专利名称：便携式地物光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及地物光谱仪领域，尤其涉及一种便携式地物光谱仪。
背景技术：
随着科学技术的发展，快速、无损、经济的光谱技术广泛的应用于工业现场检测、 遥感、农产品品质检测等各个领域。遥感领域，野外矿物元素检测分析等领域需要一种携带 方便、精度高、无损以及可野外现场作业的光谱仪器。地物光谱仪以自然光为光源，采用光 栅分光器件作为色散元件，对称式Czerny-Turner光学平台设计，从而降低整个系统的体 积。目前地物光谱仪主要采用光纤探头收集反射光谱，反射光进入一个狭缝，然后经过准 直、光栅分光再聚焦到检测器件上。美国ASD公司生产的Fieldspe系列、SVC HR-1024系 列地物光谱仪，都有着相对小巧的体积，方便携带，该类光谱仪通过将光谱仪设备放在背包 里，通过光纤探头能方便、有效的对目标区域进行测量。目前用于野外现场作业的地物光谱仪，可以把光谱仪放到背包里或支架上，通过 光纤探头，来探测目标区域，因此在遥感、野外矿物元素测量方面得到了广泛的应用。但是 整个仪器体积依然采用传统的光栅分光系统，光学结构复杂，附件繁多、因此体积难以进一 步减小，这类光谱仪价格仍比较昂贵、并且使用光纤探头进行光谱采集，光纤来回弯折容易 损伤，维护成本高也较高。

发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的目的是减小地物光谱仪的体积，使其使用更加方便，降低维护成本，并同 时保持地物光谱仪的高分辨率。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提出了一种便携式地物光谱仪，包括前置光学模块，用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直，并输出准直的光；分光成像模块，其包括线性渐变滤光片、光电转换器以及光电转换驱动电路，所述 线性渐变滤光片对所述前置光学模块输出的准直的光进行分光，所述光电转换驱动电路控 制所述光电转换器采集经所述线性渐变滤光片分光后的光谱，并输出采集的光谱数据；处理模块，与所述分光成像模块连接，对所述光电转换器采集的光谱数据进行处 理以及显示； 控制模块，用于向所述处理模块以及光电转换驱动电路发送控制信号。其中，还包括置于所述前置光学模块和所述分光成像模块之间的反射镜，所述反 射镜将从所述前置光学模块输出的准置的光的传播方向改变90度后入射至所述分光成像 模块。其中，所述前置光学模块还包括CS接口。其中，所述线性渐变滤光片与所述光电转换器光学胶合。
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其中，所述线性渐变滤波片的端面面积与所述光电转换器的窗口面积一致，两者 之间的距离是2. 1mm。其中，所述处理模块包括信号调理单元、数据采集单元以及电源单元，所述信号 调理单元将输入的光谱数据进行调理后输出到数据采集单元，所述电源单元向所述调理单 元供电。其中，还包括上位机模块，其与所述处理模块通过USB数据总线进行通信，用于进 行光谱数据的分析。其中，所述光电转换器是CCD检测器、PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像探测器 阵列或InGaAs线性成像探测器阵列中的任意一种。其中，所述线性渐变滤光片的光谱范围为380-1 lOOnm。(三)有益效果本发明的上述技术方案具有如下优点通过在分光成像模块中使用线性渐变滤光 片作为色散元件，使得地物光谱仪的结构更加简单，体积更加小巧，更加结实耐用；通过在 前置光学模块和分光成像模块之间加入反射镜，进一步缩小了地物光谱仪的体积；通过前 置光学模块采用CS接口，可以根据用户的需要更换镜头，摒弃传统地物光谱仪所使用的光 纤探头，降低了光纤探头易损伤带来的维护成本；通过精确控制线性渐变滤光片与检测器 之间的距离，提高了光谱仪的光学分辨率。


