專利名稱：便攜式地物光譜儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及地物光譜儀領域，尤其涉及一種便攜式地物光譜儀。
背景技術：
隨著科學技術的發展，快速、無損、經濟的光譜技術廣泛的應用于工業現場檢測、 遙感、農產品品質檢測等各個領域。遙感領域，野外礦物元素檢測分析等領域需要一種攜帶 方便、精度高、無損以及可野外現場作業的光譜儀器。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，對稱式Czerny-Turner光學平臺設計，從而降低整個系統的體 積。目前地物光譜儀主要采用光纖探頭收集反射光譜，反射光進入一個狹縫，然后經過準 直、光柵分光再聚焦到檢測器件上。美國ASD公司生產的Fieldspe系列、SVC HR-1024系 列地物光譜儀，都有著相對小巧的體積，方便攜帶，該類光譜儀通過將光譜儀設備放在背包 里，通過光纖探頭能方便、有效的對目標區域進行測量。目前用于野外現場作業的地物光譜儀，可以把光譜儀放到背包里或支架上，通過 光纖探頭，來探測目標區域，因此在遙感、野外礦物元素測量方面得到了廣泛的應用。但是 整個儀器體積依然采用傳統的光柵分光系統，光學結構復雜，附件繁多、因此體積難以進一 步減小，這類光譜儀價格仍比較昂貴、并且使用光纖探頭進行光譜采集，光纖來回彎折容易 損傷，維護成本高也較高。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明的目的是減小地物光譜儀的體積，使其使用更加方便，降低維護成本，并同 時保持地物光譜儀的高分辨率。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提出了一種便攜式地物光譜儀，包括前置光學模塊，用于收集目標反射光，對收集到的光進行準直，并輸出準直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變濾光片、光電轉換器以及光電轉換驅動電路，所述 線性漸變濾光片對所述前置光學模塊輸出的準直的光進行分光，所述光電轉換驅動電路控 制所述光電轉換器采集經所述線性漸變濾光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數據；處理模塊，與所述分光成像模塊連接，對所述光電轉換器采集的光譜數據進行處 理以及顯示； 控制模塊，用于向所述處理模塊以及光電轉換驅動電路發送控制信號。其中，還包括置于所述前置光學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模塊輸出的準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，所述前置光學模塊還包括CS接口。其中，所述線性漸變濾光片與所述光電轉換器光學膠合。
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其中，所述線性漸變濾波片的端面面積與所述光電轉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調理單元、數據采集單元以及電源單元，所述信號 調理單元將輸入的光譜數據進行調理后輸出到數據采集單元，所述電源單元向所述調理單 元供電。其中，還包括上位機模塊，其與所述處理模塊通過USB數據總線進行通信，用于進 行光譜數據的分析。其中，所述光電轉換器是CCD檢測器、PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像探測器 陣列或InGaAs線性成像探測器陣列中的任意一種。其中，所述線性漸變濾光片的光譜范圍為380-1 lOOnm。(三)有益效果本發明的上述技術方案具有如下優點通過在分光成像模塊中使用線性漸變濾光 片作為色散元件，使得地物光譜儀的結構更加簡單，體積更加小巧，更加結實耐用；通過在 前置光學模塊和分光成像模塊之間加入反射鏡，進一步縮小了地物光譜儀的體積；通過前 置光學模塊采用CS接口，可以根據用戶的需要更換鏡頭，摒棄傳統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的維護成本；通過精確控制線性漸變濾光片與檢測器 之間的距離，提高了光譜儀的光學分辨率。
