光栅式高光谱相机及成像系统的制作方法

光栅式高光谱相机及成像系统
【技术领域】
1.本实用新型涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种光栅式高光谱相机及成像系统。


背景技术：

2.高光谱相机是一种应用高光谱成像技术制成的相机，其能够达到很高的光谱分辨率，在400-1000nm的范围内光谱分辨率通常优于10nm，并且具备连续光谱成像的特点。
3.由于逐渐成熟的面阵探测器与光栅分光系统的技术结合，使得光栅式高光谱相机的性能得到了较大的改善，现有的光栅式光谱相机主要有凝视式成像光谱相机、傅立叶成像光谱相机以及快照式成像光谱相机等。
4.光栅式高光谱相机中主流的分光方式为反射式光栅分光，其通过前置镜头与反射式光栅的光学结构耦合光路，并利用面阵相机采集物质的光谱图像。
5.但随着光栅式高光谱相机的光谱与空间分辨率的需求提升，如何获取更高分辨率、更高灵敏度以及更低杂散度的光谱图像成为了其最主要的问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种光栅式高光谱相机，以解决现有光栅式高光谱相机无法获取更高分辨率、更高灵敏度以及更低杂散度的光谱图像的问题。
7.第一方面，本实用新型提供了一种光栅式高光谱相机，其包括底板以及固定于所述底板并沿所述底板的一端向另一端的方向依次间隔设置的镜头、狭缝、准直镜、透射光栅、聚焦镜和探测器；所述狭缝的宽度为15
±
0.1μm，长度为12
±
0.1mm，所述探测器上设置有串口总线接口；
8.所述狭缝的光轴、所述准直镜的光轴以及所述镜头的光轴均处于同一直线，所述透射光栅的光轴与所述准直镜的光轴之间具有10
±
5度的夹角，所述聚焦镜的光轴与所述透射光栅的光轴之间具有10
±
5度的夹角，所述探测器的光轴与所述聚焦镜的光轴之间具有5
±
2度的夹角。
9.优选的，所述底板为l型结构，所述底板包括第一直板、由所述第一直板的一端弯折延伸并与所述第一直板垂直设置的第二直板以及贯穿所述第二直板设置的安装孔；所述镜头固定于所述第二直板远离所述第一直板的一侧并与所述安装孔正对，所述狭缝通过连接件固定于所述安装孔内。
10.优选的，所述光栅式高光谱相机还包括固定于所述底板的第一固定架；所述准直镜穿设固定于所述第一固定架上。
11.优选的，所述光栅式高光谱相机还包括固定于所述底板的第二固定架；所述透射光栅穿设固定于所述第二固定架上。
12.优选的，所述光栅式高光谱相机还包括设置于所述底板的第三固定架；所述聚焦镜穿设固定于所述第三固定架上。
13.优选的，所述第三固定架包括第一支撑板、间隔设置于所述第一支撑板且长度方向相互平行的多个第一腰型孔、分别由每个所述第一腰型孔穿设至所述底板的多个第一螺丝、第一支撑架、间隔设置于所述第一支撑架且长度方向相互平行的第二腰型孔以及分别由每个所述第二腰型孔穿设至所述第一支撑板的多个第二螺丝；所述第二腰型孔与所述第一腰型孔的长度方向相交，所述第二腰型孔的长度方向平行于所述聚焦镜的光轴；所述聚焦镜穿设固定于所述第一支撑架上。
14.优选的，所述光栅式高光谱相机还包括设置于所述底板的第四固定架；所述探测器穿设固定于所述第四固定架上。
15.优选的，所述第四固定架包括第二支撑板、间隔设置于所述第二支撑板且长度方向相互平行的多个第三腰型孔、分别由每个所述第三腰型孔穿设至所述底板的多个第三螺丝、第三支撑板、间隔设置于所述第三支撑板且长度方向相互平行的多个第四腰型孔、分别由每个所述第四腰型孔穿设至所述第二支撑板的多个第四螺丝、第二支撑架、间隔设置于所述第二支撑架且长度方向相互平行的第五腰型孔以及分别由每个所述第五腰型孔穿设至所述第三支撑板的多个第五螺丝；所述第四腰型孔的长度方向与所述第三腰型孔的长度方向垂直，所述第五腰型孔的长度方向以及所述第三腰型孔的长度方向均与所述探测器的光轴平行；所述探测器穿设固定于所述第二支撑架上。
16.优选的，所述光栅式高光谱相机还包括用于连接所述串口总线接口和外部设备的数据传输线缆。
17.第二方面，本实用新型还提供了一种光栅式高光谱成像系统，所述光栅式高光谱成像系统包括外壳、收容于所述外壳内如上所述的光栅式高光谱相机以及计算机终端，所述计算机终端与所述光栅式高光谱相机形成数据通讯连接。
18.与相关技术相比，本实用新型中光栅式高光谱相机通过在底板上依次间隔设置镜头、狭缝、准直镜、透射光栅、聚焦镜和探测器，所述探测器上设置有串口总线接口，并限定狭缝的宽度和长度，同时限定各部件之间的光轴角度，从而可以使其获取更高分辨率、更高灵敏度以及更低杂散度的光谱图像。
【附图说明】
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
20.图1为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机的整体结构立体图；
