本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于獲得光譜的分光模塊及包括該分光模塊的雙模復(fù)用光學(xué)裝置。

背景技術(shù)：

光場(chǎng)是空間中同時(shí)包含二維位置(x，y)和二維方向信息(u，v)的四維光輻射場(chǎng)的參數(shù)化表示。隨著照相技術(shù)的發(fā)展，光場(chǎng)成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用在三維重構(gòu)、數(shù)字調(diào)焦等方面。相較傳統(tǒng)成像方式，光場(chǎng)成像技術(shù)能獲取更豐富的目標(biāo)信息(除目標(biāo)位置信息外，還能感知發(fā)出光線(xiàn)的方向信息)，在圖像重建或處理過(guò)程中，這些多出的信息能解決傳統(tǒng)技術(shù)中圖像失焦、多物聚焦、運(yùn)動(dòng)模糊等很多問(wèn)題，應(yīng)用于航拍、動(dòng)畫(huà)渲染、立體投影、儀器測(cè)量等方面。

光譜探測(cè)技術(shù)可以幫助用戶(hù)了解物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)，是一種必要的分析手段，以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)不同類(lèi)型的光譜儀，如光柵掃描光譜儀、傅里葉變換光譜儀等。傳統(tǒng)光譜儀依賴(lài)于大量光學(xué)元件，往往體積龐大，成本較高。為順應(yīng)小型化、低成本的發(fā)展趨勢(shì)，一種新的光譜探測(cè)方法有待提出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提出了一種用于獲得光譜的分光模塊及包括該分光模塊的雙模復(fù)用光學(xué)裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種用于獲得光譜的分光模塊，用于獲得被測(cè)目標(biāo)物體光譜，沿光入射方向依次包括光入射窗口、漫射器、濾波片陣列，濾波片陣列的尺寸為Dx×Dy，漫射器水平和豎直方向上的最大發(fā)散角度分別為θ_x、θ_y，濾波片陣列和漫射器之間的間距d滿(mǎn)足：光入射窗由特定波段可透的材料制成，所述特定波段為分光模塊的目標(biāo)波段，所述濾波片陣列為角度調(diào)諧濾波片陣列，濾波器每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的濾波片具有不同的中心波長(zhǎng)，光漫射器的最大發(fā)散角度θ_max＝max{θ_x、θ_y}，所述濾波片陣列的濾波片的最大可調(diào)節(jié)角度α需滿(mǎn)足：α≤θ_max。

本發(fā)明還提供一種雙模復(fù)用光學(xué)裝置，包括上述分光模塊，還包含：

照明模塊：用于向被測(cè)目標(biāo)物體提供光照；

光場(chǎng)成像模塊：用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)物體的光場(chǎng)成像，沿光入射方向依次包含會(huì)聚透鏡、微透鏡陣列、探測(cè)器、控制電路，其中：會(huì)聚透鏡將來(lái)自濾波片陣列的光線(xiàn)會(huì)聚于微透鏡平面上，微透鏡陣列將來(lái)自于與微透鏡對(duì)應(yīng)的濾波片上的光線(xiàn)以光譜的形式投射在探測(cè)器上，探測(cè)器用于探測(cè)被測(cè)目標(biāo)物體的光譜或光場(chǎng)成像結(jié)果，控制電路用于控制探測(cè)器對(duì)光譜和光場(chǎng)成像結(jié)果進(jìn)行拍攝；

所述照明模塊和分光模塊構(gòu)成一個(gè)整體，照明模塊置于分光模塊光入射窗口一側(cè)，分光模塊和光場(chǎng)成像模塊可拆卸式連接。

此外，照明模塊出射光線(xiàn)與入射窗口之間的夾角可調(diào)節(jié)，這樣能夠盡可能保證目標(biāo)反射和散射光線(xiàn)垂直入射到入射窗。

