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掃描成像光譜儀系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括成像鏡頭單元、掃描單元、預覽成像單元、光譜分光單元、探測單元和計算機單元；該掃描單元包括擺鏡，通過該擺鏡實現(xiàn)該系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式之間的切換，當該系統(tǒng)處于預覽模式時，該擺鏡以靜止的狀態(tài)將該漫反射光信號反射至該預覽成像單元，當該系統(tǒng)處于光譜成像模式時，該擺鏡以擺掃的狀態(tài)將該漫反射光信號反射至光譜分光單元。本發(fā)明通過擺鏡實現(xiàn)系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式之間的切換，從而可以在光譜成像模式之前對成像區(qū)域進行預覽，可以減小成像區(qū)域選擇的時間，提高系統(tǒng)的效率，有效利用野外時間的有效光照，克服了光譜成像過程較慢，時間較長，不適用于選擇視場區(qū)域的缺點。
【專利說明】掃描成像光譜儀系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 上個世紀八十年代以來，光譜成像技術(shù)開始被廣泛應用于航天航空遙感成像。通 過飛行器搭載，在礦產(chǎn)與石油資源探測、水質(zhì)及大氣污染監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)和林業(yè)等領(lǐng)域取得 了矚目成就。目前，這項技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到生物醫(yī)學、藝術(shù)品防偽鑒定、食品安全監(jiān)測、疾 病的控制與治療等民用領(lǐng)域，獲得了越來越廣泛的研究與運用。
[0003] 光譜成像技術(shù)從原理上分為多種，其中，色散型成像光譜儀是最早提出并獲得實 用化的成像光譜儀器，它具有原理簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。然而，基于色散型的成像光譜儀 一般每次光譜成像針對一條地物，完成一組光譜成像過程才能夠看到視場全局，并對視場 進行選擇，這大大的增加了成像區(qū)域選擇的時間，降低了成像光譜儀系統(tǒng)的效率。另外，現(xiàn) 在使用擺鏡的成像光譜儀將擺鏡安裝在成像鏡頭的前方，工作時會引入背景雜散光，降低 了數(shù)據(jù)質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)，能夠減少背景雜散光 干擾以及減小成像區(qū)域選擇的時間，提高系統(tǒng)的效率。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)，包括 成像鏡頭單元、掃描單元、預覽成像單元、光譜分光單元、探測單元和計算機單元；
[0008] 所述成像鏡頭單元，用于收集地物樣品的漫反射光信號；
[0009] 所述掃描單元包括擺鏡，通過所述擺鏡實現(xiàn)所述系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式 之間的切換，當所述系統(tǒng)處于預覽模式時，所述擺鏡以靜止的狀態(tài)將所述漫反射光信號反 射至所述預覽成像單元，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時，所述擺鏡以擺掃的狀態(tài)將所述 漫反射光信號反射至光譜分光單元；
[0010] 所述預覽成像單元，用于將接收的漫反射光信號進行聚焦，并將所述聚焦后的漫 反射光信號轉(zhuǎn)向至所述探測單元的光敏面上；
[0011] 所述光譜分光單元，用于對接收的漫反射光信號進行分光，并將所述分光得到的 光信號反射至所述探測單元的光敏面上；
[0012] 所述計算機單元，與所述探測單元相連，用于當所述系統(tǒng)處于預覽模式時根據(jù)所 述探測單元探測的信息得到預覽信息，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時根據(jù)所述探測單元 探測的信息得到光譜信息。
[0013] 進一步地，所述掃描單元位于所述成像鏡頭單元的后方，所述系統(tǒng)還包括外殼，所 述掃描單元、預覽成像單元、光譜分光單元以及探測單元均位于所述外殼內(nèi)，形成封閉結(jié) 構(gòu)。
