本發(fā)明涉及成像光譜技術(shù)領(lǐng)域，通過改進傳統(tǒng)推掃式成像光譜儀結(jié)構(gòu)，降低現(xiàn)有成像光譜儀的功耗、成本以及有效準直消色差，同時，進行了模塊化的系統(tǒng)設(shè)計，方便調(diào)試和組裝。

背景技術(shù)：

成像光譜儀，將數(shù)字成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在一起，能夠同時獲得目標(biāo)的二維圖像信息和光譜信息，可以應(yīng)用在航空、航天等觀測系統(tǒng)上，實現(xiàn)對地目標(biāo)觀測，用來監(jiān)控植物生長，鑒別植物類型，以及鑒別軍事偽裝等。按其掃描方式不同，成像光譜儀可以分為三類：擺掃式，推掃式，和凝視型成像光譜儀。按其分光方式不同，可以分為光柵型、棱鏡型、干涉型、濾光片型成像光譜儀。以光柵為分光器件的推掃式成像光譜儀一般由成像鏡頭，狹縫，準直鏡，光柵，匯聚鏡，面陣相機等組成。在此，我們提出了一種基于非球面消色差透鏡和面陣cmos相機的推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，并對系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)計，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，色差小，功耗小，光譜分辨率高，便于調(diào)試跟組裝等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1、發(fā)明目的。

本發(fā)明提出了一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，以解決現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高等問題。

2、發(fā)明所采用的技術(shù)方案。

本發(fā)明提出一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，依次同軸設(shè)置透鏡、狹縫、第一非球面消色差透鏡、分光模塊、第二非球面消色差透鏡、面陣cmos相機。外界光經(jīng)透鏡或者成像聚焦到狹縫上，狹縫經(jīng)第一非球面消色差透鏡準直，然后經(jīng)過分光模塊進行分光，最后，經(jīng)過第二非球面消色差透鏡，聚焦到面陣cmos相機上。

為了降低成本，便于組裝，所述的分光模塊可拆卸設(shè)置。

更進一步具體實施方式中，所述的分光模塊由第一楔形棱鏡、透射光柵和第二楔形棱鏡，同軸設(shè)置依次排列組成。

更進一步具體實施方式中，所述的分光模塊組裝所采用的結(jié)構(gòu)如下：所述的分光模塊包括棱鏡固定裝置、固定裝置，所述的棱鏡固定裝置和固定裝置都為圓柱形裝置，通過法蘭相對固定，其兩者相對的內(nèi)部設(shè)有與方形透射光柵相匹配的凹槽用于固定方形透射光柵，外部端分別設(shè)置與圓形第一楔形棱鏡、第二楔形棱鏡相匹配的凹槽用于固定第一楔形棱鏡、第二楔形棱鏡。

更進一步具體實施方式中，還包括第二固定卡環(huán)、第三固定卡環(huán)，第一楔形棱鏡通過第二固定卡環(huán)固定在棱鏡固定裝置上，第二楔形棱鏡通過第三固定卡環(huán)固定在固定裝置上。

更進一步具體實施方式中，第一非球面消色差透鏡固定采用如下方式：還包括第一固定卡環(huán)、透鏡固定裝置，將第一非球面消色差透鏡放置在透鏡固定裝置中，通過第一固定卡環(huán)固定，透鏡固定裝置以螺紋連接的方式連接到分光模塊上。

更進一步具體實施方式中，轉(zhuǎn)接件安裝使用方式如下：還包括轉(zhuǎn)接件、左端外殼，左端外殼以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置連接，轉(zhuǎn)接件與相機以c口螺紋的方式連接，轉(zhuǎn)接件套在左端外殼上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)接件和左端外殼之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡的焦平面上。

更進一步具體實施方式中，還包括第一轉(zhuǎn)接件，第二轉(zhuǎn)接件，第三轉(zhuǎn)接件，第二轉(zhuǎn)接件法蘭的形式連接到分光模塊，第二非球面消色差透鏡放置在第二轉(zhuǎn)接件中，然后用第四固定卡環(huán)固定。

