專利名稱：一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜儀的光譜分析及成像技術(shù)，尤其涉及一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法。
背景技術(shù)：
光譜儀是對物質(zhì)的光譜重要特征進(jìn)行精密分析的裝置，也是分析物質(zhì)組成成分及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具。近幾年來，光譜儀的小型化發(fā)展十分迅速，目前已報道了多種小型化光譜儀，如基于新型濾波技術(shù)的光譜儀、微加工光柵光譜儀、光纖光譜儀等等，但在傳統(tǒng)的棱鏡或光柵光譜儀器中，往往存在一個偏轉(zhuǎn)角問題，即入射光束和出射光譜不在同一條軸線上。這樣的系統(tǒng)屬于典型的離軸光學(xué)系統(tǒng)，存在著結(jié)構(gòu)體積大、裝調(diào)困難、穩(wěn)定性差等缺陷。與傳統(tǒng)的光譜儀器相比，小型化光譜儀在工作原理上大致相同，但是需要解決小型化和集成化的問題，當(dāng)前光譜儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的主要途徑是通過集成加工，僅利用一個或較少的小型化的元件來實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化。但是這種小型化光譜儀設(shè)計方式存在著制造成本高、加工工藝復(fù)雜、光譜儀器性能較差等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的主要問題是如何以比較簡易的制造工藝，在較低的制造成本和調(diào)節(jié)難度的條件下，減小光譜儀結(jié)構(gòu)的體積，設(shè)計出一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法，實現(xiàn)較高光譜分辨性能的光譜采集。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明提出一種緊湊型光譜采集裝置，包括光纖、光纖準(zhǔn)直器、棱柵、第一套筒、第二套筒、第三套筒、聚焦透鏡組、驅(qū)動信號電纜、數(shù)據(jù)傳輸線纜、第一固定旋鈕、第二固定旋鈕、線陣電荷耦合器件CCD ；
其中所述第三套筒為一端開口、橫向放置的U型套筒，所述線陣電荷耦合器件CCD設(shè)置在第三套筒中與其開口端相對的底邊上；
所述第二套筒由分別與第三套筒的上下平行的兩個側(cè)壁的內(nèi)側(cè)緊貼、相對設(shè)置的第一基板、第二基板組成，其中所述第一基板、第二基板的一端伸出第三套筒的開口端，所述第一、第二基板的另一端與所述第三套筒的底邊保持一定距離，不與所述線陣電荷耦合器件CXD接觸；第一基板通過第二固定旋鈕與第三套筒的上側(cè)壁的開口端固定，在所述第一基板、第二基板的內(nèi)壁上分別設(shè)置有凸出部，所述凸出部將第二套筒分割成第一腔體、第二腔體；
所述第一套筒由分別與第一基板、第二基板上位于第一腔體內(nèi)的內(nèi)壁緊貼、相對設(shè)置的第三基板、第四基板組成；其中第三基板通過第一固定旋鈕與第一基板的一端固定；
所述光纖準(zhǔn)直器設(shè)置在第一套筒中遠(yuǎn)離第二腔體的一端；所述棱柵設(shè)置在第一套筒中靠近第二腔體的一端，與光纖準(zhǔn)直器保持一定距離；所述聚焦透鏡組設(shè)置在第二腔體內(nèi)；所述光纖連接在光纖準(zhǔn)直器上；
所述驅(qū)動信號電纜的一端、數(shù)據(jù)傳輸線纜的一端分別穿過所述第三套筒的底邊與線陣電荷耦合器件CCD相連接，所述驅(qū)動信號電纜的另一端、數(shù)據(jù)傳輸線纜的另一端與外部上位計算機(jī)相連接。作為本發(fā)明的一種緊湊型光譜采集裝置的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述聚焦透鏡組采用經(jīng)過改進(jìn)的柯克三片式透鏡組，包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡；
