本發(fā)明屬于光譜成像儀領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型光譜成像儀。

背景技術(shù)：

近年來，隨著遙感探測(cè)、防偽檢測(cè)、物料分選、石油化工、國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)藥、科技農(nóng)業(yè)、軍事分析以及工業(yè)流程控制等領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展，對(duì)于用于分析、科學(xué)研究等用途的近紅外光譜成像儀提出了非常迫切的小型化、輕量化、高性價(jià)比、高靈敏度、高集成度、高可靠性、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等要求。在特殊應(yīng)用場(chǎng)合下（如環(huán)保、野外、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等）還要求儀器堅(jiān)固抗震。

目前常用的基于濾波、棱鏡、光柵、或者傅里葉變換體制的典型光譜成像儀，通常由相機(jī)和光譜儀組成，通常體積較大，并且需要使用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)以獲取高質(zhì)量的光譜成像數(shù)據(jù)。雖然目前常通過采用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)手段和新型器件以降低光譜成像儀的尺寸，但是這往往會(huì)導(dǎo)致更加復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及由此帶來的低光學(xué)效率。這一現(xiàn)狀往往導(dǎo)致了應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的光譜成像儀需要采用額外的加固等措施，以保證儀器能正常工作。這不但限制了儀器的應(yīng)用場(chǎng)合，而且急劇增加了儀器的使用成本，這顯然限制了近紅外光譜成像技術(shù)的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型光譜成像儀，本發(fā)明將光譜儀和成像系統(tǒng)融為一體，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器的一體化封裝，減少了系統(tǒng)組件數(shù)量，有效降低了光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)難度，從而使得整體體積相比之前有了很大下降。

本發(fā)明采用下面的技術(shù)方案：

一種基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型成像光譜儀，包括成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電學(xué)系統(tǒng)；

所述成像光學(xué)模塊將攜帶有成像光譜信號(hào)的入射光聚焦到光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊表面，光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊具有光纖光學(xué)波導(dǎo)，用于傳播成像光譜信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)發(fā)送至電學(xué)系統(tǒng)，電學(xué)系統(tǒng)用于對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行獲取、采樣、緩存、傳輸、與上位機(jī)通信，同時(shí)對(duì)所述光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。

進(jìn)一步的，所述光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊包括漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)和探測(cè)器陣列；漸變?yōu)V光片薄膜與探測(cè)器陣列之間采用光纖光學(xué)波導(dǎo)耦合，所述漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)、探測(cè)器陣列通過光學(xué)粘合劑封裝為一體。

進(jìn)一步的，所述成像光學(xué)模塊包括雙高斯透鏡，用于將入射光轉(zhuǎn)換為設(shè)定光束類型，并聚焦到漸變?yōu)V光片薄膜表面。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)粘合劑采用光學(xué)樹脂。

進(jìn)一步的，所述光學(xué)粘合劑的折射率分別與漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)的纖芯折射率相匹配。

進(jìn)一步的，所述漸變?yōu)V光片薄膜在為10mm寬*10mm長(zhǎng)以下。

進(jìn)一步的，所述電學(xué)系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理模塊、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、a/d轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)序控制模塊和接口模塊；

所述信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)探測(cè)器陣列發(fā)送模擬信號(hào)進(jìn)行噪聲抑制、增益調(diào)整，用于改善所述電信號(hào)的質(zhì)量；

所述探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路用于提供探測(cè)器陣列處于工作狀態(tài)時(shí)所選的時(shí)序、邏輯控制命令；

所述a/d轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)所述探測(cè)器陣列輸出的信號(hào)進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換工作，輸出數(shù)字信號(hào)；

所述時(shí)序控制模塊分別與探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、a/d轉(zhuǎn)換模塊相連，用于提供時(shí)序脈沖信號(hào)；

所述接口模塊用于與上位機(jī)通信，將所述光譜信號(hào)上傳。

進(jìn)一步的，所述電學(xué)系統(tǒng)還包括乒乓緩存陣列，乒乓緩存陣列一端連接所述時(shí)序控制模塊，另一端連接上位機(jī)。

進(jìn)一步的，所述探測(cè)器陣列為線陣探測(cè)器。

進(jìn)一步的，還包括電源接口，電源接口與外部電源連接。

進(jìn)一步的，還包括時(shí)序/邏輯控制模塊，時(shí)序/邏輯控制模塊與成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電學(xué)系統(tǒng)連接，用于提供所述輕型成像光譜儀所需的時(shí)序和邏輯控制信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明解決了傳統(tǒng)的由相機(jī)和光譜儀組成的光譜成像儀的體積大、需要復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的問題，將光譜儀和成像系統(tǒng)融為一體，核心的光譜分光與成像模塊與探測(cè)器陣列采用一體化封裝模塊；減少了系統(tǒng)組件數(shù)量，有效降低了光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)難度，從而使得整體體積相比之前有了很大下降；

