李志增+刘加庆

摘 要：为了应对现有光谱成像仪体积较大、需要复杂光学系统的问题，设计了一种基于光纤光学成像的轻型光谱成像仪。方案采用光学系统与探测器一体化封装，不仅可以有效降低光学系统的装调难度，还可以大大减小整个光谱成像仪的体积，使其更加牢固、抗震。结果表明，这个方案在不降低系统性能的同时消除了光谱串扰。

关键词：光谱成像仪；轻质化；光谱串扰；探测器

中图分类号：TH744.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.021

近年来，随着遥感探测、防伪检测和环境监测等的现代化发展，相关部门对用于分析、科学研究的光谱成像仪提出了小型化、轻量化、系统简单等要求。

目前，常用的光谱成像仪是由相机和光谱仪组成的，体积比较大，并且需要使用复杂的光学系统获取高质量的光谱成像数据。这一现状导致应用于现场环境的光谱成像仪需要采用额外的加固等措施，这显然限制了光谱成像技术的应用范围。为了解决这个问题，本文设计了一种基于光纤光学成像波导的轻型光谱成像仪，它解决了传统光谱成像仪体积大、需要复杂光学系统的问题，实现了光学系统与探测器一体化封装，有效降低了光学系统装调难度。另外，系统对振动和热效应不敏感，可有效抑制分光组件的光谱串扰。

1 方案设计

该系统主要由成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电子学系统、电源接口、时序/逻辑控制模块组成。本方案只能获取一维光谱数据和一维空间图像数据，需要依靠移动获取另一维空间图像数据。另外，本方案可集成到一维或二维转台等专用运动平台，以及无人机、汽车、轮船、飞机、气球等运动平台上，依靠载体运动并配以运动补偿算法等补偿机制，实现对不同目标的光谱成像观测，从而获取对应的三维立方数据。数据经USB接口与上位机软件通信，完成控制命令接收、数据上传等。

成像光学模块采用双高斯镜设计，与用于可见相机的商用镜头典型特性一致。它主要用于将入射光聚焦到光纤面板的渐变滤光片薄膜表面，并将入射光转换为光纤光学光谱成像所需的光束类型。光纤光学光谱成像与探测器模块主要由渐变滤光片薄膜、光纤光学波导、光学黏合剂、探测器阵列等组成。该模块作为核心模块，用于完成入射光的光谱分光与光谱成像，并将入射光信号转换为电信号。渐变滤光片薄膜、光纤光学波导和探测器阵列使用光学黏合剂黏合，形成一体化封装模块。这样做，可以显著提高入射光的耦合能力，消除光谱串扰，降低系统光学装调难度，极大地缩小封装尺寸。

电子学系统主要包括信号调理模块、探测器驱动电路、A/D转换模块、乒乓缓存阵列、时序控制模块和USB接口模块等。它负责完成探测器驱动、数据获取与采样、数据缓存与传输、与上位机通信、轻型成像光谱仪工作控制等。

2 实施实例

本方案给出的基于光纤光学成像波导的轻型成像光谱仪主要是由成像光学模块、光纤光学光谱成像与探测器模块、电子学系统、电源接口、时序/逻辑控制模块组成。其原理见图1.

3 实验测试与验证

实验室中使用单色仪输出光照射光纤滤波光谱仪（FFS：fiber filter spectrometer）样机方式测量FFS样机的光谱串扰。当单色仪输出聚焦到FFS仪器特定光谱波段时，记录所有图像控制器象元的响应。实验装置如图2所示。

中心波长为600 nm时的光谱响应如图3所示，图中对应中心波长的半高宽区域用星标出。由于半高宽区域内的象元理论上能响应单色仪输出，因此，仅有半高宽以外区域的响应被当作串扰。半高宽外的响应降到最大响应的10-3或更小。这些图标表明，FFS模块成功消除了光学串扰。

4 结束语

最终，本方案提出的基于渐变滤光片的超便携式光谱分析系统具有以下性能：①光谱分析系统的整机质量不大于400 g；②光谱分析系统的光谱分辨率优于1.5 nm；③光谱分析系统的尺寸不大于60 mm×60 mm×140 mm。本方案的相关技术可以实现轻型的成像光谱测量仪器，具有极高的灵敏度和完善的评价体系。

参考文献

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作者简介：李志增（1987—），男，主要从事光電测量相关领域的研究。

〔编辑：白洁〕