其中所述第一透鏡的一側(cè)上下兩端分別與所述第一、第二基板上的凸出部卡接，所述第一透鏡的另一側(cè)和第二透鏡的一側(cè)膠合在一起，所述第三透鏡的兩端分別采用固定環(huán)與第二透鏡的另一側(cè)、第四透鏡的一側(cè)的上下兩端連接，所述第四透鏡的另一側(cè)和第五透鏡的一側(cè)膠合在一起，所述第五透鏡的另一側(cè)的上下兩端分別采用固定環(huán)與第一、第二基板的內(nèi)壁連接。作為本發(fā)明的一種緊湊型光譜采集裝置的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述棱柵由第一棱鏡、光柵基片、光柵、光柵保護(hù)玻璃、第二棱鏡組成；其中，所述光柵基片、光柵保護(hù)玻璃分別設(shè)置在光柵的兩側(cè)，所述第一棱鏡和光柵基片膠合在一起，所述第二棱鏡和光柵保護(hù)玻璃膠合在一起。作為本發(fā)明的一種緊湊型光譜采集裝置的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述線陣電荷耦合器件CXD采用法國Atmel公司生產(chǎn)的Aviiva SM2型線陣電荷耦合器件(XD。本發(fā)明為解決技術(shù)問題還提出一種緊湊型光譜采集裝置的光譜采集方法，包括以下步驟
步驟1，將被測入射光束依次經(jīng)過光纖、光纖準(zhǔn)直器成為準(zhǔn)直平行的空間光；
步驟2，將步驟I所述的準(zhǔn)直平行的空間光入射棱柵發(fā)生色散形成出射光譜；通過第一旋鈕調(diào)節(jié)第二套筒和第一套筒之間的相對位置使得聚焦透鏡組的入射光譜的反向延長線會聚于該聚焦透鏡組的物方焦平面上，使得所述出射光譜入射到聚焦透鏡組進(jìn)行聚焦；步驟3，通過第二旋鈕調(diào)節(jié)第三套筒和第二套筒之間的相對位置，使得聚焦透鏡組出射的各個光譜分量精確聚焦于線陣電荷耦合器件CCD的光敏面上；采用線陣電荷耦合器件CXD接收從聚焦透鏡組出射的光譜，將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；
步驟4，所述電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線纜傳輸?shù)酵獠可衔挥嬎銠C(jī)，完成光譜采集。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.通過采用基于棱柵的分光光路，使出射光譜中心波長光的主光線與入射光束的主光線同處在聚焦透鏡組的光軸上，實現(xiàn)光譜采集系統(tǒng)各個部件的共軸安置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于攜帶等優(yōu)點。2.通過采用三層套筒的結(jié)構(gòu)，第一套筒、第二套筒和第三套筒之間可以進(jìn)行相對調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)第二套筒使得聚焦透鏡組的入射光譜的反向延長線會聚于該透鏡組的物方焦平面上，調(diào)節(jié)第三套筒使得各個光譜成分精確聚焦于線陣CCD的光敏面上，從而實現(xiàn)對各個光譜成分的精確對焦，提高光譜采集系統(tǒng)的性能。3.通過將緊湊型光譜采集系統(tǒng)中的各個部件共軸安置于封閉的套筒內(nèi)，避免了內(nèi)部的各個部件因受到外界震動干擾而可能發(fā)生的位置偏移或損壞，而且分光光路封裝在密閉的套筒內(nèi)，防止了雜散光入射形成的干擾信號，這種光譜儀設(shè)計結(jié)構(gòu)具有提高光路穩(wěn)定性、消除雜散光干擾、延長器件使用壽命等固有優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法的棱柵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明
如圖1所示所述的棱柵3的示意圖，包括第一棱鏡20、光柵基片21、光柵22、光柵保護(hù)玻璃23、第二棱鏡24組成。其中第一棱鏡20和光柵基片21膠合在一起，光柵保護(hù)玻璃23和第二棱鏡24膠合在一起，在棱柵3中，由第一棱鏡20、光柵基片21、光柵22、光柵保護(hù)玻璃23和第二棱鏡24組成一個整體。第一棱鏡20和第二棱鏡24選擇在緊湊型光譜采集裝置工作波段內(nèi)無色散的玻璃材料，從而保證對入射光束和出射光譜僅起到折轉(zhuǎn)光路的作用。光柵基片21和光柵保護(hù)玻璃23采用與第一棱鏡20和第二棱鏡24相同材料的玻璃，并且起到承接光柵、保護(hù)前后器件的作用。