[0014] 進一步地，所述掃描單元還包括電機和控制器，所述控制器通過所述電機對所述 擺鏡的狀態(tài)進行控制，當所述系統(tǒng)處于預覽模式時，所述控制器控制所述擺鏡處于靜止的 狀態(tài)，將所述漫反射光信號反射至所述預覽成像單元，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時，所 述控制器控制所述擺鏡處于擺掃的狀態(tài)，將所述漫反射光信號反射至光譜分光單元。
[0015] 進一步地，所述電機為步進電機或者伺服電機。
[0016] 進一步地，所述預覽成像單元包括第一反射鏡、透鏡、第二反射鏡；
[0017] 所述第一反射鏡，用于將所述預覽成像單元接收的漫反射光信號反射至所述透 鏡；
[0018] 所述透鏡，用于對漫反射光信號進行聚焦；
[0019] 所述第二反射鏡，用于將所述聚焦后的漫反射光信號反射至所述探測單元的光敏 面上。
[0020] 進一步地，所述光譜分光單元包括中繼透鏡、狹縫、第一球面反射鏡、分光結(jié)構(gòu)、第 二球面反射鏡；
[0021] 所述中繼透鏡，用于將所述光譜分光單元接收的漫反射光信號聚焦在所述狹縫 處；
[0022] 所述狹縫，用于限制漫反射光信號的光通量；
[0023] 所述第一球面反射鏡，用于將透過所述狹縫的漫反射光信號聚焦到所述分光結(jié) 構(gòu)；
[0024] 所述分光結(jié)構(gòu)，用于對透過所述狹縫的漫反射光信號進行分光；
[0025] 所述第二球面反射鏡，用于將分光后得到的光信號聚焦至所述探測單元的光敏面 上。
[0026] 進一步地，所述分光結(jié)構(gòu)為凸面光柵。
[0027] 進一步地，所述探測單元為面陣探測器。
[0028] (三）有益效果
[0029] 本發(fā)明通過單片擺鏡實現(xiàn)系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式之間的切換，并同時完 成光譜成像模式擺掃功能，減少了系統(tǒng)器件數(shù)量，減少系統(tǒng)復雜程度，增加了穩(wěn)定性。預覽 模式因此可以減小成像區(qū)域選擇的時間，提高系統(tǒng)的效率，有效利用野外時間的有效光照， 克服了光譜成像過程較慢，時間較長，不適用于選擇視場區(qū)域的缺點。本發(fā)明將掃描單元安 裝在成像鏡頭的后方，如此可以使用外殼將光學器件和探測器件封裝在密閉環(huán)境中，有效 的減少了背景雜散光的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明實施方式提供的一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)的示意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明實施方式提供的另一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)的示意圖。

【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0033]圖1是本發(fā)明實施方式提供的一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)包括成 像鏡頭單元1、掃描單元2、預覽成像單元3、光譜分光單元4、探測單元5和計算機單元6 ; [0034] 所述成像鏡頭單元1，用于收集地物樣品的漫反射光信號；該成像鏡頭單元可由 成像鏡頭組成，通過其中的成像鏡頭收集地物樣品的漫反射光信號。
[0035] 所述掃描單元2包括擺鏡，通過所述擺鏡實現(xiàn)所述系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模 式之間的切換，當所述系統(tǒng)處于預覽模式時，所述擺鏡以靜止的狀態(tài)將所述漫反射光信號 反射至所述預覽成像單元，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時，所述擺鏡以擺掃的狀態(tài)將所 述漫反射光信號反射至光譜分光單元；
[0036] 所述預覽成像單元3,用于將接收的漫反射光信號進行聚焦，并將所述聚焦后的漫 反射光信號轉(zhuǎn)向至所述探測單元5的光敏面上；
[0037] 所述光譜分光單元4,用于對接收的漫反射光信號進行分光，并將所述分光得到的 光信號反射至所述探測單元5的光敏面上；其中，光譜分光單元4的另一端口與探測單元5 相連，探測單元5的另一端口與計算機單元6連接；光譜分光單元可以采用凸面光柵的色散 方式或PGP (棱鏡-光柵-棱鏡）色散分光方式，還可改用濾光片轉(zhuǎn)輪、液晶可調(diào)濾光片、聲 光可調(diào)濾光片等可以實現(xiàn)同樣的光譜成像功能。
