一種紅外成像光譜儀的制作方法

一種紅外成像光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種紅外成像光譜儀，包括動鏡驅動裝置、激光干涉校準系統以及動鏡控制電路；所述的動鏡驅動裝置包括支撐底座、步進電機、滾珠絲桿、交叉滾子導軌和滑塊，滑塊上設有動立體角錐棱鏡；所述激光干涉校準系統包括激光器、反光鏡、分束鏡、補償鏡、1/8波片、直角反射鏡、定立體角鏡、偏振分束棱鏡、激光探測器和1/2波片；所述的動鏡控制電路包括控制器、作用于正交干涉信號的檢測電路和與步進電機連接的驅動電路；本發明的系統負載能力強，能夠驅動大體積立體角鏡重負載運動，可滿足不同的光譜分辨率及不同應用環境對動鏡控制速度的不同要求。
【專利說明】
一種紅外成像光譜儀
技術領域
[0001 ]本發明屬于紅外成像光譜儀領域，涉及一種紅外成像光譜儀。
【背景技術】
[0002]紅外成像光譜儀是80年代初發展起來的新一代集紅外成像和光譜信息檢測于一體光學儀器，可同時提供二維空間信息和高分辨率光譜信息，在環境監測、氣體分析、目標輻射特性研究領域應用廣泛。
[0003]紅外成像光譜儀具體工作原理是:在一個高精度邁克爾遜干涉光路中，通過動鏡掃描技術，獲取一系列不同光程差的干涉圖，通過傅里葉變換得到相應的光譜圖。
[0004]高精度動鏡控制技術是紅外成像光譜儀核心和難點之一，在運動控制過程中，既要保持動鏡運動速度均勻性，同時針對不同的目標和光譜分辨率對動鏡掃描速度有不同的要求，要求動鏡調速范圍非常寬，跨度非常大，而且可以實現非常低的慢速運動。
[0005]從在研和已成功研制的紅外成像光譜儀來看，大多采用經典邁克爾遜機構，利用平面鏡或角鏡分光;動鏡的驅動裝置大多采用門框式(porch—swing)，利用音圈電機或力矩電機驅動，該類型裝置沒有機械減速機構，帶負載能力、及調速范圍都限。

【發明內容】

[0006]本發明要解決的問題就是為了克服現有技術的不足，提供一種負載能力強，能夠驅動大體積立體角鏡重負載運動，同時能滿足不同的光譜分辨率及不同應用環境對動鏡控制速度要求、實現寬范圍速度控制的紅外成像光譜儀。
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種紅外成像光譜儀，包括動鏡驅動裝置、激光干涉校準系統以及動鏡控制電路；
所述的動鏡驅動裝置包括固定在支撐底座一端的步進電機以及通過聯軸器與電機輸出軸連接的滾珠絲桿，支撐底座內側固定有交叉滾子導軌，交叉滾子導軌上安裝有與滾珠絲桿連接的滑塊，滑塊上設有動立體角錐棱鏡，所述的支撐底座側面安裝有零位光電開關；所述激光干涉校準系統包括分別與直角反射鏡的兩個反射面垂直的光軸On與光軸022，所述的動立體角鏡安裝在光軸022上，光軸022上還安裝有偏振分束棱鏡，所述的光軸Oll上依次安裝有反光鏡、1/8波片和定立體角鏡，所述光軸O11與光軸O22的交點G處設有平行緊貼的分束鏡和補償鏡，從激光器發出的偏振激光，經過1/2波片后被反光鏡反射至分束鏡分成反射光和透射光，反射光經過動立體角鏡后到達直角反射鏡再經原路返回G點，所述的透射光先經過1/8波片再經過定立體角鏡然后到達直角反射鏡，再經原路返回G點，并與反射光形成干涉一并入射到偏振分束棱鏡，通過激光探測器接收，得到雙路正交干涉信號；
所述的動鏡控制電路包括控制器、作用于正交干涉信號的檢測電路和與步進電機連接的驅動電路。
[0008]所述的一種紅外成像光譜儀，其控制器設有接收正弦信號的ADC接口，接收方波脈沖信號的eQEP接口，以及接收零位信號并控制驅動電路實現對步進電機運動掃描控制的1接口。
[0009]進一步，所述的控制器為TI公司的2000系列DSP。
[0010]所述的一種紅外成像光譜儀，其檢測電路包括完成激光干涉信號采集的采樣電路、濾波放大電路和整形電路。
[0011]所述的一種紅外成像光譜儀，其步進電機是步進角為1.8°的兩相混合式步進電機。
[0012]所述的一種紅外成像光譜儀，其激光器為632.8nm的He-Ne激光器。
[0013]所述的一種紅外成像光譜儀，其激光探測器為光電二極管。
[0014]本發明的有益效果是:
