CN201041514Y - 便携式成像光谱仪 - Google Patents

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赵京周
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Abstract

一种便携式成像光谱仪，至少包括光采集、分析、处理部分和图像采集、分析、处理部分，光采集、分析、处理部分的电调谐滤光成像模块分别通过光采集、分析、处理部分的电调谐滤光控制器和图像采集、分析、处理部分的图像采集模块与便携式计算机连接，电调谐滤光成像模块设有体积小，功耗低的声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器，其中声光可调谐滤光器由声光晶体、超声吸收体、换能器阵列组成，从而实现了成像光谱仪的微型化、便携化。同时在声光晶体的出射面设置一定角度的光楔，解决了声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现的图像漂移和图像模糊问题，从而提高了近距离目标探测和显微光谱成像分析的质量。

Description

便携式成像光谱仪
技术领域
本实用新型涉及一种便携式成像光谱仪，尤其是能够解决声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现图像漂移和图像模糊问题的便携式成像光谱仪。
背景技术
国内成像光谱仪大多还是采用推帚式的多光谱扫描仪，却很少尝试采用电可调谐滤光器进行凝视式面光谱成像，由于前一种方式往往需要目标和成像系统做相对移动，所以对载体运动的平稳性要求比较高，因而整个系统的构造十分复杂，且需要经过相当复杂的校正处理才能得到最后的图像，因此成像速度慢，且仪器体积大而笨重，移动困难。而基于声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器这两种电可调谐滤光器的成像光谱仪具有波长电扫描、抗振能力强、体积小巧、结构简单、光谱工作范围宽、扫描波段可编程、波长扫描速度快、光谱分辨率高、波段数目多等诸多优点，但由于声光可调谐滤光器在光谱成像时存在图像漂移和图像模糊问题，所以基于声光可调谐滤光器的成像光谱仪在应用上还是以遥感领域的应用为主，而很少用于近距离目标探测和显微光谱成像技术。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、体积小巧且能够解决声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现图像漂移和图像模糊问题的便携式成像光谱仪。
为实现本实用新型目的所采用的技术方案是：提供一种便携式成像光谱仪，包括光采集、分析、处理部分和图像采集、分析、处理部分。光采集、分析、处理部分的电调谐滤光成像模块分别通过光采集、分析、处理部分的电调谐滤光控制器和图像采集、分析、处理部分的图像采集模块与便携式计算机连接。电调谐滤光成像模块设有声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器。其中声光可调谐滤光器由声光晶体、超声吸收体和换能器阵列组成。声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器，具有体积小，功耗低的优点，实现了成像光谱仪的微型化、便携化。
所述的声光晶体的出射面设有光楔，当入射光与声光晶体光轴的夹角为θi时入射，则衍射光与声光晶体光轴的夹角为θd，所以晶体中的衍射光的偏转角大小为θi-θd。衍射光经晶体出射面折射后的折射角大小为β，那么通过折射公式可可以得出β大小为：
sinβ＝nosin(θi-θd-θw)
对于确定的入射角θi，θd的大小只和晶体的折射率有关，因此上面的关系式的右边只有θd和no两个参数与波长的变化相关。如果能选择适当的光楔θw大小，即改变声光晶体出射面和入射面夹角θw的大小，则可以让两个随波长变化的参数θd和no相互抵消而消除出射变化，解决了声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现的图像漂移和图像模糊问题。
所述的电调谐滤光成像模块通过标准C接口与前置透镜组或显微镜相连，选用前置透镜组时即可用于近距离目标探测，选用显微镜时即可用于显微光谱成像分析。
所述的电调谐滤光控制器通过USB接口与便携式计算机连接，利用光谱成像分析软件进行光谱图像采集，然后对采集的光谱图像进行图像合成、各像素及区域光谱的获取及显示、图像预处理，模式识别等处理后就可以同时获得目标上任一像素点的光谱信息和图像信息。
所述的图像采集模块设有CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
本实用新型的有益效果是：
1.通过采用声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器进行电调谐滤光，减小了成像光谱仪的体积，并降低了使用功耗，使用便携式计算机进行数据处理，减小了成像光谱仪的重量，实现了成像光谱仪的微型化、便携化。