21.图2为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机的整体结构俯视图；
22.图3为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机中第三支架以及第四支架分别与底板之间的连接部分放大图；
23.图4为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机的光路示意图；
24.图5为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机的流程示意图；
25.图6为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机获取的图像的汞灯标准光源400nm至1000nm的特征光谱示意图；
26.图7为本实用新型实施例提供的一种光栅式高光谱相机获取的图像的标准光源577nm和579nm的特征光谱示意图。
27.其中，100、光栅式高光谱相机；1、底板；11、第一直板；12、第二直板；2、镜头；3、狭缝；4、准直镜；41、第一固定架；5、投射光栅；51、第二固定架；6、聚焦镜；61、第三固定架；611、第一支撑板；612、第一腰型孔；613、第一支撑架；614、第二腰型孔；7、探测器；71、第四固定架；711、第二支撑板；712、第三腰型孔；713、第三螺丝；714、第三支撑板；715、第四腰型孔；716、第四螺丝；717、第二支撑架；718、第五腰型孔；719、第五螺丝；8、数据传输线缆。
【具体实施方式】
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.本实用新型实施例提供了一种光栅式高光谱相机100，结合图1至图5所示，其包括底板1以及固定于底板1并沿底板1的一端向另一端的方向依次间隔设置的镜头2、狭缝3、准直镜4、透射光栅5、聚焦镜6和探测器7，探测器7上设置有串口总线接口(图未示)。
30.其中，镜头2用于采集并聚焦目标物的光谱维和空间维的图像信息；狭缝3用于调节入射光的强度和纯度，其还会影响光谱分辨率；准直镜4用于将会聚点光或镜头2的发散光整形为一束平行的准直光柱；透射光栅5用于将准直镜4发出的混合光分解为多个级次的多种波段单色光；聚焦镜6用于将较大的图像会聚为较小的图像；探测器7用于接受聚焦镜6发出的目标物光谱维和空间维的光强信息，并对其光强信息进行电路处理；串口总线接口用于与电脑、笔记本等外部设备连接，并将经过探测器7处理后的图像信息通过传输线发送至外部设备(计算机设备)。
31.具体地，狭缝3的光轴、准直镜4的光轴以及镜头2的光轴均处于同一直线，透射光栅5的光轴与准直镜4的光轴之间具有10
±
5度的夹角(夹角a)，聚焦镜6的光轴与透射光栅5的光轴之间具有10
±
5度的夹角(夹角b)，探测器7的光轴与聚焦镜6的光轴之间具有5
±
2度的夹角(夹角c)。
32.本实施例中，底板1为l型结构，底板1包括第一直板11、由第一直板11的一端弯折延伸并与第一直板11垂直设置的第二直板12以及贯穿第二直板12设置的安装孔(图未示)；镜头2固定于第二直板12远离第一直板11的一侧并与安装孔正对，狭缝3通过连接件(图未示)固定于安装孔内。这样设置可以通过第二直板12更好的将镜头2和狭缝3的安装于底板1。
33.本实施例中，光栅式高光谱相机100除了镜头2和狭缝3设置于第二直板12，其余的器件均设置于第一直板11上。
34.本实施例中，光栅式高光谱相机100还包括固定于底板1的第一固定架41；准直镜4穿设固定于第一固定架41上。这样设置可以通过第一固定架41更方便将准直镜4安装于底板1。
35.本实施例中，光栅式高光谱相机100还包括固定于底板1的第二固定架51；透射光栅5穿设固定于第二固定架51上。这样设置可以通过第二固定架51更好的将投射光栅5安装
于底板1。
36.本实施例中，光栅式高光谱相机100还包括设置于底板1的第三固定架61；聚焦镜6穿设固定于第三固定架61上。这样设置可以通过第三固定架61更好的将投射光栅5安装于底板1。
37.其中，第三固定架61为可带动聚焦镜6进行双轴移动的固定架结构；具体为：第三固定架61包括第一支撑板611、间隔设置于第一支撑板611且长度方向相互平行的多个第一腰型孔612、分别由每个第一腰型孔612远离底板1的一端穿设至底板1的多个第一螺丝(图未示)、第一支撑架613、间隔设置于第一支撑架613且长度方向相互平行的第二腰型孔614以及分别由每个第二腰型孔614远离第一支撑板611的一端穿设至第一支撑板611的多个第二螺丝(图未示)；第二腰型孔614与第一腰型孔612的长度方向相交，第二腰型孔614的长度方向平行于聚焦镜6的光轴；聚焦镜6穿设固定于第一支撑架613上。这样设置可以使聚焦镜6进行双轴方向上的移动，以便于聚焦镜6接收透射光栅5发出的单色光。
