见谱段和红外谱段的光谱数据，具体的，所述光谱数据的采集过程包括步骤：
S1、所述光源9发出的照射到待测目标上的入射光线经过所述镜头8射入所述分光镜7；
S2、进入所述分光镜7的入射光线的一部分透射到所述短波通滤光片3上，另一部分反射到所述长波通滤光片6上；
S3、透射到所述短波通滤光片3上的入射光线，滤掉红外部分的入射光线后，透射到所述可见台阶滤光片2上；反射到所述长波通滤光片6上的入射光线，滤掉可见部分的入射光线后，透射到所述红外台阶滤光片5上；
S4、透射到所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5上的入射光线在不同的光谱通道透过不同波长的单色光，所述线阵探测器上不同位置的像元接收到不同波长的单色光，得到不同的像元的灰度值，则为所述待测目标在不同通道下的光谱特征；
具体的实施方式中，在该步骤中，所述可见线阵探测器1和所述红外线阵探测器4分别用于接收透过所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5的光线的能量，不同位置像元的灰度值则对应不同通道的光谱特征。
具体的实施方式中，对于待测目标在各个不同通道下的光谱数据通过以下方法计算得到：
所述可见台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5分别包括m个台阶，所述宽谱段微型光谱仪包括m个光谱通道，每个所述光谱通道覆盖所述线阵探测器的n个像元，则每个所述光谱通道的光谱数据采集结果为：
Figure 272468DEST_PATH_IMAGE001
其中，Grayi为所述可见台阶滤光片2或所述红外台阶滤光片5中第i个光谱通道采集的灰度值，Grayij为第i个光谱通道中的第j个像元的灰度值。
通过以上公式，可以分别计算得到所述台阶滤光片2和所述红外台阶滤光片5中所有光谱通道的采集结果。将可见及红外范围内所有台阶（光谱通道）的结果进行叠加，即得到最终的，同时包含可见和红外谱段范围的光谱数据，最终的数据表示如下：
Figure 583364DEST_PATH_IMAGE002
其中，Wave为输出数据中的波长信息，Wavevi表示可见台阶滤光片2第i个台阶的中心波长，Wavenj表示红外台阶滤光片5第j个台阶的中心波长；
Value为输出数据中的测量值信息，Grayvi表示待测目标在可见范围内第i个波长对应的测量值，Graynj表示待测目标在红外范围内第j个波长对应的测量值。
本发明的宽谱段微型光谱仪基于台阶滤光片实现快速分光，简化了分光结构，通过分光镜实现可见和红外范围的联合，整个宽谱段微型光谱仪体积小，成本低，且光谱范围同时包含可见范围和红外范围，相对于现有的光谱仪具有明显优势。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述宽谱段微型光谱仪包括线阵探测器、可见台阶滤光片、红外台阶滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片、分光镜、镜头及光源；
所述可见台阶滤光片与所述红外台阶滤光片均设置在所述线阵探测器上；所述线阵探测器的像元尺寸与所述可见台阶滤光片、所述红外台阶滤光片的通道尺寸相匹配；
所述长波通滤光片设置在所述分光镜与所述红外台阶滤光片之间；所述短波通滤光片设置在所述分光镜与所述可见台阶滤光片之间；
所述光源发射入射光线，所述入射光线依次经过所述镜头和所述分光镜，再经过所述短波通滤光片和可见台阶滤光片，或者再经过所述的长波通滤光片和所述的红外台阶滤光片，最终被所述线阵探测器接收。
2.如权利要求1所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述可见台阶滤光片的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器的像元方向，所述红外台阶滤光片的波长变化方向平行于对应的所述线阵探测器的像元方向。
3.如权利要求1所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述台阶滤光片包括可见台阶滤光片和红外台阶滤光片。
4.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述可见台阶滤光片的光谱通道范围和所述红外台阶滤光片的光谱通道范围。
5.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述线阵探测器包括可见线阵探测器和红外线阵探测器；所述可见台阶滤光片设置在所述可见线阵探测器上；所述红外台阶滤光片设置在所述红外线阵探测器上；
所述可见线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述可见台阶滤光片的光谱通道范围；所述红外线阵探测器的光谱响应范围覆盖所述红外台阶滤光片的光谱通道范围。
6.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述线阵探测器包括两个相同的宽谱段线阵探测器，所述宽谱段线阵探测器的光谱范围同时覆盖可见线阵探测器的光谱范围和红外线阵探测器的光谱范围。
7.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述长波通滤光片设置在所述分光镜与所述红外台阶滤光片之间；所述短波通滤光片设置在所述分光镜与所述可见台阶滤光片之间。
8.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述分光镜用于将经过所述镜头的入射光线的一部分透射到所述可见台阶滤光片上，并将另一部分反射到所述红外台阶滤光片上。
9.如权利要求3所述的宽谱段微型光谱仪，其特征在于，所述可见台阶滤光片和所述红外台阶滤光片分别包括m个台阶，所述宽谱段微型光谱仪包括m个光谱通道，每个所述光谱通道覆盖所述线阵探测器的n个像元，则每个所述光谱通道的光谱数据采集结果为：
Figure 644741DEST_PATH_IMAGE001
其中，Grayi为所述可见台阶滤光片或所述红外台阶滤光片中第i个光谱通道采集的灰度值，Grayij为第i个光谱通道中的第j个像元的灰度值。
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