2.在声光晶体(9)的出射面设有光楔，通过选择适当的光楔大小，则可以让两个随波长变化的参数相互抵消而消除出射变化，解决了声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现的图像漂移和图像模糊问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是成像光谱仪的结构示意图。
图2是电调谐滤光成像模块结构示意图。
图3是声光晶体的消色散原理图。
图中1.前置透镜组、2.显微镜、3.电调谐滤光成像模块、4.电调谐滤光控制器、5.图像采集模块、6.便携式计算机、7.偏振片、8.光阑、9.声光晶体、10.超声吸收体、11.成像透镜组、12.光阑、13.换能器阵列、14.偏振片、15.挡板。
具体实施方式
在图1所示的一个实施例中，入射光经过前置透镜组1或显微镜2后进入电调谐滤光成像模块3，当满足动量匹配条件时，入射光将产生布拉格衍射。衍射光通过电调谐滤光成像模块3后，零级光被挡板挡住，+1级或-1级衍射光最终汇聚在图像采集模块5的成像面上，从而得到被测目标的影像。电调谐滤光控制器4发出射频信号，此射频信号进入声光晶体中。电调谐滤光控制器4通过USB接口与便携式计算机6相连，通过光谱成像分析软件改变射频信号的频率，就可以改变衍射光的波长，从而实现光谱扫描。各个波段的影像经图像采集模块5送入便携式计算机6，然后利用光谱成像分析软件通过以下三个步骤进行光谱图像采集：
(1)首先用一个固定的曝光时间t0采集各个波段下的图像；
(2)然后利用背景区域的平均光谱曲线计算出各个波段下合适的曝光时间，以对各个不同波段下系统的光谱响应不一致进行补偿；
(3)各个波段下的曝光时间计算出来后，利用这些计算出来的曝光时间采集目标的光谱图像。
然后对采集的光谱图像进行图像合成、各像素及区域光谱的获取及显示、图像预处理，模式识别等处理后就可以同时获得目标上任一像素点的光谱信息和图像信息。对同一个视场，在每个设定的衍射波长下采集一幅图像，最后把这些图像按照波长顺序堆叠在一起，就构成了多光谱图像。当电调谐滤光成像模块3与前置透镜组1连接时，就可用于近距离目标探测；当电调谐滤光成像模块3与显微镜2连接时，便可进行显微光谱成像分析。
在图2中，电调谐滤光成像模块使用声光可调谐滤光器作为滤光器件，滤光器件的光谱扫描范围为200-2000nm，通带宽为3-30nm。当射频信号加到换能器阵列13上时，电信号将转换成声波信号并在声光晶体9中传播，超声波和入射光产生非线性效应。当满足动量匹配条件时，入射光将产生布拉格衍射，其衍射光的波长与驱动电信号的频率有着一一对应的关系。偏振片7将自然光变成线偏振光，从而只能产生+1级衍射光或者只能产生-1级衍射光。偏振片14与偏振片7偏振方向正交，这样就可以极大的降低零极光对衍射光造成的背景噪声影响，提高图像信号采集的信噪比。通过光阑8和光阑12把入射光限制在电调谐滤光器的孔径角范围之内，防止衍射角展宽过大。成像透镜组11将衍射光进行汇聚成像，由于部分零级光可能不能完全滤干净，因此，在整个模块的出射口前有一个挡板15，用以挡住零级光所成的像。超声吸收体10吸收透过声光晶体的声波，防止声波反射。
在图3中，声光晶体9入射面与垂直面的夹角为α，声光晶体出射面与垂直面的夹角为δ，声光晶体中的衍射光的偏转角为γ，衍射光经声光晶体出射面折射后的折射角大小为β。
在声光晶体9的出射面上设置一个大小为θw的光楔，则δ＝α-θw。通过光楔对衍射光的衍射角进行色散修正。当入射光与声光晶体光轴的夹角为θi时入射，则衍射光与声光晶体光轴的夹角为θd，所以声光晶体中的衍射光的偏转角大小为θi-θd，即为角γ。衍射光经声光晶体出射面折射后的折射角大小为β，那么通过折射公式可以得出：
sinβ＝nosin(θi-θd-θw)
对于确定的入射角θi，θd的大小只和声光晶体的折射率有关，因此上式右边只有θd和no两个参数与波长的变化相关。如果能选择适当的光楔θw大小，即改变声光晶体出射面和入射面夹角θw的大小，则可以让两个随波长变化的参数θd和no相互抵消而消除出射变化，解决了声光可调谐滤光器在用于光谱成像时出现的图像漂移和图像模糊问题，从而提高了近距离目标探测和显微光谱成像分析的质量。

Claims (4)

1.一种便携式成像光谱仪，至少包括光采集、分析、处理部分和图像采集、分析、处理部分，其特征在于：光采集、分析、处理部分的电调谐滤光成像模块分别通过光采集、分析、处理部分的电调谐滤光控制器和图像采集、分析、处理部分的图像采集模块与便携式计算机连接，电调谐滤光成像模块设有声光可调谐滤光器或液晶可调谐滤光器，其中声光可调谐滤光器由声光晶体、超声吸收体和换能器阵列组成，并且在声光晶体的出射面设有光楔。
2.根据权利要求1所述的便携式成像光谱仪，其特征在于：电调谐滤光成像模块通过标准C接口与前置透镜组或显微镜相连。
3.根据权利要求1所述的便携式成像光谱仪，其特征在于：电调谐滤光控制器通过USB接口与便携式计算机连接。
4.根据权利要求1所述的便携式成像光谱仪，其特征在于：图像采集模块设有CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
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