根據(jù)不同波長取適當(dāng)角度的棱鏡對，使得入射光線經(jīng)折射、色散、二次折射的過程，出射的光譜中心波長光的主光線與入射光的主光線同處在聚焦透鏡組的光軸上，從而實現(xiàn)該緊湊型光譜采集系統(tǒng)中的各個部件的共軸安置。例如，探測的光譜中心波長為580nm，且棱柵3中的光柵22具有1000線對每毫米的刻線密度，并設(shè)第一棱鏡20和第二棱鏡24的折射率為1. 5，通過選取底角為45度的第一棱鏡20和第二棱鏡24，則可使被測入射光束經(jīng)第一棱鏡20折射后入射到棱柵3發(fā)生色散，并且入射角與出射光譜中心波長光的主光線的出射角相等，光譜經(jīng)第二棱鏡2次折射，使得出射棱柵3的出射光譜中心波長光的主光線與入射光的主光線同處在聚焦透鏡組的光軸上，從而實現(xiàn)該緊湊型光譜采集系統(tǒng)中的各個部件的共軸安置。如圖2所示一種緊湊型光譜采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括光纖1、光纖準(zhǔn)直器2、棱柵
3、第一套筒4、第二套筒5、第三套筒6、聚焦透鏡組7、驅(qū)動信號電纜8、數(shù)據(jù)傳輸線纜9、第一固定旋鈕10、第二固定旋鈕11、線陣電荷耦合器件(XD12、第一透鏡13、第二透鏡14、第三透鏡15、第四透鏡16、第五透鏡17、3個固定環(huán)18、凸出部19 ；
第三套筒6套在第二套筒5外，第三套筒6的內(nèi)壁一端與第二套筒5外壁緊密滑動連接，通過第二固定旋鈕11固定第二套筒5與第三套筒6之間的相對位置；第二套筒5套在第一套筒4外，第二套筒5的內(nèi)壁一端與第一套筒4外壁緊密滑動連接，通過第一固定旋鈕10固定第一套筒4與第二套筒5之間的相對的位置。第一套筒4、第二套筒5和第三套筒6之間可以進(jìn)行相對調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各個光譜分量的精確對焦，調(diào)節(jié)第二套筒5使得聚焦透鏡組的入射光譜的反向延長線會聚于該透鏡組7的物方焦平面上，調(diào)節(jié)第三套筒6使各個光譜分量精確線陣電荷耦合器件CCD12的光敏面上。在第二套筒5的內(nèi)壁螺紋起始處加工出一個凸出19，用于固定第一透鏡5在套筒中的位置，第三套筒6內(nèi)的線陣電荷耦合器件CCD12外裝有保護(hù)片，使得三個套筒在相對運(yùn)動的調(diào)焦過程中不會損傷套筒中的各個光學(xué)器件。第一套筒4內(nèi)側(cè)的一端固定光纖準(zhǔn)直器2,另一端固定棱柵3,光纖準(zhǔn)直器2與光纖I連接，被測的入射光束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器2準(zhǔn)直后入射到棱柵3發(fā)生色散，形成的出射光譜入射到聚焦透鏡組7進(jìn)行聚焦。第二套筒5 —端設(shè)置有聚焦透鏡組7，采用經(jīng)過改進(jìn)的柯克三片式透鏡組，柯克三片式透鏡組可通過八個設(shè)計變量，控制或優(yōu)化系統(tǒng)的球差、彗差、像散、軸向色差、畸變、場曲參數(shù)等像差并控制焦距，對于所選擇的相對孔徑和焦距，各種像差之間可以得到很好的平衡，尤其是三級像差；而經(jīng)過改進(jìn)的柯克透鏡組的變型，其膠合面可用來改善高級彗差、像散和軸外球差，所述聚焦透鏡組7包括第一透鏡13、第二透鏡14、第三透鏡15、第四透鏡16、第五透鏡17、3個固定環(huán)18，第一透鏡13和第二透鏡14膠合在一起，第四透鏡16和第五透鏡17膠合在一起。在第二套筒5內(nèi)壁的一端有螺紋，三個固定環(huán)的外側(cè)壁均有與第二套筒5內(nèi)壁螺紋相契合的螺紋，可依次旋入第二套筒13內(nèi)，透鏡安置在第二套筒15內(nèi)部有螺紋的一端，并通過固定環(huán)按圖2所示依次將各個透鏡夾住固定。從聚焦透鏡組出射的光譜被線陣電荷耦合器件CCD12接收，使光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)線纜9傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行采集。典型的線陣CCD參數(shù)可參考法國Atmel公司生產(chǎn)的線陣CXD (Aviiva SM2)。與傳統(tǒng)的攝像器件相比，線陣(XD15具有光譜響應(yīng)寬、線性好、動態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實時傳輸和電荷自掃描等多方面的優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于遙感成像、衛(wèi)星監(jiān)測、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。驅(qū)動信號電纜8用于向線陣電荷率禹合器件CCD12傳輸驅(qū)動信號。本發(fā)明還提供一種光譜采集方法，其步驟包括
