基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统

1.本发明涉及光谱设备技术领域，尤其涉及一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统。


背景技术：

2.相比常规光栅光谱仪，中阶梯光栅光谱仪具有高光谱分辨率、高衍射效率、全谱段瞬态直读等优点，是电感耦合等离子体、激光诱导等离子体、火花光谱、天体光谱精细分析的首选光谱仪，被广泛应用于原子发射谱探测、天文星体探测等领域。
3.在现有的技术方案中，中阶梯光栅光谱仪的基本光路为czerny-turner光路，其结构如图1所示，大多数中阶梯光栅光谱仪的设计都是根据其性能指标由该光路改进演变得到。其中，为入射光的入射角，定义为光线波矢在主截面内的投影与光栅法线的夹角，具有正负特性，光栅法线同侧为异号，光栅法线两侧为同号。为入射光的入射方位角，定义为波矢与主截面的夹角。l、w为中阶梯光栅的长和宽。复色光由针孔进入，经准直镜变为平行光束后入射到中阶梯光栅并在x方向进行第一次色散分光。第一次色散光束存在多个级次的光谱重叠，需由另一光栅或棱镜在y方向进行第二次色散分光，最终二维色散光束由会聚镜在像面上进行成像，得到针孔单色图像的二维分布。
4.现有的中阶梯光栅光谱仪都是小孔入射，且只能对单点探测，若想超高光谱分辨率探测，需要拉长系统焦距、增加中阶梯光栅的长宽比，会使得仪器体积较大、中阶梯光栅加工较难并且难以匹配到探测器同时会为像差校正带来困难。
5.综上所述，如何设计一种在保证光谱仪小型化的同时可提高光谱分辨率，实现面视场多目标探测的光谱探测系统，是当下亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统。
7.本发明目的在于提供一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于，包括：光源、窄带复色光形成系统、色散系统和探测器系统；所述窄带复色光形成系统包括窄带滤光片轮、光纤束阵列、狭缝；所述光源用于发出宽波段复色光，所述宽波段复色光经所述窄带滤光片轮后入射至所述光纤束阵列，经所述光纤束阵列将面视场切割成矩阵视场，再入射至所述狭缝将所述矩阵视场变成线阵视场，得到窄带复色光；所述窄带复色光经所述色散系统产生色散光束后，入射至所述探测器系统中，得到超光谱图像。
8.优选的，光纤束阵列的输入端为n
×
n光纤束阵列，输出端为1
×
n2光纤束线阵。
9.优选的，色散系统包括准直镜和中阶梯光栅；所述窄带复色光经过所述准直镜的准直后，入射至所述中阶梯光栅，经所述中阶梯光栅发生窄带色散后形成色散光束，入射至所述探测器系统。
10.优选的，狭缝的长度方向与色散方向相垂直。
11.优选的，探测器系统包括沿光路依次设置的成像镜和探测器；所述色散光束经过所述成像镜的汇聚后入射至所述探测器。
12.优选的，线阵视场中每一个位置的光与所述探测器的像元像素相互对应。
13.优选的，色散系统还包括折转镜，所述折转镜设置在所述狭缝与所述准直镜之间。
14.优选的，探测器为imperx面阵cmos。
15.优选的，窄带复色光的带宽为30~100nm。
16.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，在保证小型化的同时提高光谱分辨率，并实现面视场多目标探测；解决了现有中阶梯光栅光谱仪小孔入射、且只能对单点探测，若想超高光谱分辨率探测，需要拉长系统焦距、增加中阶梯光栅的长宽比，会使得仪器体积较大、中阶梯光栅加工较难并且难以匹配到探测器同时会为像差校正带来困难的诸多问题，实现pm级别的光谱分辨率成像。
附图说明
17.图1是中阶梯光栅光谱仪光路结构示意图。
18.图2是根据本发明实施例提供的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统示意图。
19.图3是根据本发明实施例提供的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统成像的流程示意图。
20.图4是根据本发明实施例提供的光纤束阵列切割视场示意图。
21.图5是根据本发明实施例提供的探测器靶面色散示意图。
22.附图标记：1、窄带滤光片轮；2、光纤束阵列；3、狭缝；4、准直镜；5、中阶梯光栅；6、成像镜；7、探测器。
具体实施方式
23.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
25.图2示出了一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，包括：光源、窄带复色光形成系统、色散系统和探测器系统；窄带复色光形成系统包括窄带滤光片轮1、光纤束阵列2、狭缝3；所述色散系统包括准直镜4和中阶梯光栅5；所述探测器系统包括沿光路依次设置的成像镜6和探测器7；光源采用宽波段高功率卤素光源，用于发出宽波段复色光；宽波段复色光经窄带滤光片轮1后入射至光纤束阵列2，经光纤束阵列2将面视场切割成矩阵视场，再入射至狭缝3将所述矩阵视场变成线阵视场，得到窄带复色光；所述窄带复色光经过准直镜4的准直后，
入射至中阶梯光栅5，经中阶梯光栅5发生窄带色散后形成色散光束，所述色散光束经过成像镜6的汇聚后入射至所述探测器7，得到超光谱图像。
26.光纤束阵列2的输入端为n
×
n光纤束阵列，输出端为1
×
n2光纤束线阵。
27.所述狭缝3的长度方向与色散方向相垂直。
28.所述线阵视场中每一个位置的光与探测器7的像元像素相互对应。
29.在具体的实施例中，狭缝3与准直镜4之间还设有折转镜。
30.在具体的实施例中，狭缝3为电动狭缝。