1、本發明動鏡驅動裝置采用特殊的絲桿和導軌，增加了負載驅動能力，采用滾珠絲桿旋轉帶動負載運動，從設計上增大了減速比，增大了負載驅動能力，比如絲桿螺距為1mm，則電機每旋轉一周，動鏡移動才Imm;采用交叉滾子直線導軌，其高強度，高剛性和低摩擦阻力，保證了動鏡能夠長期穩定運行，不發生側向偏移;采用步進電機驅動滾珠絲桿帶動滑塊及動立體角鏡前后掃描運動，增大了帶負載能力，可以驅動大立體角鏡運動，為大面積、高分辨率紅外焦平面陣列成像和光譜分析創造了條件；
2、本發明激光干涉校準光路采用邁克爾遜干涉儀，用立體角鏡代替平面鏡，減少了動鏡掃描時傾斜帶來的影響，減小了對動鏡控制要求。同時在干涉光路中增加1/2波片、1/8波片和偏振分束棱鏡，可獲兩路正交的干涉信號，用于電機控制判斷運動方向，可對干涉信號進行細分，實現低于激光波長的光程差觸發采樣，獲取更高分辨率的光譜；
3、本發明控制電路采用數字信號處理器TMS320F28335和高細分驅動芯片簡化了電路設計，數字信號處理器TMS320F28335其內部集成eQEP，ADC，SCI等豐富的外設接口，非常容易實現對激光干涉信號計數，并對干涉信號分頻和倍頻輸出觸發紅外數據等光程差采樣；高達128倍細分控制芯片只需要脈沖和方向信號就可以實現對步進電機驅動控制；同時高細分控制保證了電機在低速條件下平穩運行。通過控制脈沖頻率就可以控制電機的速度，而采用數字信號處理器調節脈沖頻率比較容易，因此可以實現大跨度速度調試。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明動鏡驅動裝置的結構示意圖；
圖2為本發明激光干涉校準系統的結構示意圖；
圖3為本動鏡控制電路的框圖。
[0016]各附圖標記為:101—步進電機，102—支撐底座，103—聯軸器，104—交叉滾子導軌，105—滾珠絲桿，106—滑塊，107—動立體角鏡，108—零位光電開關，201—激光器，202—反光鏡，203—分束鏡，204—補償鏡，206—1/8波片，207—直角反射鏡，208—定立體角鏡，209—偏振分束棱鏡，210—激光探測器，211 —1/2波片，301—控制器，302—驅動電路，303—采樣電路，304—濾波放大電路，305—整形電路，310—檢測電路。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0018]本發明公開了一種干涉校準系統，包括動鏡驅動裝置、激光干涉校準系統以及動鏡控制電路。
[0019]如圖1所示，所述的動鏡驅動裝置包括固定在支撐底座102—端的步進電機101以及通過聯軸器103與電機輸出軸連接的滾珠絲桿105，步進電機101為兩相混合式步進電機，步進角為1.8°，步進電機101驅動滾珠絲桿105旋轉，滾珠絲桿105回差和摩擦阻力非常小，支撐底座102內側固定有交叉滾子導軌104，交叉滾子導軌104上安裝有與滾珠絲桿105連接的滑塊106，交叉滾子導軌104是一種在兩條作為軌道槽的V字形雙平面軌道臺之間裝入附帶保持架的圓柱滾子的直線導向裝置，由于圓柱滾子交替正交配置，可承受各個方向的負荷，進行極高精度的順暢的直線運動，具有精度好，剛性高，摩擦阻力小的優點，同時解決了滑塊直線運動中偏向問題，保證滑塊長期穩定順暢的直線運動且不會發生偏向，這樣步進電機101旋轉時帶動滾珠絲桿105旋轉進而推動滑塊106前后移動，由于滑塊106固定在交叉滾子導軌104的內側滑軌上，交叉滾子導軌104的外側滑軌固定在支撐底座102上，安裝基準面的軌道面平行度能達到3um之內，動立體角錐棱鏡107置于滑塊106之上，由于摩擦阻力小，再加上滾珠絲桿105的減速效應，導致即使使用較小驅動力的電機也能帶動較大體積和重量負載的動立體角錐棱鏡107，這樣就對大面陣高分辨率紅外成像創造了條件，而且動立體角錐棱鏡107前后移動15mm距離時，偏向可以控制3秒之內，所述的支撐底座102側面安裝有用于零光程差標記及位置檢測閉環的零位光電開關108，零位光電開關108安裝在零光程差位置，主要用來標記零光程差位置，作為動鏡掃描位置基準，設計時做到可以前后微調，零位光電開關108是位置信號定位基準，每次經過位置信號可清零，消除累積誤差，可前后移動安裝于零光程點位置，由于采用的是動立體角鏡對動鏡的傾斜要求不高，安裝時，通過檢測紅外信號幅值來確定其位置，當在零光程點位置紅外圖像的灰度值會有一個明顯的波動。移動光電開關在零光程位置附近。