更進一步具體實施方式中，第三轉(zhuǎn)接件套在第一轉(zhuǎn)接件上，第二轉(zhuǎn)接件具有與第三轉(zhuǎn)接件相匹配的外螺紋和第二轉(zhuǎn)接件的導(dǎo)向槽，第三轉(zhuǎn)接件與第一轉(zhuǎn)接件通過螺釘固定，旋轉(zhuǎn)第三轉(zhuǎn)接件時，第二轉(zhuǎn)接件向前移動，狹縫固定在第二轉(zhuǎn)接件上，通過第三轉(zhuǎn)接件調(diào)節(jié)狹縫與透鏡之間的距離。

更進一步具體實施方式中，還包括外殼右端、主體外殼和左端外殼，主體外殼與左端外殼以螺釘?shù)男问竭B接，主體外殼與外殼右端以螺釘?shù)男问竭B接。

3、本發(fā)明所產(chǎn)生的技術(shù)效果。

(1)本發(fā)明采用非球面消色差透鏡作為準直透鏡和聚焦透鏡，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時保證系統(tǒng)具有較好的色差表現(xiàn)。

(2)本發(fā)明采用了模塊化設(shè)計，方便調(diào)節(jié)和組裝。

(3)本發(fā)明采用cmos相機作為感光元件，具有較低功耗和較高幀率。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)。

圖2為系統(tǒng)的整體外觀結(jié)構(gòu)圖。

圖3為系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)。

圖4為分光模塊組裝結(jié)構(gòu)圖。

圖5為組裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖。

圖6為推掃式可見光/近紅外成像光譜儀與無人機安裝圖。

圖7為分光模塊原理圖。

附圖標(biāo)記說明：

透鏡1，狹縫2，第一非球面消色差透鏡3-1，第二非球面消色差透鏡3-2，分光模塊4，外殼右端5，面陣cmos相機6,第一固定卡環(huán)7-1,第二固定卡環(huán)7-2,第三固定卡環(huán)7-3,第四固定卡環(huán)7-4，轉(zhuǎn)接件8，左端外殼9，透鏡固定裝置10，第一楔形棱鏡11-1和第二楔形棱鏡11-2，棱鏡固定裝置12，透射光柵13，固定裝置14，第一轉(zhuǎn)接件15-1，第二轉(zhuǎn)接件15-2，第三轉(zhuǎn)接件15-3，主體外殼16，無人機a,固定裝置b,推掃式可見光/近紅外成像光譜儀c。

具體實施方式

實施例1

下面結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明作進一步說明。

1、具體結(jié)構(gòu)：

一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。依次同軸設(shè)置透鏡1、狹縫2、第一非球面消色差透鏡3-1、分光模塊4、第二非球面消色差透鏡3-2、、面陣cmos相機6,

外界光經(jīng)透鏡1聚焦到狹縫2上，狹縫經(jīng)第一非球面消色差透鏡3-1準直，然后經(jīng)過分光模塊4進行分光，最后，經(jīng)過第二非球面消色差透鏡3-2，聚焦到面陣cmos相機6上。分光模塊可拆卸設(shè)置，由第一楔形棱鏡11-1、透射光柵13和第二楔形棱鏡11-2，同軸設(shè)置依次排列組成?？梢酝ㄟ^改變楔形棱鏡的楔角來調(diào)整相機上的光譜范圍，其原理如圖7所示。經(jīng)過第一非球面消色差透鏡準直后的光線平行入射到楔形棱鏡上，棱鏡的楔角為a,光線經(jīng)過棱鏡后發(fā)生折射，設(shè)其折射角為b，空氣的折射率為n1,棱鏡的折射率為n2,折射滿足斯涅耳定律:

n1×sin(a)＝n2*sin(b)