[0038] 所述計算機單元6,與所述探測單元相連，用于當所述系統(tǒng)處于預覽模式時根據(jù)所 述探測單元探測的信息得到預覽信息，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時根據(jù)所述探測單元 探測的信息得到光譜信息。通過該計算機單元可對系統(tǒng)的軟硬件進行控制，以便對光譜數(shù) 據(jù)進行采集，處理，展示以及存儲。
[0039] 優(yōu)選地,參見圖1,上述系統(tǒng)還包括外殼18,所述掃描單元2、預覽成像單元3、光譜 分光單元4以及探測單元5均位于所述外殼18內(nèi)。具體地，可將掃描單元放置在成像鏡頭 單元的后方，通過成像鏡頭的前方收集地物樣品的漫反射光信號，并將計算機單元和成像 鏡頭之外的光學器件封裝在外殼中，可以有效的減少背景光的影響，提高了系統(tǒng)的信噪比， 改善了光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
[0040] 本發(fā)明通過單片擺鏡實現(xiàn)系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式之間的切換，并同時完 成光譜成像模式擺掃功能，減少了系統(tǒng)器件數(shù)量，減少系統(tǒng)復雜程度，增加了穩(wěn)定性。從而 可以在光譜成像模式之前對成像區(qū)域進行預覽，預覽模式因此可以減小成像區(qū)域選擇的時 間，提高系統(tǒng)的效率，有效利用野外時間的有效光照，克服了光譜成像過程較慢，時間較長， 不適用于選擇視場區(qū)域的缺點。本發(fā)明將掃描單元安裝在成像鏡頭的后方，如此可以使用 外殼將光學器件和探測器件封裝在密閉環(huán)境中，有效的減少了背景雜散光的影響。
[0041] 參見圖2,圖2是本發(fā)明實施方式提供的另一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)的示意圖，該 系統(tǒng)包括成像鏡頭單元1、掃描單元2、預覽成像單元3、光譜分光單元4、探測單元5和計算 機單元6 ;
[0042] 其中，掃描單元2包括擺鏡10,還包括電機11和控制器12,所述控制器12通過所 述電機11對所述擺鏡10的狀態(tài)進行控制，當系統(tǒng)處于預覽模式時，控制器12控制擺鏡10 處于靜止的狀態(tài)，將漫反射光信號反射至預覽成像單元，當系統(tǒng)處于光譜成像模式時，控制 器12控制擺鏡10處于擺掃的狀態(tài)，將漫反射光信號反射至光譜分光單元。其中，上述電機 可以為步進電機或者伺服電機。例如，上述的電機可以為步進電機，控制器可以為步進電 機控制器，擺鏡10為鍍膜的反射鏡，通過機械連接的方式與步進電機11相連，步進電機11 在步進電機控制器12的控制下控制擺鏡10的轉(zhuǎn)動，步進電機控制器可以為商用控制卡，采 集卡，或者自發(fā)設(shè)計的電路板卡。當系統(tǒng)處于預覽成像模式時，控制器控制擺鏡處于靜止狀 態(tài)，并使擺鏡與漫反射光信號的入射光軸保持預設(shè)的夾角，例如其夾角可以為135度；當系 統(tǒng)處于光譜成像模式時，控制器控制擺鏡以預設(shè)的角度內(nèi)來回擺掃，將掃描線對應地物樣 品的光信號反射到光譜分光單元。
[0043] 所述預覽成像單元3包括第一反射鏡7、透鏡8、第二反射鏡9 ;
[0044] 所述第一反射鏡7,用于將所述預覽成像單元接收的漫反射光信號反射至所述透 鏡；
[0045] 所述透鏡8,用于對漫反射光信號進行聚焦；
[0046] 所述第二反射鏡9,用于將所述聚焦后的漫反射光信號反射至所述探測單元的光 敏面上。
[0047] 所述光譜分光單元4包括中繼透鏡13、狹縫14、第一球面反射鏡15、分光結(jié)構(gòu)16、 第二球面反射鏡17 ;
[0048] 所述中繼透鏡13,用于將所述光譜分光單元接收的漫反射光信號聚焦在所述狹縫 處；其中，通過使預覽成像單元中的透鏡的焦距與光譜分光單元中的中繼透鏡相匹配使得 預覽成像模式和光譜成像模式的視場一致。
[0049] 所述狹縫14,用于限制漫反射光信號的光通量，進而與分光結(jié)構(gòu)、探測單元一起決 定了整個系統(tǒng)的光譜分辨率；
[0050] 所述第一球面反射鏡15,用于將透過所述狹縫的漫反射光信號聚焦到所述分光結(jié) 構(gòu)；
[0051] 所述分光結(jié)構(gòu)16,用于對透過所述狹縫的漫反射光信號進行分光；其中，分光結(jié) 構(gòu)16可以為凸面光柵結(jié)構(gòu)，通過該分光結(jié)構(gòu)將光信號色散分光，按照不同的波長分布在不 同的位置；