38.当然，第三固定架61进行双轴移动的方式还可以通过滑槽配合限位部的方式实现移动，或者通过滑槽配合限位部加上丝杆的方式进行移动，或者通过气缸驱动的方式实现移动等。
39.本实施例中，光栅式高光谱相机100还包括设置于底板1的第四固定架71；探测器7穿设固定于第四固定架71上。这样设置可以更好的将探测器7安装于底板1。
40.其中，第四固定架71为可带动探测器7进行三轴移动的固定架结构；具体为：第四固定架71包括第二支撑板711、间隔设置于第二支撑板711且长度方向相互平行的多个第三腰型孔712、分别由每个第三腰型孔712远离底板1的一端穿设至底板1的多个第三螺丝713、第三支撑板714、间隔设置于第三支撑板714且长度方向相互平行的多个第四腰型孔715、分别由每个第四腰型孔715远离第二支撑板711的一端穿设至第二支撑板711的多个第四螺丝716、第二支撑架717、间隔设置于第二支撑架717且长度方向相互平行的第五腰型孔718以及分别由每个第五腰型孔718远离第三支撑板714的一端穿设至第三支撑板714的多个第五螺丝719；第四腰型孔715的长度方向与第三腰型孔712的长度方向垂直，第五腰型孔718的长度方向以及第三腰型孔712的长度方向均与探测器7的光轴平行；探测器7穿设固定于第二支撑架717上。这样设置可以使探测器7进行三轴移动，以便于探测器7接收聚焦镜6发出的图像信息。
41.当然，第四固定架71进行三轴移动的方式还可以通过滑槽配合限位部的方式实现移动，或者通过滑槽配合限位部加上丝杆的方式进行移动，或者通过气缸驱动的方式实现移动等。
42.本实施例中，光栅式高光谱相机100还包括用于连接串口总线接口和外部设备的数据传输线缆8。通过增加数据传输线缆8，可以使光栅式高光谱相机100更好的将拍摄的图片传输至外部设备，如电脑、笔记本等。
43.光栅式高光谱相机100的基础原理为：在各部件之间的光路设计下收集目标物空间一维的图像光信息，图像光信息经过高性能透射光栅5的多缝衍射原理使图像混合光信息发声色散分解为连续光谱图像，再通过高通量低杂散度的光路设计使图像探测器7收集到目标物的高分辨率光谱图像。
44.光栅式高光谱相机100的工作过程为：目标物空间上一维的混合光谱图像信息被
镜头2收集并会聚投射至狭缝3，狭缝3特点的宽度和长度控制入射光的通过量并将发散光发射至准直镜4，准直镜4将通过狭缝3的发散光整形为一束平行的准直光柱，该准直光柱以特定的角度入射至透射光栅5，准直光柱通过透射光栅5的色散分光为多个级次的多个连续波段的单色光并以特定角度进入聚焦镜6，聚焦镜6使得可见光近红外波段单色光的一维空间图像会聚至探测器7的感光面，探测器7的感光面接收可见光近红外波段单色光强信息后经过电路处理得到图像数据，再通过通用串口总线接口并用两端螺丝锁定在探测器7上的数据传输线缆8将图像数据信息传输至外部设备端，最终得到高分辨率、高灵敏度以及低杂散度的空间一维可见光近红外光谱图像。
45.光栅式高光谱相机100通过使用高性能的全息投射光栅5作为色散原件，利用其全透射的光学结构，实现了高分辨率以及高灵敏度的光谱成像系统，同时兼顾空间维度与色散维度的分辨率，相比于反射式光栅高光谱相机局域更好的成像质量与优异的能量集中度的优势；球面光学原件的系统设计，有利于控制批量生产的成本；全透射结构易于装调和量产，整个结构小巧稳定，可以应对更广泛的经济和更高指标需求的光谱应用场景，并且可搭载于不同的采集平台以面对更广大的用户；力求成为探索物质识别、分类、定性或定量成像光谱检测的有效采集工具。
46.图6为光栅式高光谱相机100获取的图像的汞灯标准光源400nm至1000nm的特征光谱示意图，图7为光栅式高光谱相机100获取的图像的标准光源577nm和579nm的特征光谱示意图，通过这两个图可以看出本实施例中的光栅式高光谱相机100具有较高的灵敏度，并且光谱分辨率优于现有设备的2nm。
47.与相关技术相比，本实施例中光栅式高光谱相机100通过在底板1上依次间隔设置镜头2、狭缝3、准直镜4、透射光栅5、聚焦镜6和探测器7，探测器7上设置有串口总线接口，并限定狭缝3的宽度和长度，同时限定各部件之间的光轴角度，从而可以使其获取更高分辨率、更高灵敏度以及更低杂散度的光谱图像。
48.本实用新型还提供了一种光栅式高光谱成像系统的实施例，该光栅式高光谱成像系统包括外壳、收容于外壳内如上述实施例的光栅式高光谱相机100以及计算机终端，该计算机终端与光栅式高光谱相机100形成数据通讯连接。
49.由于本实施例中的光栅式高光谱成像系统设置有上述实施例中的光栅式高光谱相机100，因此其也能达到上述实施例中光栅式高光谱相机100所达到的技术效果，在此不作赘述。
50.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。