圖1為依照本發明一種實施方式的地物光譜儀的示意圖；圖2為依照本發明一種實施方式的加入反射鏡的地物光譜儀的一部分的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1所示為本發明的地物光譜儀的示意圖，包括前置光學模塊1、分光成像模塊 2、處理模塊3、控制模塊4。其中，前置光學模塊1，在其前端置有非光纖探頭，用于將收集目標漫反射光，對 收集到的光進行準直，并將準直的光輸出；分光成像模塊2包括線性漸變濾光片6 (LVF， linear variable filter)、(XD檢測器7以及C⑶驅動電路8，所述線性漸變濾光片6對所 述前置光學模塊1輸出的準直的光進行分光，CCD驅動電路8控制所述CCD檢測器7采集 經線性漸變濾光片6分光后的光譜，并輸出采集的光譜數據；處理模塊3通過內部數據總線 與分光成像模塊2連接，從而對CCD檢測器7采集的光譜數據進行處理、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驅動電路8發送控制信號，從而進行光譜 數據處理和光譜的顯示。優選地，本實施例還可以包括上位機模塊5，其與處理模塊3通過USB數據總線進 行通信，從而進行光譜數據的分析。在本實施例中，前置光學模塊1包含置于非光纖探頭之后的物鏡和準直鏡并采用 標準的CS接口，通過CS接口將準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，配備多個不同焦距、視場角的定焦鏡頭，根據拍攝距離和環境的差異，可以選取不同 類型的鏡頭，增強了儀器操作的簡便性。在本實施例中，分光成像模塊2中的LVF 6為光色散元件，用于代替傳統色散 元件光柵、棱鏡等，使得地物光譜儀的體積更為小巧、輕便。通常線性漸變濾光片LVF 6 只對一定波長范圍的光譜起分光透射作用，其光譜范圍可以是380-1100nm，本實例采用 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檢測器件7為線性陣列，一次可同時測量多個點，波長響 應與線性漸變濾光片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 能適應野外變化莫測的環境干擾，CCD檢測器可以采用PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像 探測器陣列或InGaAs線性成像探測器陣列中的任意一種替代，并采用相應的驅動電路。本 實施例采用日本濱松公司的S8377-256Q線陣CMOS檢測器件及其驅動C9001。優選地，LVF6與CXD檢測器件7采用光學膠合工藝進行連接，LVF6的端面面積與 C⑶檢測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檢測器7，從而提高了地物光譜儀的分辨率。CXD驅動電路8與處理模塊3通過 內部數據線進行連接，控制模塊4通過控制處理模塊3發出指令使CCD驅動電路8工作，從 而驅動CCD檢測器7進行數據采集。本發明的實施例中的處理模塊3包括信號調理單元9、數據采集單元10、液晶顯示 單元(未示出)、電源單元11，其中信號調理單元9包含信號放大、濾波電路，和AD轉換功 能電路，數據采集單元10對調理電路輸出的信號進行采集，從而完成分光成像模塊2的輸 出信號的處理。通過電源單元11包括的電池組以及穩定電壓電路，為處理模塊3的其它單 元(例如，液晶顯示單元和數據采集單元11)以及CCD驅動電路8等提供所需的直流工作 電壓。本實施例的控制模塊4，包含數據分析界面顯示單元12、控制系統單元13，通過將 控制模塊4嵌入處理模塊3，對硬件系統發出工作指令完成各部分的工作，包括數據采集， 積分時間控制，數據存儲、數據發送、數據分析等相關指令操作。根據不同的野外環境，通過控制模塊4控制進行不同模式上的拍攝，根據不同模 式下各波段所需的積分時間進行優化計算，再嵌入到處理模塊4當中，從而在實際野外作 業時，選擇合適的工作模式進行光譜采集。如圖1所示的本發明的實施例的工作原理是以太陽光為光源，目標經過陽光的 照射產生的漫反射，經過本發明的前置光學模塊1收集、準直后到達LVF6進行分光，在處理 模塊3的數據采集單元10的采集信號的驅動下CCD檢測器件7開始工作，根據環境自動計 算出CCD的積分時間并對LVF濾光后的光譜進行數據采集，直到收到停止采集信號指令為 止，采集到的信號通過處理模塊3進行信號放大、濾波、AD轉換，從而將光譜圖形實時顯示 在液晶顯示單元上，并進行下一步數據采集、存儲、發送等相關的操作，并通過USB數據總 線將處理模塊3與上位機5進行通信，讀取和發送數據，進行光譜數據的后期分析處理。在本發明的另一個實施例中，如圖2所示，在前置光學模塊1和分光成像模塊2 之間置有反射鏡15，目標物體14經過陽光的光照產生漫反射，通過前置光學系統1中的非 光纖探頭和物鏡收集、并經過準直鏡準直為平行光束，準直后的光束通過反射鏡15(反射 鏡15被膠合成與前置光學模塊2中的鏡筒成45° )，從而將前置光學系統1的輸出光轉折