作為優(yōu)選方式，所述漫射器表面鍍?cè)鐾改?，?或漫射器表面采用微透鏡陣列的表面形貌。

作為優(yōu)選方式，所述濾波片陣列的濾波片為以下幾種濾波片中的一種：(1)法布里-珀羅濾波片；(2)薄膜濾光片；(3)干涉濾光片。

作為優(yōu)選方式，照明模塊還包含一個(gè)控制電路，用于控制模塊的點(diǎn)亮和調(diào)節(jié)照明模塊的亮度。

作為優(yōu)選方式，微透鏡陣列的透鏡與濾波片陣列的單個(gè)濾波片位置一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)微透鏡在濾波片陣列上的投影位于與微透鏡對(duì)應(yīng)的單個(gè)濾波片內(nèi)部，微透鏡陣列位于會(huì)聚透鏡的焦平面上，探測(cè)器位于微透鏡陣列的焦平面上，每個(gè)微透鏡的焦距相同，微透鏡陣列中各微透鏡間存在間隙δ，間隙處鍍有吸光薄膜，間隙大小δ與微透鏡焦平面彌散斑的直徑σ的關(guān)系為：δ≥σ。吸光薄膜用于減少相鄰微透鏡間光的干擾。

作為優(yōu)選方式，濾波片為正方形，微透鏡陣列中每個(gè)微透鏡的直徑小于等于正方形濾波片的內(nèi)切圓直徑。

作為優(yōu)選方式，微透鏡是非球面的。這樣可以減少像差。

作為優(yōu)選方式，會(huì)聚透鏡置于光場(chǎng)成像模塊的最前端，所述會(huì)聚透鏡選自：平凸透鏡、雙凸透鏡、非球面透鏡其中的一種，或采用透鏡組的形式。

作為優(yōu)選方式，微透鏡陣列和探測(cè)器間存在墊塊支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與微透鏡陣列焦距相等。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵、邁克爾遜干涉儀等分光方式，提出一種基于角度調(diào)諧濾波片陣列的分光模塊以及包括該分光模塊的利用光場(chǎng)成像技術(shù)的雙模式復(fù)用光學(xué)裝置。分光模塊用于獲得被測(cè)目標(biāo)物體光譜，光線(xiàn)入射到角度調(diào)諧濾波片陣列后，能得到波長(zhǎng)與出射角度相關(guān)的規(guī)律分布的光譜。當(dāng)將光場(chǎng)成像技術(shù)應(yīng)用于光譜探測(cè)時(shí)，由于能有效感知光線(xiàn)角度上的變化，光譜探測(cè)結(jié)果具有較高的分辨率，實(shí)現(xiàn)光譜儀的功能。此外，角度調(diào)諧濾波片陣列制作工藝簡(jiǎn)單，加工成本低，且可以加工成任意形狀大小，為裝置小型化創(chuàng)造更多可能。本發(fā)明提出的雙模式復(fù)用光學(xué)裝置能實(shí)現(xiàn)光譜探測(cè)和光場(chǎng)成像兩種功能的一體化，可應(yīng)用于物質(zhì)光譜探測(cè)、數(shù)字圖像探測(cè)、數(shù)字調(diào)焦，可獲得高分辨率成像結(jié)果，同時(shí)模塊可拆卸，便于用戶(hù)根據(jù)需求使用裝置。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中照明模塊和分光模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中光場(chǎng)成像模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中雙模式復(fù)用光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為漫射器和濾波片陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為微透鏡陣列間隙鍍膜示意圖；

圖6光場(chǎng)模塊光線(xiàn)傳播示意圖；

圖7子濾波片出射光譜分布圖；

其中，101為照明模塊，102為光入射窗口，103為漫射器，104為濾波片陣列，105為會(huì)聚透鏡，106為微透鏡陣列，107為探測(cè)器，108為控制電路，1、2、3為子濾波片。

此外，δ表示相鄰微透鏡間隙大小；λ₁、λ₂、λ₃分別表示不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種用于獲得光譜的分光模塊，用于獲得被測(cè)目標(biāo)物體光譜，沿光入射方向依次包括光入射窗口102、漫射器103、濾波片陣列104，濾波片陣列的尺寸為Dx×Dy，如圖4所示，漫射器水平和豎直方向上的最大發(fā)散角度分別為θ_x、θ_y，濾波片陣列和漫射器之間的間距d滿(mǎn)足：滿(mǎn)足上述條件能有效利用裝置的空間，如果不滿(mǎn)足會(huì)導(dǎo)致濾波片陣列部分面積的浪費(fèi)。光入射窗由特定波段可透的材料制成，所述特定波段為分光模塊的目標(biāo)波段，所述濾波片陣列為角度調(diào)諧濾波片陣列，濾波器陣列包含一系列子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域有一塊濾波片，即所述濾波器由一系列濾波片構(gòu)成。濾波器陣列每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)的濾波片具有不同的中心波長(zhǎng)，光漫射器的最大發(fā)散角度θ_max＝max{θ_x、θ_y}，所述濾波片陣列的濾波片的最大可調(diào)節(jié)角度α需滿(mǎn)足：α≤θ_max。