之后光線經(jīng)過透射光柵分光，光線路徑滿足：

d×(sin(b)-sin(c))＝mλ

其中d為光柵常數(shù)，c為從光柵出射的階次為m的光線的出射角度。

由以上公式可以看出，通過改變楔形棱鏡的楔角，可以調(diào)整面陣相機的光譜范圍，用以適應(yīng)不同種類的相機。

與傳統(tǒng)的推掃式成像光譜儀相比，系統(tǒng)采用了非球面消色差透鏡來代替非球面透鏡，或者透鏡組，在準直的同時，對系統(tǒng)的色差進行了校正，具有結(jié)構(gòu)緊湊，色差小的特點。此外，使用cmos相機作為感光元件，降低了系統(tǒng)的功耗。

如圖4和圖5所示，所述的分光模塊還包括第一固定卡環(huán)7-1、第二固定卡環(huán)7-2、第三固定卡環(huán)7-3、透鏡固定裝置10、棱鏡固定裝置12、固定裝置14，所述的棱鏡固定裝置12和固定裝置14都為圓柱形裝置，通過法蘭相對固定，其兩者相對的內(nèi)部設(shè)有與方形透射光柵13相匹配的凹槽用于固定方形透射光柵13，外部端分別設(shè)置與圓形第一楔形棱鏡11-1、第二楔形棱鏡11-2相匹配的凹槽用于固定第一楔形棱鏡11-1、第二楔形棱鏡11-2，第一楔形棱鏡11-1通過第二固定卡環(huán)7-2固定在棱鏡固定裝置12上，第二楔形棱鏡11-2通過第三固定卡環(huán)7-3固定在固定裝置14上，將第一非球面消色差透鏡3-1放置在透鏡固定裝置10中，通過第一固定卡環(huán)7-1固定，透鏡固定裝置10以螺紋連接的方式連接到分光模塊上。

如圖3所示，本發(fā)明還包括第一轉(zhuǎn)接件15-1，第二轉(zhuǎn)接件15-2，第三轉(zhuǎn)接件15-3，第二轉(zhuǎn)接件15-2以法蘭的形式連接到分光模塊，然后用螺釘固定，第二非球面消色差透鏡3-2放置在第二轉(zhuǎn)接件15-2中，然后用第四固定卡環(huán)7-4固定。第三轉(zhuǎn)接件15-3套在第一轉(zhuǎn)接件15-2上，第二轉(zhuǎn)接件15-2具有與第三轉(zhuǎn)接件15-3相匹配的外螺紋和第二轉(zhuǎn)接件15-2的導(dǎo)向槽，第三轉(zhuǎn)接件15-3與第一轉(zhuǎn)接件15-1通過螺釘固定，旋轉(zhuǎn)第三轉(zhuǎn)接件15-3時，第二轉(zhuǎn)接件15-2向前移動，狹縫2固定在第二轉(zhuǎn)接件15-2上，通過第三轉(zhuǎn)接件15-3調(diào)節(jié)狹縫與透鏡之間的距離。

還包括外殼右端5、轉(zhuǎn)接件8、左端外殼9、主體外殼16，左端外殼9以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置10連接，轉(zhuǎn)接件8與相機以c口螺紋的方式連接，轉(zhuǎn)接件8套在左端外殼9上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)接件8和左端外殼9之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡3-1的焦平面上，之所以采用這樣的調(diào)節(jié)方式，是因為系統(tǒng)的光譜分辨率，在不考慮狹縫影響的前提下，由分光模塊中透射光柵的線色散決定。光柵的線色散，可以由以下公式表示：

其中，m為衍射光譜級次，θ為衍射角，f為聚焦透鏡焦距，σ探測器光敏面傾角?？梢钥闯?，系統(tǒng)光譜分辨率在光柵確定的情況下，受聚焦透鏡焦距的影響很大，因此需要采用此種方式對其進行精細調(diào)節(jié)。

