一种光路结构、图像光谱仪及光谱特性处理方法与流程

1.本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种光路结构、图像光谱仪及光谱特性处理方法。


背景技术：

2.光谱仪作为光谱分析学科中最重要的测试仪器，它可以测试分析紫外，可见，近红外波段的光谱分布特性，广泛的应用于光源检测、成份分析、颜色测量、环保监控、食品安全等领域；全光谱快速光谱仪，具有同时可采样全光谱信息和采样速度快(ms级)、结构简单、体积小巧等优点，可以很好的应用于生产线实时检测和全天侯无人值守的远程监测等方面；随着近年来全光谱快速光谱仪的应用领域的不断扩大，应用需求的场合不一样，对光谱仪的性能要求也有不同的需求，所以要求光谱仪的性能稳定性要求越来越高，对外部光源的适应性也越来越高。
3.目前现有的全光谱快速测试的光谱仪，结构中对光谱仪的响应采用线阵传感器或是单像元传感器作为感光器件，光谱仪的对光谱的响应特性与传感器，光路结构的光谱响应特性相关。光谱仪调试安装完成后，光谱仪对光谱的响应特性就确定，当使用不同发光光谱的光源时，光谱仪的性能就会因为光源的特性发生变化；光源的光谱不平坦，光谱能量弱的波段，光谱仪响应就低，性噪比下降历害，测试精度下降，光谱能量强的波段，光谱仪响应好，性噪比高，测度精度高。例如如果光源使用光谱特征峰非常丰富的闪光氙灯，上述问题特别凸显。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种光路结构、图像光谱仪及光谱特性处理方法，
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种光路结构，包括入射狭缝、准直聚焦镜、分光光栅以及取光镜头，所述准直聚焦镜具有弧形凹面，所述取光镜头位于所述弧形凹面一侧且正对布置；所述入射狭缝和所述分光光栅相对设置于所述取光镜头的两侧且均倾斜布置；
7.所述入射狭缝发出的光线倾斜入射至所述弧形凹面上，所述弧形凹面将光线转换成准直的平行光，并倾斜入射至所述分光光栅，所述分光光栅将平行光色散成多种波长大小的光谱图像，并将光谱图像反射回所述准直聚焦镜的弧形凹面，所述弧形凹面将光谱图像成像至所述取光镜头。
8.本发明的光路结构中，入射狭缝把光信号成像到准直聚焦镜上，准直聚焦镜把光信号转变成准直的平行光，再均匀地成像到分光光栅表面；通过分光光栅把光把光信号色散成各波长按水平方向排列，能量按垂直排列的光谱图像，并反射回准直聚焦镜上，准直聚焦镜3再将光谱图像成像至取光镜头，取光镜头得到的光谱图像再经过后续的光谱图像感应和处理。
9.作为优选，所述入射狭缝和分光光栅均与取光镜头形成锐角。
10.作为优选，还包括光源以及用于将光源发出的光信号光纤偶尔至所述入射狭缝的入射光纤。
11.作为优选，所述入射光纤的横截面呈矩形。矩形形状可以方便控制光谱仪的灵敏度和分辨率，保证光谱仪具有很好的分辨率；同时也能很好的兼容光谱仪高的灵敏度和高的分辨率。
12.作为优选，所述入射狭缝和分光光栅与取光镜头之间形成锐角度数均为60
°
；所述入射光纤的口径为1x20mm，所述入射狭缝的口径为0.07x20mm。
13.作为优选，所述取光镜头包括沿光传输方向依次设置的胶合双曲线镜片、第一透镜、双面凹镜及胶合成像镜。
14.作为优选，所述胶合双曲线镜片由一个平凹镜和一个双凸镜胶合而成；所述第一透镜为将光线进行聚焦的一个双凸透镜，所述双面凹镜为可对光线进行发散的一个双凹透镜，所述胶合成像镜由一个双凹透镜和一个平凸透镜胶合而成。
15.本发明中胶合双曲线镜片把分光光栅分光后的面阵光谱图像成像到第一透镜，把大面积的面阵光谱图像缩小10倍以上的图像，再经双面凹镜、胶合成像镜有效的弥补了前两个光学镜子导致的边缘误差，使成像大靶面的面阵传感器的图像是无损的高精度面阵光谱图像；能获取高质量的面阵光谱图像，水平方向为光谱波长分布，垂直方向为光谱能量分布，通过高速采集电路对传感器上每个像素的能量采集，并上传数据到计算机中，就可以获取一帧高质量的面阵光谱图。
16.本发明还提供了一种图像光谱仪，包括：
17.如上述的光路结构；
18.接收所述光路结构中取光镜头发出的光谱图像信号并将光谱图像信号转换成电信号的面阵传感器；
19.接收所述面阵传感器转换得到的电信号，并对电信号进行分析处理得到光谱特性。
20.作为优选，还包括采样电路，所述计算机通过所述采样电路连接所述面阵传感器。
21.本发明还提供了一种图像光谱仪的光谱特性处理方法，包括：
22.获取面阵光谱图像；