[0020]如圖2所示，以邁克爾遜干涉儀為基礎、與紅外共光路的激光干涉校準系統包括分別與直角反射鏡207的兩個反射面垂直的光軸O11與光軸O22，所述的動立體角鏡107安裝在光軸022上，光軸022上還安裝有用于調節激光的偏振方向的偏振分束棱鏡209，所述的光軸O11上依次安裝有反光鏡202、1/8波片206和定立體角鏡208，所述光軸O11與光軸O22的交點G處設有分束鏡203和補償鏡204，分束鏡203和補償鏡204與光軸0n45°夾角，從激光器201發出的偏振激光，經過1/2波片211后被反光鏡202反射至分束鏡203，在分束鏡203第二表面一一半反半透面分成反射光和透射光，反射光經過動立體角鏡107后到達直角反射鏡207再經原路返回G點，所述的透射光先經過1/8波片206再經過定立體角鏡208然后到達直角反射鏡207，再經原路返回G點，并與反射光形成干涉一并入射到偏振分束棱鏡209，在水平和豎直方向上作正交分解，分出相位相差90°的P光和S光，即得到相互正交的兩路干涉信號，通過激光探測器接收，獲取激光干涉信號，1/2波片211用于調節激光器的偏振方向，透射光兩次經過1/8波片206，相當于經過了一個1/4波片，可以將線偏光變成圓偏光，而偏振分束棱鏡將兩個不同偏振態的光分出來;本發明用立體角鏡代替平面鏡，并在邁克爾遜光路中增加了直角反射鏡207、1/2波片211、1/8波片206、偏振分束棱鏡209，激光器201發出的He-Ne激光經過與紅外信號共光路的邁克爾遜干涉光路形成干涉的光信號，通過分光裝置得到雙路正交干涉信號、再經過檢測電路310采樣、放大、濾波、整形獲得雙路正弦信號和脈沖信號，該信號代表實際紅外光程差變化，用于動鏡控制和紅外等光程差數據采集。
[0021]安裝時，以直角反射鏡207的反射面為基準，定鏡和動鏡的光軸(O11，022)分別與直角反射鏡兩個面垂直。分束鏡203和補償鏡204緊貼平行固定，與定鏡光軸O11成45°角，激光器201發出的激光與動鏡光軸022平行，與反光鏡202成45°角，1/2波片211放在激光器201后面，1/8波片206放在定立體角鏡208和補償鏡204之間，偏振分束棱鏡209用于分光，由于偏振分束棱鏡209和補償鏡204每個表面都會起或多或少的反射作用，如果在偏振分束鏡209前面放置遮光板，會看到很多光斑:有反射光斑，也有透射光斑;應選取偏振分束棱鏡209第二表面形成的反射光斑和透射光斑，調試使其重合形成干涉，并按一定的角度入射到偏振分束棱鏡使其分光，在P光和S光的出射方向安裝激光接收二極管接收干涉信號。
[0022]如圖3所示，動鏡控制電路包括順序連接的檢測電路310、控制器301和驅動電路302，驅動電路302采用高精度細分驅動芯片，所述的驅動電路302與步進電機101連接，其中檢測電路310包括完成激光干涉信號采集的采樣電路303，完成激光干涉信號放大和濾波的濾波放大電路304，以及完成激光干涉信號的比較、將正弦信號整形成方波脈沖信號的整形電路305。
[0023]控制器301采用數字信號處理器TMS320F28335，其內部集成eQEP，ADC，SCI等豐富的外設接口，用于完成與上位機的通信和干涉信號的接收，通過ADC接收正弦信號、通過eQEP接收方波脈沖信號，通過1 口接收零位信號，通過1控制驅動電路實現對電機運動掃描控制。
[0024]驅動電路302采用高達128倍細分步進電機驅動芯片，只需要處理器幾個1信號就可以實現對步進電機101的控制，主要有方向信號、脈沖信號和細分設置信號:方向信號控制步進電機的運動方向；脈沖信號控制步進電機速度;細分信號設置細分數。一個脈沖信號控制電機一個微步，脈沖的頻率直接決定了電機速度，而脈沖信號通過處理器TMS320F28335的定時器中斷，控制1產生。由于定時器是32位，主時鐘為150M，因此脈沖頻率可以很大范圍的調節。脈沖頻率也可以按勻加速或者正弦規律變化實現電機加速啟動和減速停機，而且頻率的穩定性也好，對應電機的速度穩定。
[0025]從激光器201發出的632.Snm的He-Ne激光經過上述邁克爾遜干涉光路，變成兩路正交干涉光，經過光電二極管接收，再經過采樣電路303、濾波放大電路304后變成兩路正交的正弦信號，通過處理器TMS320F28335的AD轉換模塊接收，同時該信號還通過比較整形電路305變成兩路正交的脈沖信號，通過處理器TMS320F28335的正交編碼脈沖模塊接收(eQEP)接收。