實(shí)施例2

如圖3所示，一種雙模復(fù)用光學(xué)裝置，包括實(shí)施例1中的分光模塊，還包含：照明模塊101：用于向被測(cè)目標(biāo)物體提供光照；光場(chǎng)成像模塊：用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)物體的光場(chǎng)成像，沿光入射方向依次包含會(huì)聚透鏡105、微透鏡陣列106、探測(cè)器107、控制電路108，其中：會(huì)聚透鏡將來(lái)自濾波片陣列的光線(xiàn)會(huì)聚于微透鏡平面上，微透鏡陣列將來(lái)自于與微透鏡對(duì)應(yīng)的濾波片上的光線(xiàn)以光譜的形式投射在探測(cè)器上，探測(cè)器用于探測(cè)被測(cè)目標(biāo)物體的光譜或光場(chǎng)成像結(jié)果，控制電路用于控制探測(cè)器對(duì)光譜和光場(chǎng)成像結(jié)果進(jìn)行拍攝；所述照明模塊和分光模塊構(gòu)成一個(gè)整體，照明模塊置于分光模塊光入射窗口一側(cè)，分光模塊和光場(chǎng)成像模塊可拆卸式連接，如螺紋連接、花鍵連接、卡扣連接等。

所述照明模塊可通過(guò)目前存在的任何照明裝置實(shí)現(xiàn)。例如激光器、量子點(diǎn)LED、紅外LED和鹵素?zé)舻?。照明模塊可通過(guò)LED陣列的形式實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，陣列中的每個(gè)LED的發(fā)光光譜不同，使得照明裝置的總光譜覆蓋可見(jiàn)光到近紅外波段。照明模塊還包含一個(gè)聚光裝置，將光源發(fā)出的光匯聚到所測(cè)樣品上。

照明模塊發(fā)出光線(xiàn)照射到樣品上，被樣品反射的光線(xiàn)經(jīng)分光模塊入射窗照射到漫射器上。

此外，照明模塊出射光線(xiàn)與入射窗口之間的夾角可調(diào)節(jié)，例如照明模塊鉸接在分光模塊光入射窗口一側(cè)，這樣能夠盡可能保證目標(biāo)反射和散射光線(xiàn)垂直入射到入射窗。照明模塊還包含一個(gè)控制電路，用于控制模塊的點(diǎn)亮和調(diào)節(jié)照明模塊的亮度。

所述探測(cè)器可為既有探測(cè)器中的任意一種，例如CCD或CMOS。

所述漫射器表面鍍?cè)鐾改?，?或漫射器表面采用微透鏡陣列的表面形貌。透射到漫射器上的光線(xiàn)，經(jīng)漫射器103勻化作用，使得透射光具有均勻的光譜分布。使得各個(gè)波長(zhǎng)的光波具有基本相同的發(fā)散角范圍0度～θ度。

所述濾波片陣列的濾波片為以下幾種濾波片中的一種：(1)法布里-珀羅濾波片；(2)薄膜濾光片；(3)干涉濾光片。

微透鏡陣列的微透鏡與濾波片陣列的單個(gè)濾波片位置一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)微透鏡在濾波片陣列上的投影位于與微透鏡對(duì)應(yīng)的單個(gè)濾波片內(nèi)部，微透鏡陣列位于會(huì)聚透鏡的焦平面上，探測(cè)器位于微透鏡陣列的焦平面上，每個(gè)微透鏡的焦距相同，如圖5所示，微透鏡陣列中各微透鏡間存在間隙δ，間隙處鍍有吸光薄膜，間隙大小δ與微透鏡焦平面彌散斑的直徑σ的關(guān)系為：δ≥σ。吸光薄膜用于減少相鄰微透鏡間光的干擾。

濾波片為正方形，微透鏡陣列中每個(gè)微透鏡的直徑小于等于正方形濾波片的內(nèi)切圓直徑。

微透鏡是非球面的。這樣可以減少像差。

會(huì)聚透鏡置于光場(chǎng)成像模塊的最前端，所述會(huì)聚透鏡選自：平凸透鏡、雙凸透鏡、非球面透鏡其中的一種，或采用透鏡組的形式。

微透鏡陣列106和探測(cè)器107間存在墊塊支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與微透鏡陣列焦距相等。

