專利名稱：便攜式成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種便攜式成像光譜儀，尤其是能夠解決聲光可調(diào)諧濾光器 在用于光譜成像時出現(xiàn)圖像漂移和圖像模糊問題的便攜式成像光譜儀。
技術(shù)背景國內(nèi)成像光譜儀大多還是采用推帚式的多光譜掃描儀，卻很少嘗試采用電可 調(diào)諧濾光器進行凝視式面光譜成像，由于前一種方式往往需要目標(biāo)和成像系統(tǒng)做 相對移動，所以對載體運動的平穩(wěn)性要求比較高，因而整個系統(tǒng)的構(gòu)造十分復(fù)雜， 且需要經(jīng)過相當(dāng)復(fù)雜的校正處理才能得到最后的圖像，因此成像速度慢，且儀器 體積大而笨重，移動困難。而基于聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器這兩種 電可調(diào)諧濾光器的成像光譜儀具有波長電掃描、抗振能力強、體積小巧、結(jié)構(gòu)簡 單、光譜工作范圍寬、掃描波段可編程、波長掃描速度快、光譜分辨率高、波段 數(shù)目多等諸多優(yōu)點，但由于聲光可調(diào)諧濾光器在光譜成像時存在圖像漂移和圖像 模糊問題，所以基于聲光可調(diào)諧濾光器的成像光譜儀在應(yīng)用上還是以遙感領(lǐng)域的 應(yīng)用為主，而很少用于近距離目標(biāo)探測和顯微光譜成像技術(shù)。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧且能夠解決聲光可調(diào)諧濾 光器在用于光譜成像時出現(xiàn)圖像漂移和圖像模糊問題的便攜式成像光譜儀。為實現(xiàn)本實用新型目的所采用的技術(shù)方案是提供一種便攜式成像光譜儀， 包括光采集、分析、處理部分和圖像采集、分析、處理部分。光采集、分析、處 理部分的電調(diào)諧濾光成像模塊分別通過光采集、分析、處理部分的電調(diào)諧濾光控 制器和圖像采集、分析、處理部分的圖像采集模塊與便攜式計算機連接。電調(diào)諧 濾光成像模塊設(shè)有聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器。其中聲光可調(diào)諧濾光 器由聲光晶體、超聲吸收體和換能器陣列組成。聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器，具有體積小，功耗低的優(yōu)點，實現(xiàn)了成像光譜儀的微型化、便攜化。 所述的聲光晶體的出射面設(shè)有光楔，當(dāng)入射光與聲光晶體光軸的夾角為《時入射，則衍射光與聲光晶體光軸的夾角為《，所以晶體中的衍射光的偏轉(zhuǎn)角大小為《-《。衍射光經(jīng)晶體出射面折射后的折射角大小為e,那么通過折射公式可
可以得出e大小為sin = "o sin消"^ — Sw) 對于確定的入射角《，《的大小只和晶體的折射率有關(guān)，因此上面的關(guān)系式 的右邊只有&和"。兩個參數(shù)與波長的變化相關(guān)。如果能選擇適當(dāng)?shù)墓庑?amp;大小， 即改變聲光晶體出射面和入射面夾角A的大小，則可以讓兩個隨波長變化的參數(shù) 《和"。相互抵消而消除出射變化，解決了聲光可調(diào)諧濾光器在用于光譜成像時出現(xiàn)的圖像漂移和圖像模糊問題。所述的電調(diào)諧濾光成像模塊通過標(biāo)準(zhǔn)C接口與前置透鏡組或顯微鏡相連， 選用前置透鏡組時即可用于近距離目標(biāo)探測，選用顯微鏡時即可用于顯微光譜成 像分析。所述的電調(diào)諧濾光控制器通過USB接口與便攜式計算機連接，利用光譜成 像分析軟件進行光譜圖像采集，然后對采集的光譜圖像進行圖像合成、各像素及 區(qū)域光譜的獲取及顯示、圖像預(yù)處理，模式識別等處理后就可以同時獲得目標(biāo)上 任一像素點的光譜信息和圖像信息。