基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型光譜成像儀的設(shè)計(jì)

李志增+劉加慶

摘 要：為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)有光譜成像儀體積較大、需要復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的問題，設(shè)計(jì)了一種基于光纖光學(xué)成像的輕型光譜成像儀。方案采用光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器一體化封裝，不僅可以有效降低光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)難度，還可以大大減小整個(gè)光譜成像儀的體積，使其更加牢固、抗震。結(jié)果表明，這個(gè)方案在不降低系統(tǒng)性能的同時(shí)消除了光譜串?dāng)_。

關(guān)鍵詞：光譜成像儀；輕質(zhì)化；光譜串?dāng)_；探測(cè)器

中圖分類號(hào)：TH744.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.021

近年來，隨著遙感探測(cè)、防偽檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等的現(xiàn)代化發(fā)展，相關(guān)部門對(duì)用于分析、科學(xué)研究的光譜成像儀提出了小型化、輕量化、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等要求。

目前，常用的光譜成像儀是由相機(jī)和光譜儀組成的，體積比較大，并且需要使用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)獲取高質(zhì)量的光譜成像數(shù)據(jù)。這一現(xiàn)狀導(dǎo)致應(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，這顯然限制了光譜成像技術(shù)的應(yīng)用范圍。為了解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型光譜成像儀，它解決了傳統(tǒng)光譜成像儀體積大、需要復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的問題，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器一體化封裝，有效降低了光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)難度。另外，系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)和熱效應(yīng)不敏感，可有效抑制分光組件的光譜串?dāng)_。

1 方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電子學(xué)系統(tǒng)、電源接口、時(shí)序/邏輯控制模塊組成。本方案只能獲取一維光譜數(shù)據(jù)和一維空間圖像數(shù)據(jù)，需要依靠移動(dòng)獲取另一維空間圖像數(shù)據(jù)。另外，本方案可集成到一維或二維轉(zhuǎn)臺(tái)等專用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以及無人機(jī)、汽車、輪船、飛機(jī)、氣球等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，依靠載體運(yùn)動(dòng)并配以運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法等補(bǔ)償機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的光譜成像觀測(cè)，從而獲取對(duì)應(yīng)的三維立方數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口與上位機(jī)軟件通信，完成控制命令接收、數(shù)據(jù)上傳等。

成像光學(xué)模塊采用雙高斯鏡設(shè)計(jì)，與用于可見相機(jī)的商用鏡頭典型特性一致。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。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)黏合劑、探測(cè)器陣列等組成。該模塊作為核心模塊，用于完成入射光的光譜分光與光譜成像，并將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。漸變?yōu)V光片薄膜、光纖光學(xué)波導(dǎo)和探測(cè)器陣列使用光學(xué)黏合劑黏合，形成一體化封裝模塊。這樣做，可以顯著提高入射光的耦合能力，消除光譜串?dāng)_，降低系統(tǒng)光學(xué)裝調(diào)難度，極大地縮小封裝尺寸。

電子學(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)序控制模塊和USB接口模塊等。它負(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、輕型成像光譜儀工作控制等。

2 實(shí)施實(shí)例

本方案給出的基于光纖光學(xué)成像波導(dǎo)的輕型成像光譜儀主要是由成像光學(xué)模塊、光纖光學(xué)光譜成像與探測(cè)器模塊、電子學(xué)系統(tǒng)、電源接口、時(shí)序/邏輯控制模塊組成。其原理見圖1.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室中使用單色儀輸出光照射光纖濾波光譜儀（FFS：fiber filter spectrometer）樣機(jī)方式測(cè)量FFS樣機(jī)的光譜串?dāng)_。當(dāng)單色儀輸出聚焦到FFS儀器特定光譜波段時(shí)，記錄所有圖像控制器象元的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

中心波長(zhǎng)為600 nm時(shí)的光譜響應(yīng)如圖3所示，圖中對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)的半高寬區(qū)域用星標(biāo)出。由于半高寬區(qū)域內(nèi)的象元理論上能響應(yīng)單色儀輸出，因此，僅有半高寬以外區(qū)域的響應(yīng)被當(dāng)作串?dāng)_。半高寬外的響應(yīng)降到最大響應(yīng)的10-3或更小。這些圖標(biāo)表明，F(xiàn)FS模塊成功消除了光學(xué)串?dāng)_。

4 結(jié)束語(yǔ)

最終，本方案提出的基于漸變?yōu)V光片的超便攜式光譜分析系統(tǒng)具有以下性能：①光譜分析系統(tǒng)的整機(jī)質(zhì)量不大于400 g；②光譜分析系統(tǒng)的光譜分辨率優(yōu)于1.5 nm；③光譜分析系統(tǒng)的尺寸不大于60 mm×60 mm×140 mm。本方案的相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)輕型的成像光譜測(cè)量?jī)x器，具有極高的靈敏度和完善的評(píng)價(jià)體系。

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作者簡(jiǎn)介：李志增（1987—），男，主要從事光電測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域的研究。

〔編輯：白潔〕