图1为依照本发明一种实施方式的地物光谱仪的示意图；图2为依照本发明一种实施方式的加入反射镜的地物光谱仪的一部分的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示为本发明的地物光谱仪的示意图，包括前置光学模块1、分光成像模块 2、处理模块3、控制模块4。其中，前置光学模块1，在其前端置有非光纤探头，用于将收集目标漫反射光，对 收集到的光进行准直，并将准直的光输出；分光成像模块2包括线性渐变滤光片6 (LVF， linear variable filter)、(XD检测器7以及C⑶驱动电路8，所述线性渐变滤光片6对所 述前置光学模块1输出的准直的光进行分光，CCD驱动电路8控制所述CCD检测器7采集 经线性渐变滤光片6分光后的光谱，并输出采集的光谱数据；处理模块3通过内部数据总线 与分光成像模块2连接，从而对CCD检测器7采集的光谱数据进行处理、分析及显示；控制 模块4嵌入处理模块3，用于向处理模块3和CXD驱动电路8发送控制信号，从而进行光谱 数据处理和光谱的显示。优选地，本实施例还可以包括上位机模块5，其与处理模块3通过USB数据总线进 行通信，从而进行光谱数据的分析。在本实施例中，前置光学模块1包含置于非光纤探头之后的物镜和准直镜并采用 标准的CS接口，通过CS接口将准直后的入射光输出到分光成像模块2中，由于采用了 CS
4接口，配备多个不同焦距、视场角的定焦镜头，根据拍摄距离和环境的差异，可以选取不同 类型的镜头，增强了仪器操作的简便性。在本实施例中，分光成像模块2中的LVF 6为光色散元件，用于代替传统色散 元件光栅、棱镜等，使得地物光谱仪的体积更为小巧、轻便。通常线性渐变滤光片LVF 6 只对一定波长范围的光谱起分光透射作用，其光谱范围可以是380-1100nm，本实例采用 JDSU620-10803(C)型线性滤光片，其工作范围为620-1 lOOnm。分光成像模块2中的CCD检测器件7为线性阵列，一次可同时测量多个点，波长响 应与线性渐变滤光片6分光波段范围匹配良好，并具备高信噪比、高读出速率、高灵敏度及 能适应野外变化莫测的环境干扰，CCD检测器可以采用PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像 探测器阵列或InGaAs线性成像探测器阵列中的任意一种替代，并采用相应的驱动电路。本 实施例采用日本滨松公司的S8377-256Q线阵CMOS检测器件及其驱动C9001。优选地，LVF6与CXD检测器件7采用光学胶合工艺进行连接，LVF6的端面面积与 C⑶检测器的窗口面积基本一致，两者的距离为2. 1mm，从而使从LVF6输出的光可以高效地 耦合入CXD检测器7，从而提高了地物光谱仪的分辨率。CXD驱动电路8与处理模块3通过 内部数据线进行连接，控制模块4通过控制处理模块3发出指令使CCD驱动电路8工作，从 而驱动CCD检测器7进行数据采集。本发明的实施例中的处理模块3包括信号调理单元9、数据采集单元10、液晶显示 单元(未示出)、电源单元11，其中信号调理单元9包含信号放大、滤波电路，和AD转换功 能电路，数据采集单元10对调理电路输出的信号进行采集，从而完成分光成像模块2的输 出信号的处理。通过电源单元11包括的电池组以及稳定电压电路，为处理模块3的其它单 元(例如，液晶显示单元和数据采集单元11)以及CCD驱动电路8等提供所需的直流工作 电压。本实施例的控制模块4，包含数据分析界面显示单元12、控制系统单元13，通过将 控制模块4嵌入处理模块3，对硬件系统发出工作指令完成各部分的工作，包括数据采集， 积分时间控制，数据存储、数据发送、数据分析等相关指令操作。根据不同的野外环境，通过控制模块4控制进行不同模式上的拍摄，根据不同模 式下各波段所需的积分时间进行优化计算，再嵌入到处理模块4当中，从而在实际野外作 业时，选择合适的工作模式进行光谱采集。如图1所示的本发明的实施例的工作原理是以太阳光为光源，目标经过阳光的 照射产生的漫反射，经过本发明的前置光学模块1收集、准直后到达LVF6进行分光，在处理 模块3的数据采集单元10的采集信号的驱动下CCD检测器件7开始工作，根据环境自动计 算出CCD的积分时间并对LVF滤光后的光谱进行数据采集，直到收到停止采集信号指令为 止，采集到的信号通过处理模块3进行信号放大、滤波、AD转换，从而将光谱图形实时显示 在液晶显示单元上，并进行下一步数据采集、存储、发送等相关的操作，并通过USB数据总 线将处理模块3与上位机5进行通信，读取和发送数据，进行光谱数据的后期分析处理。在本发明的另一个实施例中，如图2所示，在前置光学模块1和分光成像模块2 之间置有反射镜15，目标物体14经过阳光的光照产生漫反射，通过前置光学系统1中的非 光纤探头和物镜收集、并经过准直镜准直为平行光束，准直后的光束通过反射镜15(反射 镜15被胶合成与前置光学模块2中的镜筒成45° )，从而将前置光学系统1的输出光转折