所述的圖像采集模塊設(shè)有CCD圖像傳感器或者CMOS圖像傳感器。本實用新型的有益效果是1. 通過采用聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器進行電調(diào)諧濾光，減小 了成像光譜儀的體積，并降低了使用功耗，使用便攜式計算機進行數(shù)據(jù)處理，減 小了成像光譜儀的重量，實現(xiàn)了成像光譜儀的微型化、便攜化。2. 在聲光晶體(9)的出射面設(shè)有光楔，通過選擇適當(dāng)?shù)墓庑ù笮?，則可以 讓兩個隨波長變化的參數(shù)相互抵消而消除出射變化，解決了聲光可調(diào)諧濾光器在 用于光譜成像時出現(xiàn)的圖像漂移和圖像模糊問題。


以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖l是成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是電調(diào)諧濾光成像模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是聲光晶體的消色散原理圖。 圖中l(wèi).前置透鏡組、2.顯微鏡、3.電調(diào)諧濾光成像模塊、4.電調(diào)諧濾光控制 器、5.圖像采集模塊、6.便攜式計算機、7.偏振片、8.光闌、9.聲光晶體、10.超聲 吸收體、ll.成像透鏡組、12.光闌、13.換能器陣列、14.偏振片、15.擋板。
具體實施方式
在圖1所示的一個實施例中，入射光經(jīng)過前置透鏡組1或顯微鏡2后進入電 調(diào)諧濾光成像模塊3，當(dāng)滿足動量匹配條件時，入射光將產(chǎn)生布拉格衍射。衍射 光通過電調(diào)諧濾光成像模塊3后，零級光被擋板擋住，十l級或一l級衍射光最 終匯聚在圖像采集模塊5的成像面上，從而得到被測目標(biāo)的影像。電調(diào)諧濾光控 制器4發(fā)出射頻信號，此射頻信號進入聲光晶體中。電調(diào)諧濾光控制器4通過 USB接口與便攜式計算機6相連，通過光譜成像分析軟件改變射頻信號的頻率， 就可以改變衍射光的波長，從而實現(xiàn)光譜掃描。各個波段的影像經(jīng)圖像采集模塊 5送入便攜式計算機6，然后利用光譜成像分析軟件通過以下三個步驟進行光譜 圖像采集-(1) 首先用一個固定的曝光時間to采集各個波段下的圖像；(2) 然后利用背景區(qū)域的平均光譜曲線計算出各個波段下合適的曝光時間， 以對各個不同波段下系統(tǒng)的光譜響應(yīng)不一致進行補償；(3) 各個波段下的曝光時間計算出來后，利用這些計算出來的曝光時間采集 目標(biāo)的光譜圖像。然后對采集的光譜圖像進行圖像合成、各像素及區(qū)域光譜的獲取及顯示、圖 像預(yù)處理，模式識別等處理后就可以同時獲得目標(biāo)上任一像素點的光譜信息和圖 像信息。對同一個視場，在每個設(shè)定的衍射波長下采集一幅圖像，最后把這些圖 像按照波長順序堆疊在一起，就構(gòu)成了多光譜圖像。當(dāng)電調(diào)諧濾光成像模塊3 與前置透鏡組1連接時，就可用于近距離目標(biāo)探測；當(dāng)電調(diào)諧濾光成像模塊3 與顯微鏡2連接時，便可進行顯微光譜成像分析。在圖2中，電調(diào)諧濾光成像模塊使用聲光可調(diào)諧濾光器作為濾光器件，濾光 器件的光譜掃描范圍為200-2000nm，通帶寬為3—30nm。當(dāng)射頻信號加到換能 器陣列13上時，電信號將轉(zhuǎn)換成聲波信號并在聲光晶體9中傳播，超聲波和入 射光產(chǎn)生非線性效應(yīng)。當(dāng)滿足動量匹配條件時，入射光將產(chǎn)生布拉格衍射，其衍 射光的波長與驅(qū)動電信號的頻率有著一一對應(yīng)的關(guān)系。偏振片7將自然光變成線 偏振光，從而只能產(chǎn)生+1級衍射光或者只能產(chǎn)生一1級衍射光。偏振片14與偏 振片7偏振方向正交，這樣就可以極大的降低零極光對衍射光造成的背景噪聲影響，提高圖像信號采集的信噪比。