專利名稱：便攜式地物光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地物光譜儀領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式地物光譜儀。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，快速、無(wú)損、經(jīng)濟(jì)的光譜技術(shù)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、 遙感、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。遙感領(lǐng)域，野外礦物元素檢測(cè)分析等領(lǐng)域需要一種攜帶 方便、精度高、無(wú)損以及可野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的光譜儀器。地物光譜儀以自然光為光源，采用光 柵分光器件作為色散元件，對(duì)稱式Czerny-Turner光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的體 積。目前地物光譜儀主要采用光纖探頭收集反射光譜，反射光進(jìn)入一個(gè)狹縫，然后經(jīng)過(guò)準(zhǔn) 直、光柵分光再聚焦到檢測(cè)器件上。美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的Fieldspe系列、SVC HR-1024系 列地物光譜儀，都有著相對(duì)小巧的體積，方便攜帶，該類光譜儀通過(guò)將光譜儀設(shè)備放在背包 里，通過(guò)光纖探頭能方便、有效的對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。目前用于野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的地物光譜儀，可以把光譜儀放到背包里或支架上，通過(guò) 光纖探頭，來(lái)探測(cè)目標(biāo)區(qū)域，因此在遙感、野外礦物元素測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用。但是 整個(gè)儀器體積依然采用傳統(tǒng)的光柵分光系統(tǒng)，光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件繁多、因此體積難以進(jìn)一 步減小，這類光譜儀價(jià)格仍比較昂貴、并且使用光纖探頭進(jìn)行光譜采集，光纖來(lái)回彎折容易 損傷，維護(hù)成本高也較高。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是減小地物光譜儀的體積，使其使用更加方便，降低維護(hù)成本，并同 時(shí)保持地物光譜儀的高分辨率。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種便攜式地物光譜儀，包括前置光學(xué)模塊，用于收集目標(biāo)反射光，對(duì)收集到的光進(jìn)行準(zhǔn)直，并輸出準(zhǔn)直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變?yōu)V光片、光電轉(zhuǎn)換器以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，所述 線性漸變?yōu)V光片對(duì)所述前置光學(xué)模塊輸出的準(zhǔn)直的光進(jìn)行分光，所述光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路控 制所述光電轉(zhuǎn)換器采集經(jīng)所述線性漸變?yōu)V光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數(shù)據(jù)；處理模塊，與所述分光成像模塊連接，對(duì)所述光電轉(zhuǎn)換器采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理以及顯示； 控制模塊，用于向所述處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)。其中，還包括置于所述前置光學(xué)模塊和所述分光成像模塊之間的反射鏡，所述反 射鏡將從所述前置光學(xué)模塊輸出的準(zhǔn)置的光的傳播方向改變90度后入射至所述分光成像 模塊。其中，所述前置光學(xué)模塊還包括CS接口。其中，所述線性漸變?yōu)V光片與所述光電轉(zhuǎn)換器光學(xué)膠合。
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其中，所述線性漸變?yōu)V波片的端面面積與所述光電轉(zhuǎn)換器的窗口面積一致，兩者 之間的距離是2. 1mm。其中，所述處理模塊包括信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集單元以及電源單元，所述信號(hào) 調(diào)理單元將輸入的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理后輸出到數(shù)據(jù)采集單元，所述電源單元向所述調(diào)理單 元供電。其中，還包括上位機(jī)模塊，其與所述處理模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，用于進(jìn) 行光譜數(shù)據(jù)的分析。其中，所述光電轉(zhuǎn)換器是CCD檢測(cè)器、PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像探測(cè)器 陣列或InGaAs線性成像探測(cè)器陣列中的任意一種。其中，所述線性漸變?yōu)V光片的光譜范圍為380-1 lOOnm。(三)有益效果本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)在分光成像模塊中使用線性漸變?yōu)V光 片作為色散元件，使得地物光譜儀的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更加小巧，更加結(jié)實(shí)耐用；通過(guò)在 前置光學(xué)模塊和分光成像模塊之間加入反射鏡，進(jìn)一步縮小了地物光譜儀的體積；通過(guò)前 置光學(xué)模塊采用CS接口，可以根據(jù)用戶的需要更換鏡頭，摒棄傳統(tǒng)地物光譜儀所使用的光 纖探頭，降低了光纖探頭易損傷帶來(lái)的維護(hù)成本；通過(guò)精確控制線性漸變?yōu)V光片與檢測(cè)器 之間的距離，提高了光譜儀的光學(xué)分辨率。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的地物光譜儀的示意圖；圖2為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的加入反射鏡的地物光譜儀的一部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示為本發(fā)明的地物光譜儀的示意圖，包括前置光學(xué)模塊1、分光成像模塊 2、處理模塊3、控制模塊4。