2.本發(fā)明的成像光譜儀可以實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量獲取目標(biāo)的一維空間圖像信息和一維光譜信息，依靠載具或轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)成像光譜儀運(yùn)動(dòng)獲取另一維空間圖像信息，然后經(jīng)系列處理，獲取目標(biāo)的成像光譜數(shù)據(jù)；

3.本發(fā)明中的漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)成像波導(dǎo)、探測(cè)器陣列三者使用光學(xué)樹脂粘合，封裝成一個(gè)整體模塊。這將簡(jiǎn)化光譜分光和光譜成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可顯著提高入射光耦合能力、減小傳統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)存在的畸變及消除光譜串?dāng)_，降低光學(xué)裝調(diào)難度，可極大縮小封裝尺寸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型成像光譜儀原理框圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例為一種基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型成像光譜儀，該種光譜儀憑借高度集成化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高光譜成像儀器的輕質(zhì)量、小型化特點(diǎn)。

基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型成像光譜儀主要成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電學(xué)系統(tǒng)、電源接口、時(shí)序/邏輯控制模塊組成，其尺寸不大于60*60*140mm，重量不超過400g，測(cè)量波段范圍為1100nm~2100nm。

本系統(tǒng)無任何運(yùn)動(dòng)部件，單次測(cè)量可獲取目標(biāo)的一維空間圖像信息和一維光譜信息，依靠載具或轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)成像光譜儀運(yùn)動(dòng)獲取另一維空間圖像信息，然后經(jīng)系列處理，獲取目標(biāo)的成像光譜數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例給出的輕型成像光譜儀經(jīng)usb接口與基于電腦等的上位機(jī)軟件通信，完成成像光譜儀的控制命令、獲取成像光譜數(shù)據(jù)等的傳輸。獲取的成像光譜數(shù)據(jù)等在上位機(jī)軟件控制下，經(jīng)usb接口上傳至電腦等設(shè)備后，進(jìn)行后續(xù)處理與分析。

下面對(duì)該成像光譜儀的組件進(jìn)行詳細(xì)介紹：

1.成像光學(xué)模塊采用雙高斯透鏡設(shè)計(jì)，與用于可見近紅外相機(jī)的商用鏡頭的典型特性一致。它主要用于將入射光聚焦到光纖面板的漸變?yōu)V光片薄膜表面，并將入射光轉(zhuǎn)換為光纖光學(xué)光譜成像所需的光束類型。

2.光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊主要由漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)、光學(xué)粘合劑、探測(cè)器陣列等組成；

①漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)成像波導(dǎo)、探測(cè)器陣列三者使用光學(xué)樹脂粘合，封裝成一個(gè)整體模塊。這將簡(jiǎn)化光譜分光和光譜成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可顯著提高入射光耦合能力、減小傳統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)存在的畸變及消除光譜串?dāng)_，降低光學(xué)裝調(diào)難度，可極大縮小封裝尺寸；

②漸變?yōu)V光片薄膜采用光學(xué)樹脂直接粘合在光纖光學(xué)成像波導(dǎo)上，形成一體化模塊，可簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效降低光譜串?dāng)_，改善光譜分光和光譜成像的光學(xué)質(zhì)量；

③成像光譜儀的光譜分光是由安裝在光纖光學(xué)成像波導(dǎo)上的漸變?yōu)V光片薄膜實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明所用漸變?yōu)V光片采用viavisolutions0公司商業(yè)貨架產(chǎn)品，因?yàn)樗峁?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的商用高分辨率近紅外漸變?yōu)V光片產(chǎn)品，可極大降低儀器成本。本發(fā)明中，漸變?yōu)V光片直接決定了成像光譜儀的光譜分辨率和工作波段。本發(fā)明所用漸變?yōu)V光片薄膜尺寸為10mm（寬）*10mm長(zhǎng)，濾波器長(zhǎng)度方向的通道中心波長(zhǎng)變化率為100nm/mm，波段為1100nm~2200nm；

④光纖光學(xué)成像波導(dǎo)是粘合很多根光纖形成的光纖束，可將圖像等信息準(zhǔn)直的從一端傳輸?shù)搅硪欢?，具備極高的光學(xué)傳輸效率，光纖芯被可吸收雜散光的光纖覆蓋層和ema包裹，可改善圖像傳輸質(zhì)量。本發(fā)明的成像光譜儀選用hollowopticalfiber生產(chǎn)的芯直徑為320um的近紅外波段的光纖束，在本發(fā)明成像光譜儀工作的波段具有良好的工作性能，本發(fā)明所用光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的表面積為12mm*12mm，厚度為2mm，選擇這一尺寸可滿足10mm*10mm漸變?yōu)V光片薄膜的薄膜匹配要求；

