CN115200704A - 基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱数据采集的技术领域，具体涉及一种基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪，微型光谱仪包括面阵探测器、台阶滤光片以及光纤探头阵列；台阶滤光片用于实现光谱分光，台阶滤光片粘贴在面阵探测器上，位于面阵探测器与光纤探头阵列之间；台阶滤光片沿像元的行方向上波长呈台阶式变化，同一行的像元中，不同位置的像元对应的波长不同；同一列的像元中，不同位置的像元对应的波长相同。面阵探测器用于接收经过台阶滤光片分光的谱带能量；光纤探头阵列包括多个光纤探头。本发明所提供的微型光谱仪，可以快速定点批量采集固定点位的光谱数据，有效提高了批量采集的工作效率，结构紧凑，体积小，成本低。

Description

基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱数据采集的技术领域，特别涉及一种基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪。
背景技术
光谱仪是一种重要的科学仪器，随着光谱技术的快速发展，光谱仪在各个领域得到了广泛的应用。基于光栅分光的光谱仪由于其光路结构的影响，一般体积大、成本高，非成像光谱仪大多数为单点式，每次只能采集一个样本点。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种新型结构的基于台阶滤光片的可快速定点批量采集的微型光谱仪。
本发明提供的一种基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪，所述微型光谱仪包括面阵探测器、台阶滤光片以及光纤探头阵列；
所述台阶滤光片用于实现光谱分光，所述台阶滤光片粘贴在所述面阵探测器上，位于所述面阵探测器与所述光纤探头阵列之间；
所述的台阶滤光片沿像元的行方向上波长呈台阶式变化，同一行的像元中，不同位置的像元对应的波长不同；同一列的像元中，不同位置的像元对应的波长相同；
所述面阵探测器用于接收经过所述台阶滤光片分光的谱带能量；
所述光纤探头阵列包括多个光纤探头，射入多个所述光纤探头的光线分别入射到所述面阵探测器的多个不同区域，多个不同区域内的多个不同位置分别获得待测目标的多个不同谱段的光谱特征，进而同时获取所述待测目标多个不同点位的光谱数据；所述光纤探头阵列中所述光纤探头的个数最多为(所述台阶滤光片的周期数×所述面阵探测器的像元的行数)/2。
优选的，所述光纤探头为Y型光纤探头，所述Y型光纤探头包括单头端和双头端，所述单头端连接到所述台阶滤光片的表面，所述双头端分别连接光源和采集点。
优选的，所述台阶滤光片的波长变化方向平行于所述面阵探测器的行方向。
优选的，所述台阶滤光片的尺寸不小于所述面阵探测器在相应方向上的尺寸；
优选的，所述台阶滤光片的光谱范围为可见范围、红外范围或者可见-红外范围；
优选的，所述台阶滤光片的波长包含多个台阶变化周期，可以为包含多个周期的一整片；也可以为规格相同的多个单周期滤光片拼接成的一大片，拼接所用的单周期台阶滤光片的台阶级数应相同，且各单周期台阶滤光片的波长覆盖范围应与包含多个周期的一整片相同。
本发明所提供的快速定点批量采集的微型光谱仪，解决了荧光试剂检测过程中对试剂阵列进行光谱检测时耗费时间长的问题，通过光纤探头阵列，与粘贴好台阶滤光片的面阵探测器相配合，通过台阶滤光片实现光谱分光，通过光纤探头阵列对试剂阵列进行光谱数据的快速、批量采集，本发明的微型光谱仪具有体积小、成本低等优点，可实现光谱数据的批量采集，有效提高了试剂检测工作的效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中定点批量采集微型光谱仪的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式中单周期台阶滤光片的侧面结构示意图。
图3是本发明具体实施方式中多周期台阶滤光片的侧面结构示意图。
图4是本发明具体实施方式中Y型光纤探头的结构示意图。
附图标记：
1、面阵探测器；2、台阶滤光片；3、光纤探头阵列；7、第一双头端；8、单头端；9、第二双头端；10、单头端截面；11、采集点入射光线；12、光源出射光线；13、双头端截面。