其中，前置光學(xué)模塊1，在其前端置有非光纖探頭，用于將收集目標(biāo)漫反射光，對(duì) 收集到的光進(jìn)行準(zhǔn)直，并將準(zhǔn)直的光輸出；分光成像模塊2包括線性漸變?yōu)V光片6 (LVF， linear variable filter)、(XD檢測(cè)器7以及C⑶驅(qū)動(dòng)電路8，所述線性漸變?yōu)V光片6對(duì)所 述前置光學(xué)模塊1輸出的準(zhǔn)直的光進(jìn)行分光，CCD驅(qū)動(dòng)電路8控制所述CCD檢測(cè)器7采集 經(jīng)線性漸變?yōu)V光片6分光后的光譜，并輸出采集的光譜數(shù)據(jù)；處理模塊3通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線 與分光成像模塊2連接，從而對(duì)CCD檢測(cè)器7采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析及顯示；控制 模塊4嵌入處理模塊3，用于向處理模塊3和CXD驅(qū)動(dòng)電路8發(fā)送控制信號(hào)，從而進(jìn)行光譜 數(shù)據(jù)處理和光譜的顯示。優(yōu)選地，本實(shí)施例還可以包括上位機(jī)模塊5，其與處理模塊3通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線進(jìn) 行通信，從而進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的分析。在本實(shí)施例中，前置光學(xué)模塊1包含置于非光纖探頭之后的物鏡和準(zhǔn)直鏡并采用 標(biāo)準(zhǔn)的CS接口，通過(guò)CS接口將準(zhǔn)直后的入射光輸出到分光成像模塊2中，由于采用了 CS
4接口，配備多個(gè)不同焦距、視場(chǎng)角的定焦鏡頭，根據(jù)拍攝距離和環(huán)境的差異，可以選取不同 類型的鏡頭，增強(qiáng)了儀器操作的簡(jiǎn)便性。在本實(shí)施例中，分光成像模塊2中的LVF 6為光色散元件，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)色散 元件光柵、棱鏡等，使得地物光譜儀的體積更為小巧、輕便。通常線性漸變?yōu)V光片LVF 6 只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的光譜起分光透射作用，其光譜范圍可以是380-1100nm，本實(shí)例采用 JDSU620-10803(C)型線性濾光片，其工作范圍為620-1 lOOnm。分光成像模塊2中的CCD檢測(cè)器件7為線性陣列，一次可同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，波長(zhǎng)響 應(yīng)與線性漸變?yōu)V光片6分光波段范圍匹配良好，并具備高信噪比、高讀出速率、高靈敏度及 能適應(yīng)野外變化莫測(cè)的環(huán)境干擾，CCD檢測(cè)器可以采用PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像 探測(cè)器陣列或InGaAs線性成像探測(cè)器陣列中的任意一種替代，并采用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。本 實(shí)施例采用日本濱松公司的S8377-256Q線陣CMOS檢測(cè)器件及其驅(qū)動(dòng)C9001。優(yōu)選地，LVF6與CXD檢測(cè)器件7采用光學(xué)膠合工藝進(jìn)行連接，LVF6的端面面積與 C⑶檢測(cè)器的窗口面積基本一致，兩者的距離為2. 1mm，從而使從LVF6輸出的光可以高效地 耦合入CXD檢測(cè)器7，從而提高了地物光譜儀的分辨率。CXD驅(qū)動(dòng)電路8與處理模塊3通過(guò) 內(nèi)部數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，控制模塊4通過(guò)控制處理模塊3發(fā)出指令使CCD驅(qū)動(dòng)電路8工作，從 而驅(qū)動(dòng)CCD檢測(cè)器7進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明的實(shí)施例中的處理模塊3包括信號(hào)調(diào)理單元9、數(shù)據(jù)采集單元10、液晶顯示 單元(未示出)、電源單元11，其中信號(hào)調(diào)理單元9包含信號(hào)放大、濾波電路，和AD轉(zhuǎn)換功 能電路，數(shù)據(jù)采集單元10對(duì)調(diào)理電路輸出的信號(hào)進(jìn)行采集，從而完成分光成像模塊2的輸 出信號(hào)的處理。通過(guò)電源單元11包括的電池組以及穩(wěn)定電壓電路，為處理模塊3的其它單 元(例如，液晶顯示單元和數(shù)據(jù)采集單元11)以及CCD驅(qū)動(dòng)電路8等提供所需的直流工作 電壓。本實(shí)施例的控制模塊4，包含數(shù)據(jù)分析界面顯示單元12、控制系統(tǒng)單元13，通過(guò)將 控制模塊4嵌入處理模塊3，對(duì)硬件系統(tǒng)發(fā)出工作指令完成各部分的工作，包括數(shù)據(jù)采集， 積分時(shí)間控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)指令操作。根據(jù)不同的野外環(huán)境，通過(guò)控制模塊4控制進(jìn)行不同模式上的拍攝，根據(jù)不同模 式下各波段所需的積分時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，再嵌入到處理模塊4當(dāng)中，從而在實(shí)際野外作 業(yè)時(shí)，選擇合適的工作模式進(jìn)行光譜采集。如圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施例的工作原理是以太陽(yáng)光為光源，目標(biāo)經(jīng)過(guò)陽(yáng)光的 照射產(chǎn)生的漫反射，經(jīng)過(guò)本發(fā)明的前置光學(xué)模塊1收集、準(zhǔn)直后到達(dá)LVF6進(jìn)行分光，在處理 模塊3的數(shù)據(jù)采集單元10的采集信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下CCD檢測(cè)器件7開(kāi)始工作，根據(jù)環(huán)境自動(dòng)計(jì) 算出CCD的積分時(shí)間并對(duì)LVF濾光后的光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到收到停止采集信號(hào)指令為 止，采集到的信號(hào)通過(guò)處理模塊3進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換，從而將光譜圖形實(shí)時(shí)顯示 在液晶顯示單元上，并進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、發(fā)送等相關(guān)的操作，并通過(guò)USB數(shù)據(jù)總 線將處理模塊3與上位機(jī)5進(jìn)行通信，讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的后期分析處理。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示，在前置光學(xué)模塊1和分光成像模塊2 之間置有反射鏡15，目標(biāo)物體14經(jīng)過(guò)陽(yáng)光的光照產(chǎn)生漫反射，通過(guò)前置光學(xué)系統(tǒng)1中的非 光纖探頭和物鏡收集、并經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光束，準(zhǔn)直后的光束通過(guò)反射鏡15(反射 鏡15被膠合成與前置光學(xué)模塊2中的鏡筒成45° )，從而將前置光學(xué)系統(tǒng)1的輸出光轉(zhuǎn)折