步驟I，被測入射光束依次經(jīng)過光纖1、光纖準(zhǔn)直器2成為準(zhǔn)直平行的空間光；
步驟2，準(zhǔn)直平行的空間光入射棱柵3發(fā)生色散形成的出射光譜；
步驟3，出射光譜入射到聚焦透鏡組7進(jìn)行聚焦；調(diào)節(jié)第二套筒5和第一套筒4之間的相對位置使得聚焦透鏡組7的入射光譜的反向延長線會聚于該透鏡組7的物方焦平面上。步驟4，線陣電荷耦合器件CCD12接收從聚焦透鏡組出射的光譜，將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；調(diào)節(jié)第三套筒6和第二套筒5之間的相對位置使得各個光譜分量精確聚焦于線陣電荷耦合器件CXD12的光敏面上。步驟5，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)線9傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行采集。本發(fā)明提出了一種緊湊型光譜采集裝置及采集方法，提出的基于棱柵的分光光路，使得被測的入射光束發(fā)生色散，形成的光譜入射到聚焦透鏡組進(jìn)行聚焦，從聚焦透鏡組出射的光譜被線陣CCD接收，使光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行采集。提出的緊湊型光譜采集方法及系統(tǒng)中的棱柵，通過選取適當(dāng)角度的棱鏡對，使得入射光線經(jīng)折射、色散、二次折射的過程，出射的光譜中心波長光的主光線與入射光的主光線同處在聚焦透鏡組的光軸上，從而實現(xiàn)該緊湊型光譜采集系統(tǒng)中的各個部件的共軸安置。這種緊湊型光譜采集裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于攜帶，緊湊型光譜采集裝置的采集方法能實現(xiàn)對各個光譜成分的精確對焦，提高光譜采集系統(tǒng)的性能，提高光路穩(wěn)定性，消除雜散光干擾，延長器件使用壽命。各個部件共軸安置于封閉的套筒內(nèi)，避免了內(nèi)部的各個部件因受到外界震動干擾而可能發(fā)生的位置偏移或損壞，而且分光光路封裝在密閉的套筒內(nèi)，防止了雜散光入射形成的干擾信號。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種緊湊型光譜采集裝置，其特征在于，包括光纖(I)、光纖準(zhǔn)直器(2)、棱柵(3)、第一套筒(4)、第二套筒(5)、第三套筒(6)、聚焦透鏡組(7)、驅(qū)動信號電纜(8)、數(shù)據(jù)傳輸線纜 (9)、第一固定旋鈕(10)、第二固定旋鈕(11)、線陣電荷耦合器件CXD (12)；其中所述第三套筒為一端開口、橫向放置的U型套筒，所述線陣電荷耦合器件CCD設(shè)置在第三套筒中與其開口端相對的底邊上；所述第二套筒由分別與第三套筒的上下平行的兩個側(cè)壁的內(nèi)側(cè)緊貼、相對設(shè)置的第一基板、第二基板組成，其中所述第一基板、第二基板的一端伸出第三套筒的開口端，所述第一、第二基板的另一端與所述第三套筒的底邊保持一定距離，不與所述線陣電荷耦合器件 CXD接觸；第一基板通過第二固定旋鈕(11)與第三套筒的上側(cè)壁的開口端固定，在所述第一基板、第二基板的內(nèi)壁上分別設(shè)置有凸出部(19)，所述凸出部將第二套筒分割成第一腔體、第二腔體；所述第一套筒由分別與第一基板、第二基板上位于第一腔體內(nèi)的內(nèi)壁緊貼、相對設(shè)置的第三基板、第四基板組成；其中第三基板通過第一固定旋鈕(10)與第一基板的一端固所述光纖準(zhǔn)直器設(shè)置在第一套筒中遠(yuǎn)離第二腔體的一端；所述棱柵設(shè)置在第一套筒中靠近第二腔體的一端，與光纖準(zhǔn)直器保持一定距離；所述聚焦透鏡組設(shè)置在第二腔體內(nèi)； 