⑤光學(xué)粘合劑主要用于將漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)、探測(cè)器陣列粘合為一個(gè)整體模塊。他們之間合理的粘合厚度為5~25um。選擇光學(xué)粘合劑時(shí)，應(yīng)使其與漸變?yōu)V光片薄膜和光纖光學(xué)成像波導(dǎo)纖芯的折射系數(shù)匹配，良好的系數(shù)匹配有助于降低粘合處的反射。本發(fā)明所用光學(xué)粘合劑為epoxytechnology的epo-tek320-3光學(xué)樹脂。該粘合劑在25um粘合厚度時(shí)，1.1~2.5um波段的光學(xué)透過率接近96%；

⑥探測(cè)器陣列主要用于將入射的成像光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本發(fā)明的成像光譜儀選用e2v的電子增強(qiáng)型ingaas面陣探測(cè)器，它是13um象元大小的1024*1024象元線陣，探測(cè)器成像面積為13.3*13.3um，滿足12um*12um光纖面板的需求，可提供較高的量子效率以及低探測(cè)噪聲，選用電子增強(qiáng)型面陣探測(cè)器可有效改善弱光學(xué)信號(hào)時(shí)的探測(cè)能力，所用探測(cè)器象元尺寸為光纖光學(xué)成像波導(dǎo)纖芯直徑的倍數(shù)以使空間效應(yīng)最?。?/p>

3.電學(xué)系統(tǒng)主要包括信號(hào)調(diào)理模塊、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、a/d轉(zhuǎn)換模塊、乒乓緩存陣列、時(shí)序控制模塊、usb接口模塊等。負(fù)責(zé)完成探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)獲取與采樣、數(shù)據(jù)緩存與傳輸、與上位機(jī)通信、成像光譜儀工作控制等。

①信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對(duì)面陣探測(cè)器輸出模擬信號(hào)進(jìn)行噪聲抑制、增益調(diào)整等預(yù)處理，以改善獲取信號(hào)質(zhì)量，為數(shù)據(jù)采集提供最好的模擬信號(hào)；

②探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)提供面陣探測(cè)器工作所需的時(shí)序、邏輯等控制命令，該模塊基于fpga器件實(shí)現(xiàn)；

③a/d轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)完成面陣探測(cè)器輸出信號(hào)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換工作，輸出數(shù)字信號(hào)；

④引入乒乓緩存陣列設(shè)計(jì)，是考慮到對(duì)獲取的近紅外成像光譜數(shù)據(jù)采樣率和采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的速率之間的異步操作，可改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，該模塊基于fpga和sram實(shí)現(xiàn)；

⑤時(shí)序控制模塊負(fù)責(zé)為面陣探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、a/d轉(zhuǎn)換、乒乓緩存陣列等提供必須的時(shí)序脈沖信號(hào)；

⑥usb接口模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、獲取的近紅外成像光譜數(shù)據(jù)上傳等；

6.電源接口負(fù)責(zé)與外部電源連接，為本發(fā)明的成像光譜儀提供工作所需的電源；

7.時(shí)序/邏輯控制模塊主要負(fù)責(zé)提供本發(fā)明的成像光譜儀工作所需的時(shí)序和邏輯控制信號(hào)，該模塊基于fpga器件實(shí)現(xiàn)。

時(shí)序/邏輯控制模塊與成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電學(xué)系統(tǒng)連接，用于提供所述輕型成像光譜儀所需的時(shí)序和邏輯控制信號(hào)。

綜合上述對(duì)實(shí)施例的描述，最終設(shè)計(jì)完成的整機(jī)重量不大于400g；光譜范圍為1100~2100nm；光譜分辨率優(yōu)于1.5nm；整機(jī)尺寸不大于60*60*140mm。

本發(fā)明無任何運(yùn)動(dòng)部件，核心的光譜分光與成像模塊與探測(cè)器陣列采用一體化封裝模塊；即漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)成像波導(dǎo)、探測(cè)器陣列三者使用光學(xué)樹脂粘合，封裝成一個(gè)整體模塊。這將簡(jiǎn)化光譜分光和光譜成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可顯著提高入射光耦合能力、減小傳統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)存在的畸變及消除光譜串?dāng)_，降低光學(xué)裝調(diào)難度，可極大縮小封裝尺寸。

另外，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量獲取目標(biāo)的一維空間圖像信息和一維光譜信息，依靠載具或轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)成像光譜儀運(yùn)動(dòng)獲取另一維空間圖像信息，然后經(jīng)系列處理，獲取目標(biāo)的成像光譜數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)輕型的成像光譜測(cè)量?jī)x器，具有極高的探測(cè)靈敏度和較為完善的評(píng)價(jià)體系。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。