23.预存光源的发光特性加权函数m(λ)、n(λ)，见公式(2)和公式(3)；
24.根据公式(1)计算得到处理后的平坦光谱q(λ)；
[0025][0026]
m(λ)＝∫p(λ)
·
dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0027]
n(λ)＝∫k(λ)
·
d2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0028]
其中，p(λ)和k(λ)均为根据各种光源特性预设的光谱分布曲线，k(λ)为光源的原始谱图；
[0029]
pixe(i)dλ为在面阵传感器上的成像形成的面阵光谱图像；
[0030]
m，n代表根据各种光源对pixe(i)的加权值；
[0031]
m、n的值由函数m(λ)，n(λ)来确定；
[0032]
q(λ)代表光谱仪处理后的平坦光谱；
[0033]
λ代表光谱波长，取值范围为200～1100nn；
[0034]
dλ代表波长增量；
[0035]
i代表面阵传感器的像素。
[0036]
本发明针对现有光谱仪缺点，重新设计光谱仪结构，新的工作原理，把特征复杂的光谱转成平坦的光谱，光谱仪测试系统中平坦光谱q(λ)能有效的提高光谱仪的稳定性和精度；让光谱仪可以根据采集的光信号的特性，对不同光源的各波段的光谱信号，采用相应的加权系数，有效的匹配的光源的光谱，处理的得到平坦的光谱信号，光谱仪可以获得稳定的性噪比，和稳定的测试精度。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0038]
(1)本发明采用对等复用光路结构，入射光经准直聚焦镜转变成平行光线后，均匀成像到分光光栅表面，色散成各波长按水平方向排列，能量按垂直排列的光谱图像色，再反射回准直聚焦镜表面，形成有效的光谱图像信号；结构的特点是入射和出射使用同一组大面积聚焦镜，使得最终成的色散光谱的光谱图像线性分布，能形成对等的光谱分辨率，非常有利于后面的面阵传感器的成像。
[0039]
(2)本发明可以根据采集的光信号的特性，对不同波段的光谱信号，可以自动的调节放大增益，有效的匹配的光源的光谱，采集到不同波段的光谱为平坦信号，光谱仪可以获得稳定的性噪比，和稳定的测试精度。
[0040]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明的结构示意图；
[0043]
图2为本发明的取光镜头与面阵传感器配合的结构示意图；
[0044]
图3为本发明的原始谱图处理成平坦光谱的变化图；
[0045]
图4为本发明的光谱图成像效果图。
[0046]
其中，光源1；入射狭缝2；准直聚焦镜3；分光光栅4；取光镜头5；双曲线镜片51；第一透镜52；双面凹镜53；胶合成像镜54、第二凹透镜541、第二凸透镜542；面阵传感器6；采样电路7；计算机8；入射光纤9。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示
所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0049]
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0050]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0051]
本实施例为一种图像光谱仪，包括：
[0052]
光路结构；
[0053]
接收所述光路结构中取光镜头发出的光谱图像信号并将光谱图像信号转换成电信号的面阵传感器；
[0054]
接收所述面阵传感器转换得到的电信号，并对电信号进行分析处理得到光谱特性。
[0055]
即，具体包括包括光源1、入射狭缝2、准直聚焦镜3、分光光栅4、取光镜头5、面阵传感器6、计算机8及入射光纤9，其中，面阵传感器6连接计算机8。
[0056]
具体的，准直聚焦镜3呈上凹的弧形面，弧形面最好是球面弧形，即弧形面向上凹陷，形成弧形凹面。所述取光镜头5位于弧形面的正下方。所述入射狭缝2和分光光栅4对立设于取光镜头5的两侧，入射狭缝2和分光光栅4均倾斜设置，入射狭缝2和分光光栅4均与取光镜头5形成锐角。其中，所述入射狭缝2和分光光栅4、取光镜头5之间形成锐角度数最好为60
°
。
[0057]
本实施例的图像光谱仪的工作原理为：
[0058]