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基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪的结构示意图，从图中可以看出，该微型光谱仪包括面阵探测器1、台阶滤光片2以及光纤探头阵列3；所述台阶滤光片2设置在所面阵探测器上1，具体可以通过贴合的方式封装在面阵探测器1的靶面上；所述台阶滤光片2用于实现光谱分光，所述台阶滤光片2位于所述面阵探测器1与所述光纤探头阵列3之间；所述的台阶滤光片2沿像元的行方向上波长呈台阶式变化，同一行的像元中，不同位置的像元对应的波长不同；同一列的像元中，不同位置的像元对应的波长相同；所述面阵探测器1用于接收经过所述台阶滤光片2分光的谱带能量。
所述光纤探头阵列3包括多个光纤探头，射入多个所述光纤探头的光线分别入射到所述面阵探测器1的多个不同区域，多个不同区域内的多个不同位置分别获得待测目标的多个不同谱段的光谱特征，进而同时获取所述待测目标多个不同点位的光谱数据；阵列中光纤探头的个数最多为(台阶滤光片2的周期数×面阵探测器1的像元的行数)/2，优选的实施方式中，相邻的两行光纤探头最少需间隔1行像元，避免相邻光纤探头光线的干扰；在所述面阵探测器1的分辨率固定不变的情况下，像元的列数固定不变，所述台阶滤光片2的台阶级数越多，整个靶面台阶滤光片2的周期数越少。
具体的实施方式中，所述台阶滤光片2的波长变化方向平行于所述面阵探测器1的行方向，当然也可以设置为台阶滤光片2的波长变化方向平行于所述面阵探测器的列方向；一般情况下，面阵探测器1的行方向的像元数大于或者等于列方向的像元数，而台阶滤光片2的台阶变化周期固定时，波长变化方向上的像元数越多时，可单个周期内波长变化的台阶级数就越多，在面阵探测器1的光谱范围固定不变的情况下，测量结果的光谱间隔就越小，数据所包含的目标的光谱特征就越丰富。
具体的实施方式中，所述台阶滤光片2的光谱范围为可见范围、红外范围或者可见-红外范围。所述台阶滤光片2的尺寸应不小于所述面阵探测器1在该方向上的尺寸，避免探测器最外圈像元接收到杂散光，影响测量结果。
如图2和图3所示，分别是本发明具体实施方式中单周期台阶滤光片和四周期台阶滤光片的侧面结构示意图。所述的台阶滤光片2沿像元的行方向上波长呈台阶式变化，同一行的像元中，不同位置的像元对应的波长不同；同一列的像元中，不同位置的像元对应的波长相同。一种实施方式中，所述台阶滤光片2为一整片，包括多个不同的波长周期。另一种实施方式中，所述台阶滤光片2通过多个规格相同的单周期滤光片拼接组成，其中拼接所用的单周期台阶滤光片的台阶级数应相同，且各单周期台阶滤光片的波长覆盖范围应与包含多个周期的一整片相同。优选的实施方式中，采用第一种实施方式中包含多个周期的一整片台阶滤光片效果更好，可避免因拼接多个单周期台阶滤光片所可能存在的误差。
具体的实施方式中，为了更好的配合光纤探头阵列3使用，采用的面阵探测器1的类型为成像型探测器，但本发明微型光谱仪最终输出的数据非图像，而是txt文件，其中包含采集的各个光纤探头对应目标点位的光谱数据。所述面阵探测器1封装好台阶滤光片2后，封装好台阶滤光片2的面阵探测器1按台阶滤光片2的波长变化周期，可以将每行分为多个区域，在单个区域内，不同位置像元接收不同波长的单色光，对应当前区域对应点位的光谱特征，每个区域各对应一个光纤探头，用于收集来自对应采集点位的光线。
具体的实施方式中，如图4所示，所述光纤探头为Y型光纤探头，所述Y型光纤探头包括单头端8和双头端，所述单头端8连接到所述台阶滤光片2的表面，所述双头端包括第一双头端7和第二双头端9，分别连接光源和采集点，采集光谱数据时一般需要外接光源进行补光，保证面阵探测器1能够接收到足够的能量，采集点对应光纤探头所指向的点位，采集数据时，光源经过第一双头端7最终照射到目标上，反射的光线入射到第二双头端9，经过台阶滤光片2分光后照射到面阵探测器1的靶面上。
具体的，从图中可以看出单头端截面10和双头端截面13，从单头端截面上分别可以看出采集点入射光线11和光源出射光线12。
本发明所述的基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪对于待测目标的不同点位的光谱数据的采集过程如下：
S1、待测目标反射的光线入射到光纤探头阵列3的收集端，不同采集点位的光线入射到光纤探头阵列3中不同的光纤探头的收集端；
S2、进入光纤探头的光线经过光的全反射最后出射到台阶滤光片2上，不同的光纤探头出射的光照在台阶滤光片2的不同位置；
在台阶滤光片2的单个周期范围内，每行中不同位置透过的光的波长不同，对应在面阵探测器1上各区域中的不同位置接收到不同波长的单色光，即面阵探测器1各区域中不同位置获取该区域所对应采集点位待测目标不同的光谱特征；