31.在具体的实施例中，探测器7为imperx面阵cmos。
32.实施例1本实施例提供一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，包括：光源、窄带滤光片轮1、光纤束阵列2、狭缝3、准直镜4和中阶梯光栅5、成像镜6和探测器7；图4为光纤束阵列切割视场示意图，光纤束阵列2的输入端为3
×
3光纤束阵列，输出端为1
×
9光纤束线阵，目的在于将阵列视场转化为线阵视场从而进入狭缝3；狭缝3为电动狭缝，采用电动狭缝目的是系统装调过程中可以控制狭缝大小和位置；狭缝3的长度方向与色散方向相垂直，即线阵视场与色散方向相垂直，所述色散方向指的是狭缝上每一个空间点都会沿着图5所示的色散方向进行色散；图5为探测器靶面色散示意图，此处显示像面的大小以现有的cmos为例，靶面像元个数为1024
×
1024，像元大小为7.4um，色散方向以及狭缝长度方向关系如图所示；探测器7为imperx面阵cmos；光源用于发出宽波段复色光，宽波段复色光经窄带滤光片轮1后入射至光纤束阵列2，经光纤束阵列2将面视场切割成矩阵视场，再入射至狭缝3将所述矩阵视场变成线阵视场，得到窄带复色光；所述窄带复色光经过准直镜4的准直后，入射至中阶梯光栅5，经中阶梯光栅5发生窄带色散后形成色散光束，所述色散光束经过成像镜6的汇聚后入射至所述探测器7，得到超光谱图像。
33.所述窄带复色光的带宽为50nm。
34.本发明中的中阶梯光栅5利用其较少的线密度和较大的闪耀角工作在较高的闪耀级次，每一级的自由光谱区较窄，因此需将宽波段复色光变成窄带复色光后再通过中阶梯光栅5进行色散，以免造成光谱混叠等问题；同时，采用本系统可以完成最终宽波段面视场的超光谱成像，减少系统动件，为动态的超光谱探测提供解决思路。
35.实施例2本实施例提供一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，与实施例1的不同之处在于，狭缝3与准直镜4之间还设有折转镜；设置折转镜的目的是折转以后可以缩小整个系统的体积。
36.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
37.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于，包括：光源、窄带复色光形成系统、色散系统和探测器系统；所述窄带复色光形成系统包括窄带滤光片轮、光纤束阵列、狭缝；所述光源用于发出宽波段复色光，所述宽波段复色光经所述窄带滤光片轮后入射至所述光纤束阵列，经所述光纤束阵列将面视场切割成矩阵视场，再入射至所述狭缝将所述矩阵视场变成线阵视场，得到窄带复色光；所述窄带复色光经所述色散系统产生色散光束后，入射至所述探测器系统中，得到超光谱图像。2.根据权利要求1所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述光纤束阵列的输入端为n
×
n光纤束阵列，输出端为1
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n2光纤束线阵。3.根据权利要求2所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述色散系统包括准直镜和中阶梯光栅；所述窄带复色光经过所述准直镜的准直后，入射至所述中阶梯光栅，经所述中阶梯光栅发生窄带色散后形成色散光束，入射至所述探测器系统。4.根据权利要求3所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述狭缝的长度方向与色散方向相垂直。5.根据权利要求4所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述探测器系统包括沿光路依次设置的成像镜和探测器；所述色散光束经过所述成像镜的汇聚后入射至所述探测器。6.根据权利要求5所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述线阵视场中每一个位置的光与所述探测器的像元像素相互对应。7.根据权利要求6所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述色散系统还包括折转镜，所述折转镜设置在所述狭缝与所述准直镜之间。8.根据权利要求7所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述探测器为imperx面阵cmos。9.根据权利要求8所述的基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统，其特征在于：所述窄带复色光的带宽为30~100nm。

技术总结
本发明涉及光谱设备技术领域，具体提供一种基于光纤阵列的多目标超光谱探测系统。包括：光源、窄带复色光形成系统、色散系统和探测器系统；所述窄带复色光形成系统包括窄带滤光片轮、光纤束阵列、狭缝；所述光源用于发出宽波段复色光，所述宽波段复色光经所述窄带滤光片轮后入射至所述光纤束阵列，经所述光纤束阵列将面视场切割成矩阵视场，再入射至所述狭缝将所述矩阵视场变成线阵视场，得到窄带复色光；所述窄带复色光经所述色散系统产生色散光束后，入射至所述探测器系统中，得到超光谱图像。优点在于：保证小型化的同时提高光谱分辨率，并实现面视场多目标探测；实现pm级别的光谱分辨率成像。辨率成像。辨率成像。


技术研发人员：杨晋 冯树龙 陈佳奇 孙慈 王金雨 宋楠 王明佳 赵梓彤 王添一
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/8/24