所述光源1通过入射光纤9将光线传至入射狭缝2；光源1发出的光信号通过光纤耦合到入射狭缝2，入射狭缝2把光信号成像到准直聚焦镜3上，准直聚焦镜3把光信号转变成准直的平行光，再均匀地成像到分光光栅4表面；通过分光光栅4把光把光信号色散成各波长按水平方向排列，能量按垂直排列的光谱图像，并反射回准直聚焦镜3上。准直聚焦镜3再将光谱图像成像至取光镜头5，取光镜头5把光谱信号成像到面阵传感器6上。面阵传感器6把图像信号转成电信号传到计算机8中，通过计算机8对图像信号分析处理得到光源1的光谱特性。
[0059]
本实施例中光谱仪采用入射光纤9和入射狭缝2把光信号耦合进入光谱仪，其中，入射光纤9采用大通光孔经的光纤，结构上采用矩形结构，即入射光纤9的横截面呈矩形。矩形的高度决定光谱仪的灵敏度，高度越高灵敏度越强，矩形的宽度决定了光谱仪的光学分辨率，越窄分辨率好；本实施例中采用1x20mm钜形导光口，保证光信号有能效的采样，采用0.07x20mm入射狭缝2。
[0060]
另外，本实施例中取光镜头5包括沿光传输方向依次设置的胶合双曲线镜片51、第一透镜52、双面凹镜53及胶合成像镜54，所述胶合双曲线镜片51由一个平凹镜和一个双凸镜胶合而成；第一透镜52为将光线进行聚焦的一个双凸透镜；双面凹镜53为可对光线进行发散的一个双凹透镜；胶合成像镜54可由一个双凹透镜和一个平凸透镜胶合而成。
[0061]
本实施例中的面阵光谱图像的成像结构采用高质量的取光镜头5和大靶面的面阵传感器6(2048x1024)结构，能获取高质量的面阵光谱图像，水平方向为光谱波长分布，垂直
方向为光谱能量分布，计算机8通过采样电路7连接所述面阵传感器6，即通过高速采样电路7对传感器上每个像素的能量采集，并上传数据到计算机8中，就可以获取一帧高质量的面阵光谱图。
[0062]
本实施例中的面阵光谱图像通过高速采样电路7，把面阵传感器6的图像转成图片信息上传到计算机8中，根据测试系统光源的特征，经核心算法，分析处理，把特征复杂的光谱转成平坦的光谱。如图3所示，图3中左侧为光源的原始光谱图k(λ)经过入射狭缝2、准直聚焦镜3、分光光栅4、高质量的取光镜头5在面阵传感器6上的成像，形成面阵光谱图像pixe(i)dλ，即图3中间的图。在面阵传感器上水平方向是光谱波长分布方向，在垂直方向是光谱能量分布方向。在计算机中预存了光源的发光特性加权函数m(λ)、n(λ)，再根据波长变量计算出各波长的加权值m，n，根据公式(1)，计算得到处理后的平坦光谱q(λ)，图3中右边的图即为平坦光谱q(λ)。光谱仪测试系统中平坦光谱q(λ)能有效地提高光谱仪的稳定性和精度。
[0063]
上述计算机8对图像信号分析处理得到光源1的光谱特性的方法如下：
[0064]
获取面阵光谱图像；
[0065]
预存光源的发光特性加权函数m(λ)、n(λ)，见公式(2)和公式(3)；
[0066]
根据公式(1)计算得到处理后的平坦光谱q(λ)；
[0067][0068]
m(λ)＝∫p(λ)
·
dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0069]
n(λ)＝∫k(λ)
·
dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0070]
其中，p(λ)和k(λ)均为根据各种光源特性预设的光谱分布曲线，预存于计算机8中，取值是常数，可以根据需要设置特定的常数。k(λ)为光源的原始谱图。pixe(i)dλ为在面阵传感器上的成像形成的面阵光谱图像。m，n代表根据各种光源对pixe(i)的加权值，m、n的值由函数m(λ)，n(λ)来确定。q(λ)代表光谱仪处理后的平坦光谱。λ代表光谱波长，取值范围为200～1100nn；dλ代表波长增量，例如dλ可取值为1nm。i代表面阵传感器的像素，取值范围为0-1024。
[0071]
本实施例克服光谱仪使用中光源发光光谱平坦度对光谱仪的性能重要素因，使光谱仪具有自动调整光谱响应特性，对光谱仪测试精度有很大提升。而且具备下述关键技术：
[0072]
1、高质量的光学采光镜头结构是本发明中的关键技术之一，它保证了面阵传感器能不失真的获取分光光栅色散的面阵光谱图像。
[0073]
2、把面阵传感器获取到的面阵光谱图转成平坦的光谱分布曲线的方法，是本发明的关键技术之一，它的方法能让光谱仪具有稳定的性噪比，有效提高光谱仪的性能。
[0074]
3、对等复用光路结构是获取高精度面阵光谱图的重要的光学结构，是本发明的关键技术之一。
[0075]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。