590°，經過反射后的光進入分光成像模塊2，通過本發明的LVF6將光束分為各種波長的單 色光，CCD檢測器7在CCD驅動電路8的驅動下完成對光譜的采集，采集后的光譜經過處理 模塊3、控制模塊4，進行信號調理，根據環境自動切換或手動切換儀器的工作模式并且光 譜曲線圖實時顯示在處理的液晶顯示單元上。 以上所述僅是本發明的實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應 視為本發明的保護范圍。
權利要求
一種便攜式地物光譜儀，其特征在于，包括前置光學模塊，用于收集目標反射光，對收集到的光進行準直，并輸出準直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變濾光片、光電轉換器以及光電轉換驅動電路，所述線性漸變濾光片對所述前置光學模塊輸出的準直的光進行分光，所述光電轉換驅動電路控制所述光電轉換器采集經所述線性漸變濾光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數據；處理模塊，與所述分光成像模塊連接，對所述光電轉換器采集的光譜數據進行處理以及顯示；控制模塊，用于向所述處理模塊以及光電轉換驅動電路發送控制信號。
2.如權利要求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模塊輸出的準置的光 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，所述前置光學模塊還包括CS 接口。
4.如權利要求3所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變濾光片與所述 光電轉換器光學膠合。
5.如權利要求4所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變濾波片的端面 面積與所述光電轉換器的窗口面積一致，兩者之間的距離是2. 1mm。
6.如權利要求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調理 單元、數據采集單元以及電源單元，所述信號調理單元將輸入的光譜數據進行調理后輸出 到數據采集單元，所述電源單元向所述調理單元供電。
7.如權利要求6所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，還包括上位機模塊，其與所述 處理模塊通過USB數據總線進行通信，用于進行光譜數據的分析。
8.如權利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述光電轉換器是CCD檢測 器、PDA光電二極管陣列、CMOS線性成像探測器陣列或InGaAs線性成像探測器陣列中的任 意一種。
9.如權利要求1所述的便攜式地物光譜儀，其特征在于，所述線性漸變濾光片的光譜 范圍為 380-1100nm。全文摘要
本發明公開了一種便攜式地物光譜儀，包括前置光學模塊，用于收集目標反射光，對收集到的光進行準直，并輸出準直的光；分光成像模塊，其包括線性漸變濾光片、光電轉換器以及光電轉換驅動電路，線性漸變濾光片對前置光學模塊輸出的準直的光進行分光，光電轉換驅動電路控制光電轉換器采集經線性漸變濾光片分光后的光譜，并輸出采集的光譜數據；處理模塊，與分光成像模塊連接，對光電轉換器采集的光譜數據進行處理以及顯示；控制模塊，用于向處理模塊以及光電轉換驅動電路發送控制信號。本發明的系統可操作性和可靠性強，靈敏度高。本發明的地物光譜儀結構簡單、體積小，便于攜帶和使用。
文檔編號G01J3/28GK101915615SQ201010228140
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月8日 優先權日2010年7月8日
發明者侯瑞鋒, 朱大洲, 王成, 王紀華, 陳泉 申請人:北京農業智能裝備技術研究中心