如圖7所示，由于濾波片陣列的角度調(diào)諧特性，所述濾波片陣列104的任意一個(gè)子濾波片的光線(xiàn)出射角度與出射光波長(zhǎng)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，出射光具有規(guī)律的光譜分布，呈多個(gè)嵌套的同心圓環(huán)。在一些實(shí)施例中，圓環(huán)半徑越大對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)越短。

如附圖6所示，ai、bi、ci(i＝1、2、3)表示來(lái)自濾波片陣列104中子濾波片1、2、3的三種出射角度(對(duì)應(yīng)三種不同波長(zhǎng))的光線(xiàn)，其中，腳標(biāo)i表示來(lái)自第i塊子濾波片，而a、b、c分別表示三種不同的出射角度。來(lái)自各個(gè)子濾波片的出射光經(jīng)會(huì)聚透鏡105的會(huì)聚作用，聚焦在放置于會(huì)聚透鏡105焦平面處的微透鏡陣列上。不同出射角度的光線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的微透鏡，并最終投射在探測(cè)器106上不同的區(qū)域，圖中探測(cè)器區(qū)域一、二、三分別探測(cè)到來(lái)自三個(gè)子濾波片出射角度為a、b、c的光譜分布，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

實(shí)施例3

如圖2所示，本實(shí)施例采用光場(chǎng)成像模塊實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)相機(jī)功能。

光場(chǎng)成像模塊：用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)物體的光場(chǎng)成像，沿光入射方向依次包含會(huì)聚透鏡105、微透鏡陣列106、探測(cè)器107、控制電路108，其中：會(huì)聚透鏡將來(lái)自濾波片陣列的光線(xiàn)會(huì)聚于微透鏡平面上，微透鏡陣列將來(lái)自于與微透鏡對(duì)應(yīng)的濾波片上的光線(xiàn)以光譜的形式投射在探測(cè)器上，探測(cè)器用于探測(cè)被測(cè)目標(biāo)物體的光譜或光場(chǎng)成像結(jié)果，控制電路用于控制探測(cè)器對(duì)光譜和光場(chǎng)成像結(jié)果進(jìn)行拍攝；

所述探測(cè)器可為既有探測(cè)器中的任意一種，例如CCD或CMOS。

微透鏡陣列的微透鏡與濾波片陣列的單個(gè)濾波片位置一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)微透鏡在濾波片陣列上的投影位于與微透鏡對(duì)應(yīng)的單個(gè)濾波片內(nèi)部，微透鏡陣列位于會(huì)聚透鏡的焦平面上，探測(cè)器位于微透鏡陣列的焦平面上，每個(gè)微透鏡的焦距相同，微透鏡陣列中各微透鏡間存在間隙δ，間隙處鍍有吸光薄膜，鍍膜材料為金屬鉻。間隙大小δ與微透鏡焦平面彌散斑的直徑σ的關(guān)系為：δ≥σ。微透鏡之間的間隙鍍吸光薄膜膜可反射部分雜散光，減少相鄰微透鏡間光的干擾。

光線(xiàn)依次通過(guò)會(huì)聚透鏡105、微透鏡陣列106后會(huì)聚在探測(cè)器107平面，控制電路108控制探測(cè)器107將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

來(lái)自空間不同位置、一定方向上的外部光線(xiàn)通過(guò)透鏡組組成的會(huì)聚透鏡105匯聚到放置在會(huì)聚透鏡焦平面處的微透鏡陣列106的對(duì)應(yīng)微透鏡上。所述微透鏡陣列排列方式可為面陣列和線(xiàn)陣列兩種，如12個(gè)微透鏡組成的1×12的線(xiàn)陣列或2×6、3×4的面陣列。

為減少像差，所述微透鏡陣列的每個(gè)微透鏡為平凸非球面透鏡，平面對(duì)向會(huì)聚透鏡105，凸面對(duì)向探測(cè)器107。在許多實(shí)施例中，每個(gè)間隙鍍有光吸收或反射薄膜，

會(huì)聚透鏡置于光場(chǎng)成像模塊的最前端，所述會(huì)聚透鏡選自：平凸透鏡、雙凸透鏡、非球面透鏡其中的一種，或采用透鏡組的形式。

微透鏡陣列106和探測(cè)器107間存在墊塊支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與微透鏡陣列焦距相等，該結(jié)構(gòu)用于固定光路。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。