S3、对于待测目标单个点位的光谱数据的计算方式如下：
所述面阵探测器1的分辨率为w×h，h为行方向的像元数；所述台阶滤光片2包含n个波长变化周期，所述光纤探头阵列3的每行共n个光纤探头，对应n个不同的采集点位，所述光纤探头阵列3共包含w×n个光纤探头；所述台阶滤光片2的每个波长变化周期包含m个台阶，每个波长变化周期包含m个不同的光谱通道，则所述台阶滤光片2的每个光谱通道覆盖的面阵探测器1的单行像元数p的个数为：
Figure BDA0003761697030000051
则单个所述采集点位的不同的光谱通道的采集结果为：
Figure BDA0003761697030000061
其中，Grayi为单个所述采集点位中第i个光谱通道采集的灰度值，Grayij为单个所述采集点位中第i个光谱通道中的第j个像元的灰度值。
通过以上公式，可以计算得到光纤探头阵列3对应所有采集点位的光谱数据。
本发明所提供的快速定点批量采集的微型光谱仪，通过设置光纤探头阵列，并与设置有台阶滤光片的面阵探测器相配合，可以定点批量采集固定点位的光谱数据，有效提高了批量采集的工作效率，结构紧凑，体积小，成本低。
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 (8)

1.一种基于台阶滤光片的定点批量采集微型光谱仪，其特征在于，所述微型光谱仪包括面阵探测器、台阶滤光片以及光纤探头阵列；
所述台阶滤光片用于实现光谱分光，所述台阶滤光片粘贴在所述面阵探测器上，位于所述面阵探测器与所述光纤探头阵列之间；
所述的台阶滤光片沿像元的行方向上波长呈台阶式变化，同一行的像元中，不同位置的像元对应的波长不同；同一列的像元中，不同位置的像元对应的波长相同；
所述面阵探测器用于接收经过所述台阶滤光片分光的谱带能量；
所述光纤探头阵列包括多个光纤探头，射入多个所述光纤探头的光线分别入射到所述面阵探测器的多个不同区域，多个不同区域内的多个不同位置分别获得待测目标的多个不同谱段的光谱特征，进而同时获取所述待测目标多个不同点位的光谱数据；
所述光纤探头阵列中所述光纤探头的个数最多为(所述台阶滤光片的周期数×所述面阵探测器的像元的行数)/2。
2.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述光纤探头为Y型光纤探头，所述Y型光纤探头包括单头端和双头端，所述单头端连接到所述台阶滤光片的表面，所述双头端分别连接光源和采集点。
3.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述台阶滤光片的波长变化方向平行于所述面阵探测器的行方向。
4.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述台阶滤光片的尺寸不小于所述面阵探测器在相应方向上的尺寸。
5.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述台阶滤光片的光谱范围为可见范围、红外范围或者可见-红外范围。
6.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述台阶滤光片的波长包含多个台阶变化周期，可以为包含多个周期的一整片；也可以为规格相同的多个单周期滤光片拼接成的一大片，拼接所用的单周期台阶滤光片的台阶级数应相同，且各单周期台阶滤光片的波长覆盖范围应与包含多个周期的一整片相同。
7.如权利要求1所述的微型光谱仪，其特征在于，所述面阵探测器的分辨率为w×h，h为行方向的像元数；所述台阶滤光片包含n个波长变化周期，所述光纤探头阵列的每行共n个光纤探头，对应n个不同的采集点位，所述光纤探头阵列共包含w×n个光纤探头；所述台阶滤光片的每个波长变化周期包含m个台阶，每个波长变化周期包含m个不同的光谱通道，则所述台阶滤光片的每个光谱通道覆盖的面阵探测器的单行像元数p的个数为：
Figure FDA0003761697020000021
8.如权利要求7所述的微型光谱仪，其特征在于，单个所述采集点位的不同的光谱通道的采集结果为：
Figure FDA0003761697020000022
其中，Grayi为单个所述采集点位中第i个光谱通道采集的灰度值，Grayij为单个所述采集点位中第i个光谱通道中的第j个像元的灰度值。
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