所述光纖連接在光纖準(zhǔn)直器上；所述驅(qū)動信號電纜(8)的一端、數(shù)據(jù)傳輸線纜(9)的一端分別穿過所述第三套筒的底邊與線陣電荷耦合器件CCD (12)相連接，所述驅(qū)動信號電纜(8)的另一端、數(shù)據(jù)傳輸線纜 (9)的另一端與外部上位計算機(jī)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型光譜采集裝置，其特征在于，所述聚焦透鏡組(7) 采用經(jīng)過改進(jìn)的柯克三片式透鏡組，包括第一透鏡(13)、第二透鏡(14)、第三透鏡(15)、第四透鏡(16)、第五透鏡(17)；其中所述第一透鏡的一側(cè)上下兩端分別與所述第一、第二基板上的凸出部卡接，所述第一透鏡的另一側(cè)和第二透鏡的一側(cè)膠合在一起，所述第三透鏡的兩端分別采用固定環(huán)與第二透鏡的另一側(cè)、第四透鏡的一側(cè)的上下兩端連接，所述第四透鏡的另一側(cè)和第五透鏡的一側(cè)膠合在一起，所述第五透鏡的另一側(cè)的上下兩端分別采用固定環(huán)與第一、第二基板的內(nèi)壁連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型光譜采集裝置，其特征在于，所述棱柵(3)由第一棱鏡(20)、光柵基片(21)、光柵(22)、光柵保護(hù)玻璃(23)、第二棱鏡(24)組成；其中，所述光柵基片、光柵保護(hù)玻璃分別設(shè)置在光柵的兩側(cè)，所述第一棱鏡(20)和光柵基片(21)膠合在一起，所述第二棱鏡(24)和光柵保護(hù)玻璃(23)膠合在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型光譜采集裝置，其特征在于，所述線陣電荷耦合器件CXD (12)采用法國Atmel公司生產(chǎn)的Aviiva SM2型線陣電荷耦合器件(XD。
5.一種基于權(quán)利要求1所述的緊湊型光譜采集裝置的光譜采集方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，將被測入射光束依次經(jīng)過光纖、光纖準(zhǔn)直器成為準(zhǔn)直平行的空間光；步驟2，將步驟I所述的準(zhǔn)直平行的空間光入射棱柵發(fā)生色散形成出射光譜；通過第一旋鈕調(diào)節(jié)第二套筒和第一套筒之間的相對位置使得聚焦透鏡組的入射光譜的反向延長線會聚于該聚焦透鏡組的物方焦平面上，使得所述出射光譜入射到聚焦透鏡組進(jìn)行聚焦；步驟3，通過第二旋鈕調(diào)節(jié)第三套筒和第二套筒之間的相對位置，使得聚焦透鏡組出射的各個光譜分量精確聚焦于線陣電荷耦合器件CCD的光敏面上；采用線陣電荷耦合器件CXD接收從聚焦透鏡組出射的光譜，將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號； 步驟4，所述電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線纜傳輸?shù)酵獠可衔挥嬎銠C(jī)，完成光譜采集。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種緊湊型光譜采集裝置，包括光纖、光纖準(zhǔn)直器、棱柵、第一套筒、第二套筒、第三套筒、聚焦透鏡組、驅(qū)動信號電纜、數(shù)據(jù)傳輸線纜、第一固定旋鈕、第二固定旋鈕、線陣電荷耦合器件CCD組成。本發(fā)明還提供一種基于該裝置的光譜采集方法，被測的入射光束經(jīng)過棱柵發(fā)生色散，形成的光譜入射到聚焦透鏡組進(jìn)行聚焦，從聚焦透鏡組出射的光譜被線陣電荷耦合器件CCD接收，使光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)酵獠可衔挥嬎銠C(jī)進(jìn)行光譜采集。本發(fā)明實現(xiàn)光譜采集系統(tǒng)各個部件的共軸安置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于攜帶等優(yōu)點。
文檔編號G01J3/28GK103017902SQ20121050051
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者吳彤, 劉友文, 施瑤瑤, 王吉明, 赫崇君, 顧曉蓉 申請人:南京航空航天大學(xué)