590°，经过反射后的光进入分光成像模块2，通过本发明的LVF6将光束分为各种波长的单 色光，CCD检测器7在CCD驱动电路8的驱动下完成对光谱的采集，采集后的光谱经过处理 模块3、控制模块4，进行信号调理，根据环境自动切换或手动切换仪器的工作模式并且光 谱曲线图实时显示在处理的液晶显示单元上。 以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种便携式地物光谱仪，其特征在于，包括前置光学模块，用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直，并输出准直的光；分光成像模块，其包括线性渐变滤光片、光电转换器以及光电转换驱动电路，所述线性渐变滤光片对所述前置光学模块输出的准直的光进行分光，所述光电转换驱动电路控制所述光电转换器采集经所述线性渐变滤光片分光后的光谱，并输出采集的光谱数据；处理模块，与所述分光成像模块连接，对所述光电转换器采集的光谱数据进行处理以及显示；控制模块，用于向所述处理模块以及光电转换驱动电路发送控制信号。
2.如权利要求1所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，还包括置于所述前置光学模 块和所述分光成像模块之间的反射镜，所述反射镜将从所述前置光学模块输出的准置的光 的传播方向改变90度后入射至所述分光成像模块。
3.如权利要求1所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述前置光学模块还包括CS 接口。
4.如权利要求3所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述线性渐变滤光片与所述 光电转换器光学胶合。
5.如权利要求4所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述线性渐变滤波片的端面 面积与所述光电转换器的窗口面积一致，两者之间的距离是2. 1mm。
6.如权利要求5所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述处理模块包括信号调理 单元、数据采集单元以及电源单元，所述信号调理单元将输入的光谱数据进行调理后输出 到数据采集单元，所述电源单元向所述调理单元供电。
7.如权利要求6所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，还包括上位机模块，其与所述 处理模块通过USB数据总线进行通信，用于进行光谱数据的分析。
8.如权利要求1所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述光电转换器是CCD检测 器、PDA光电二极管阵列、CMOS线性成像探测器阵列或InGaAs线性成像探测器阵列中的任 意一种。
9.如权利要求1所述的便携式地物光谱仪，其特征在于，所述线性渐变滤光片的光谱 范围为 380-1100nm。全文摘要
本发明公开了一种便携式地物光谱仪，包括前置光学模块，用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直，并输出准直的光；分光成像模块，其包括线性渐变滤光片、光电转换器以及光电转换驱动电路，线性渐变滤光片对前置光学模块输出的准直的光进行分光，光电转换驱动电路控制光电转换器采集经线性渐变滤光片分光后的光谱，并输出采集的光谱数据；处理模块，与分光成像模块连接，对光电转换器采集的光谱数据进行处理以及显示；控制模块，用于向处理模块以及光电转换驱动电路发送控制信号。本发明的系统可操作性和可靠性强，灵敏度高。本发明的地物光谱仪结构简单、体积小，便于携带和使用。
文档编号G01J3/28GK101915615SQ201010228140
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者侯瑞锋, 朱大洲, 王成, 王纪华, 陈泉 申请人:北京农业智能装备技术研究中心