通過光闌8和光闌12把入射光限制在電調(diào)諧濾光器的孔徑角范圍之內(nèi)，防止衍射角展寬過大。成像透鏡組11將衍射光進行匯聚成像，由于部分零級光可能不能完全濾干凈，因此，在整個模塊的出射口前有一個擋板15，用以擋住零級光所成的像。超聲吸收體10吸收透過聲光晶體的聲波，防止聲波反射。在圖3中，聲光晶體9入射面與垂直面的夾角為a,聲光晶體出射面與垂直面的夾角為S，聲光晶體中的衍射光的偏轉(zhuǎn)角為Y，衍射光經(jīng)聲光晶體出射面折射后的折射角大小為e。在聲光晶體9的出射面上設(shè)置一個大小為A的光楔，則S-a-A。通過光 楔對衍射光的衍射角進行色散修正。當(dāng)入射光與聲光晶體光軸的夾角為《時入 射，則衍射光與聲光晶體光軸的夾角為&，所以聲光晶體中的衍射光的偏轉(zhuǎn)角大小為《-&，即為角y。衍射光經(jīng)聲光晶體出射面折射后的折射角大小為e，那么通過折射公式可以得出sin yff = "0 sin(H A) 對于確定的入射角《，《的大小只和聲光晶體的折射率有關(guān)，因此上式右邊只 有&和w。兩個參數(shù)與波長的變化相關(guān)。如果能選擇適當(dāng)?shù)墓庑ˋ大小，即改變 聲光晶體出射面和入射面夾角A的大小，則可以讓兩個隨波長變化的參數(shù)^和n。相互抵消而消除出射變化，解決了聲光可調(diào)諧濾光器在用于光譜成像時出現(xiàn)的圖像漂移和圖像模糊問題，從而提高了近距離目標(biāo)探測和顯微光譜成像分析的質(zhì) 量。
權(quán)利要求1.一種便攜式成像光譜儀，至少包括光采集、分析、處理部分和圖像采集、分析、處理部分，其特征在于光采集、分析、處理部分的電調(diào)諧濾光成像模塊分別通過光采集、分析、處理部分的電調(diào)諧濾光控制器和圖像采集、分析、處理部分的圖像采集模塊與便攜式計算機連接，電調(diào)諧濾光成像模塊設(shè)有聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器，其中聲光可調(diào)諧濾光器由聲光晶體、超聲吸收體和換能器陣列組成，并且在聲光晶體的出射面設(shè)有光楔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式成像光譜儀，其特征在于電調(diào)諧濾光成像模 塊通過標(biāo)準(zhǔn)C接口與前置透鏡組或顯微鏡相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式成像光譜儀，其特征在于電調(diào)諧濾光控制器 通過USB接口與便攜式計算機連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式成像光譜儀，其特征在于圖像采集模塊設(shè)有CCD圖像傳感器或者CMOS圖像傳感器。
專利摘要一種便攜式成像光譜儀，至少包括光采集、分析、處理部分和圖像采集、分析、處理部分，光采集、分析、處理部分的電調(diào)諧濾光成像模塊分別通過光采集、分析、處理部分的電調(diào)諧濾光控制器和圖像采集、分析、處理部分的圖像采集模塊與便攜式計算機連接，電調(diào)諧濾光成像模塊設(shè)有體積小，功耗低的聲光可調(diào)諧濾光器或液晶可調(diào)諧濾光器，其中聲光可調(diào)諧濾光器由聲光晶體、超聲吸收體、換能器陣列組成，從而實現(xiàn)了成像光譜儀的微型化、便攜化。同時在聲光晶體的出射面設(shè)置一定角度的光楔，解決了聲光可調(diào)諧濾光器在用于光譜成像時出現(xiàn)的圖像漂移和圖像模糊問題，從而提高了近距離目標(biāo)探測和顯微光譜成像分析的質(zhì)量。
文檔編號G01J3/14GK201041514SQ20072008523
公開日2008年3月26日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者史存召, 向宇琪, 趙京周 申請人:武漢大學(xué)