主體外殼16與左端外殼9以螺釘?shù)男问竭B接，主體外殼16與外殼右端5以螺釘?shù)男问竭B接。

2、安裝方式

對分光模塊進行安裝如圖4所示，首先將透射光柵13放置在固定裝置14中，用膠固定，然后將第二楔形棱鏡11-2從右端放置到固定裝置14中，用第三固定卡環(huán)7-3固定。然后將棱鏡固定裝置12與固定裝置14用螺紋固定，為了方便定位，以及保證共軸性，棱鏡固定裝置12與固定裝置14之間設(shè)置有相匹配的法蘭。接下來，將第一楔形棱鏡11-1放置在棱鏡固定裝置12中，用第二固定卡環(huán)7-2固定。分光模塊安裝完成后，將圖3中的透鏡固定裝置10以螺紋連接的方式連接到分光模塊上，將第一非球面消色差透鏡3-1放置在透鏡固定裝置10中，然后用第一固定卡環(huán)7-1固定。之后，將左端外殼9以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置10連接。轉(zhuǎn)接件8與相機以c口螺紋的方式連接。然后將轉(zhuǎn)接件8套在左端外殼9上，通過調(diào)整轉(zhuǎn)接件8和左端外殼9之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡3-1的焦平面上。將相機感光面移到透鏡的焦平面之后，將轉(zhuǎn)接件8和左端外殼9用螺釘固定。接下來，根據(jù)圖3，將第二轉(zhuǎn)接件15-2以法蘭的形式，連接到分光模塊，然后用螺釘固定。

將第二非球面消色差透鏡3-2放置在第二轉(zhuǎn)接件15-2中，然后用第四固定卡環(huán)7-4固定。為了使狹縫2恰好處于第二非球面消色差透鏡3-2的焦平面，從而得到比較好的準直效果，此處借鑒了成像鏡頭的機械設(shè)計，將第三轉(zhuǎn)接件15-3套在第一轉(zhuǎn)接件15-2上，第二轉(zhuǎn)接件15-2具有與第三轉(zhuǎn)接件15-3相匹配的外螺紋，第三轉(zhuǎn)接件15-3上面除了有與第二轉(zhuǎn)接件15-2相匹配的內(nèi)螺紋，還有第二轉(zhuǎn)接件15-2的導(dǎo)向槽，將第三轉(zhuǎn)接件15-3與第一轉(zhuǎn)接件15-1通過螺釘固定，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)第三轉(zhuǎn)接件15-3時，第二轉(zhuǎn)接件15-2就會向前移動，將狹縫狹縫2固定在第二轉(zhuǎn)接件15-2上，就可以通過第三轉(zhuǎn)接件15-3來調(diào)節(jié)狹縫與透鏡之間的距離。在以上調(diào)節(jié)都完成之后，將主體外殼16與左端外殼9以螺釘?shù)男问竭B接，然后再將主體外殼16與外殼右端5以螺釘?shù)男问竭B接。

如圖6所示，a是無人機，c是推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，b是固定裝置，通過固定裝置b將推掃式可見光/近紅外成像光譜儀c固定在無人機上。坐標(biāo)軸如圖6左上角所示，y軸垂直紙面向里。掃描時，無人機的高度固定，沿x軸的方向運動，即可得到xy平面物體的空間信息和在陽光照射下的反射光譜信息?？梢杂脕肀O(jiān)控農(nóng)作物長勢以及進行病蟲害監(jiān)測。當(dāng)采用等效焦距為50mm的非球面消色差透鏡來進行準直和聚焦，狹縫寬度為10um時，探測器為振旺光電的asi174mm時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)1.5nm的光譜分辨率，其波長范圍為350nm-1000nm。

上述描述中的實施方案可以進一步組合或者替換，且實施方案僅僅是對本發(fā)明專利的優(yōu)選實施例進行描述，并非對本發(fā)明專利的構(gòu)思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明專利設(shè)計思想的前提下，本領(lǐng)域中專業(yè)技術(shù)人員對本發(fā)明專利的技術(shù)方案作出的各種變化和改進，均屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的目的是提供一種模塊化的，結(jié)構(gòu)緊湊，方便調(diào)試跟組裝的，并且具有較高光譜分辨率的推掃式可見光/近紅外成像光譜儀。