[0026]干涉信號一方面用于動鏡位置反饋，做位置閉環控制，另一方面也作為紅外圖像數據采集的同步觸發信號。當以He-Ne激光波長倍數基準來采樣，只需要通過TMS320F28335的正交編碼脈沖模塊的比較模塊對正交的脈沖信號進行細分即可。由于兩路正交脈沖信號已經把He-Ne激光進行了四倍頻，因此可以實現1/4、1/2、1、2、4、8……等激光波長等光程差米樣。
[0027]如果需要更小的光程差采樣，可以通過兩路正交的正弦信號進行細分后輸出觸發信號。
[0028]本發明通過動鏡在極低速條件下穩定運行滿足高光譜分辨率和高分辨率紅外焦平面陣列成像要求，實現不同光譜率下、不同波速的等光程差采樣，采用步進電機作為驅動電機，通過高細分驅動可實現勻速運動和定位，定位精度達到納米級別，同時在極低速情況下也有較大的驅動力，不易受外界的干擾影響，保持低速平穩運行，同時還具有機構緊湊、體積小、重量輕優點;采用絲桿減速機構以及低摩擦阻力的交叉滾子導軌，在配合高細分控制驅動，可以實現寬范圍的調速運動，同時可實現極低速度的勻速運行。
[0029]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種紅外成像光譜儀，其特征在于:包括動鏡驅動裝置、激光干涉校準系統以及動鏡控制電路； 所述的動鏡驅動裝置包括固定在支撐底座(102)—端的步進電機(101)以及通過聯軸器(103)與電機輸出軸連接的滾珠絲桿(105)，支撐底座(102)內側固定有交叉滾子導軌(104)，交叉滾子導軌(104)上安裝有與滾珠絲桿(105)連接的滑塊(106)，滑塊(106)上設有動立體角錐棱鏡(107)，所述的支撐底座(102)側面安裝有零位光電開關(108); 所述激光干涉校準系統包括分別與直角反射鏡(207)的兩個反射面垂直的光軸O11與光軸022，所述的動立體角鏡(107)安裝在光軸O22上，光軸O22上還安裝有偏振分束棱鏡(209)，所述的光軸On上依次安裝有反光鏡(202)、1/8波片(206)和定立體角鏡(208)，所述光軸O11與光軸O22的交點G處設有平行緊貼的分束鏡(203)和補償鏡(204)，從激光器(201)發出的偏振激光，經過1/2波片(211)后被反光鏡(202)反射至分束鏡(203)分成反射光和透射光，反射光經過動立體角鏡(107)后到達直角反射鏡(207)再經原路返回G點，所述的透射光先經過1/8波片(206)再經過定立體角鏡(208)然后到達直角反射鏡(207)，再經原路返回G點，并與反射光形成干涉一并入射到偏振分束棱鏡(209)，通過激光探測器(210)接收，得到雙路正交干涉信號； 所述的動鏡控制電路包括控制器(301)、作用于正交干涉信號的檢測電路(310)和與步進電機(101)連接的驅動電路(302)。2.根據權利要求1所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的控制器(301)設有接收正弦信號的ADC接口，接收方波脈沖信號的eQEP接口，以及接收零位信號并控制驅動電路(302 )實現對步進電機(1I)運動掃描控制的1接口。3.根據權利要求2所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的控制器(301)為TI公司的2000系列DSP。4.根據權利要求1所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的檢測電路(310)包括完成激光干涉信號采集的采樣電路(303)、濾波放大電路(304)和整形電路(305)。5.根據權利要求1所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的步進電機(101)是步進角為I.8°的兩相混合式步進電機。6.根據權利要求1所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的激光器(201)為632.8nm 的He-Ne激光器。7.根據權利要求1所述的一種紅外成像光譜儀，其特征在于，所述的激光探測器(210)為光電二極管。
【文檔編號】G01J3/45GK105938014SQ201610344238
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】葉小風, 張智杰, 趙坤, 岳松, 孫偉, 王晨晟
【申請人】湖北久之洋紅外系統股份有限公司