590°，經(jīng)過(guò)反射后的光進(jìn)入分光成像模塊2，通過(guò)本發(fā)明的LVF6將光束分為各種波長(zhǎng)的單 色光，CCD檢測(cè)器7在CCD驅(qū)動(dòng)電路8的驅(qū)動(dòng)下完成對(duì)光譜的采集，采集后的光譜經(jīng)過(guò)處理 模塊3、控制模塊4，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，根據(jù)環(huán)境自動(dòng)切換或手動(dòng)切換儀器的工作模式并且光 譜曲線圖實(shí)時(shí)顯示在處理的液晶顯示單元上。 以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái) 說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種便攜式地物光譜儀，其特征在于，包括前置光學(xué)模塊，用于收集目標(biāo)反射光，對(duì)收集到的光進(jìn)行準(zhǔn)直，并輸出準(zhǔn)直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變?yōu)V光片、光電轉(zhuǎn)換器以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，所述線性漸變?yōu)V光片對(duì)所述前置光學(xué)模塊輸出的準(zhǔn)直的光進(jìn)行分光，所述光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路控制所述光電轉(zhuǎn)換器采集經(jīng)所述線性漸變?yōu)V光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數(shù)據(jù)；處理模塊，與所述分光成像模塊連接，對(duì)所述光電轉(zhuǎn)換器采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及顯示；控制模塊，用于向所述處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，還包括置于所述前置光學(xué)模 塊和所述分光成像模塊之間的反射鏡，所述反射鏡將從所述前置光學(xué)模塊輸出的準(zhǔn)置的光 的傳播方向改變90度后入射至所述分光成像模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述前置光學(xué)模塊還包括CS 接口。
4.如權(quán)利要求3所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變?yōu)V光片與所述 光電轉(zhuǎn)換器光學(xué)膠合。
5.如權(quán)利要求4所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變?yōu)V波片的端面 面積與所述光電轉(zhuǎn)換器的窗口面積一致，兩者之間的距離是2. 1mm。
6.如權(quán)利要求5所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述處理模塊包括信號(hào)調(diào)理 單元、數(shù)據(jù)采集單元以及電源單元，所述信號(hào)調(diào)理單元將輸入的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理后輸出 到數(shù)據(jù)采集單元，所述電源單元向所述調(diào)理單元供電。
7.如權(quán)利要求6所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，還包括上位機(jī)模塊，其與所述 處理模塊通過(guò)USB數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，用于進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的分析。
8.如權(quán)利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換器是CCD檢測(cè) 器、PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像探測(cè)器陣列或InGaAs線性成像探測(cè)器陣列中的任 意一種。
9.如權(quán)利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變?yōu)V光片的光譜 范圍為 380-1100nm。全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種便攜式地物光譜儀，包括前置光學(xué)模塊，用于收集目標(biāo)反射光，對(duì)收集到的光進(jìn)行準(zhǔn)直，并輸出準(zhǔn)直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變?yōu)V光片、光電轉(zhuǎn)換器以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，線性漸變?yōu)V光片對(duì)前置光學(xué)模塊輸出的準(zhǔn)直的光進(jìn)行分光，光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路控制光電轉(zhuǎn)換器采集經(jīng)線性漸變?yōu)V光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數(shù)據(jù)；處理模塊，與分光成像模塊連接，對(duì)光電轉(zhuǎn)換器采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及顯示；控制模塊，用于向處理模塊以及光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)。本發(fā)明的系統(tǒng)可操作性和可靠性強(qiáng)，靈敏度高。本發(fā)明的地物光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，便于攜帶和使用。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101915615SQ201010228140
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者侯瑞鋒, 朱大洲, 王成, 王紀(jì)華, 陳泉 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心