[0052] 所述第二球面反射鏡17,用于將分光后得到的光信號聚焦至所述探測單元的光敏 面上。
[0053] 此外，還可以在光譜分光單元中的中繼透鏡前增加濾光片改用熒光譜成像方式可 以實現(xiàn)同樣的光譜成像功能。
[0054] 具體地，當系統(tǒng)處于預覽模式時，成像鏡頭單元1收集地物樣品的漫反射光信號 進入掃描單元2,控制器12控制掃描單元2中的擺鏡與入射光軸成135度夾角靜止，將漫反 射光信號的光路折向預覽成像單元3,預覽成像單元3中的第一反射鏡7將光路轉(zhuǎn)向透鏡 8,鏡頭8將信號聚焦，第二反射鏡9將聚焦狀態(tài)的光束轉(zhuǎn)向探測單元5的光敏面上進行探 測，此時只具有成像功能，可以通過轉(zhuǎn)動成像平臺的方式對成像視場進行快速切換；當系統(tǒng) 處于光譜成像模式時，控制器12控制掃描單元2中的擺鏡10轉(zhuǎn)向光譜分光單元4,擺鏡10 在一定角度內(nèi)來回擺掃將成像鏡頭單元1收集的地物樣品的漫反射光信號反射進入光譜 分光單元4,光譜分光單元4中的中繼透鏡13將擺鏡10反射的光束聚焦在光譜分光單元4 的狹縫14處，第一球面反射鏡15將通過狹縫14的狹長光束聚焦在分光結(jié)構(gòu)16上，分光結(jié) 構(gòu)16對光束進行色散分光，第二球面反射鏡17將色散分光后的光束聚焦在探測單元5的 光敏面上。其中，探測單元5可以為面陣探測器，例如可以是CCD、sCMOS、平板探測器或者 其他具有同樣功能的面陣探測器，探測器光敏面平行于狹縫的方向稱為空間維，每一行的 光敏面元是地物條帶一個光譜通道的像；探測器光敏面垂直于狹縫的方向是光譜維，光敏 面每一列光敏面元上是地物條帶一個空間采樣視場（像元）光譜色散的像，探測單元5中 的面陣探測器將探測得到的光譜信息交由計算機單元6處理得到每一像素點的光譜信息， 一般，成像光譜儀每一次成像針對一條地物掃描線，通過擺鏡10來回擺掃就可以對成像鏡 頭單元1視場內(nèi)的地物樣品進行光譜成像。
[0055] 在本發(fā)明實施方式提供的掃描成像光譜儀系統(tǒng)中，使用擺鏡通過轉(zhuǎn)動不同角度切 換預覽模式和光譜成像模式，在光譜成像之前切換到感用戶興趣的區(qū)域，不但減少光譜成 像的準備時間，以便在有限的光照時間內(nèi)對更多的感興趣區(qū)域進行成像，還減少了系統(tǒng)中 光學元件的數(shù)量，簡化了系統(tǒng)的復雜程度，此外，系統(tǒng)將掃描單元安裝在成像鏡頭單元后 方，該系統(tǒng)將計算機單元與成像鏡頭外的光學器件封裝在外殼內(nèi)，有效的減少了背景雜散 光的影響，提高了信噪比，改善了光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
[0056] 以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1. 一種掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，包括成像鏡頭單元、掃描單元、預覽成像單 元、光譜分光單元、探測單元和計算機單元； 所述成像鏡頭單元，用于收集地物樣品的漫反射光信號； 所述掃描單元包括擺鏡，通過所述擺鏡實現(xiàn)所述系統(tǒng)在預覽模式與光譜成像模式之間 的切換，當所述系統(tǒng)處于預覽模式時，所述擺鏡以靜止的狀態(tài)將所述漫反射光信號反射至 所述預覽成像單元，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時，所述擺鏡以擺掃的狀態(tài)將所述漫反 射光信號反射至光譜分光單元； 所述預覽成像單元，用于將接收的漫反射光信號進行聚焦，并將所述聚焦后的漫反射 光信號轉(zhuǎn)向至所述探測單元的光敏面上； 所述光譜分光單元，用于對接收的漫反射光信號進行分光，并將所述分光得到的光信 號反射至所述探測單元的光敏面上； 所述計算機單元，與所述探測單元相連，用于當所述系統(tǒng)處于預覽模式時根據(jù)所述探 測單元探測的信息得到預覽信息，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時根據(jù)所述探測單元探測 的信息得到光譜信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描單元位于所述 成像鏡頭單元的后方，所述系統(tǒng)還包括外殼，所述掃描單元、預覽成像單元、光譜分光單元 以及探測單元均位于所述外殼內(nèi)，形成封閉結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描單元還包括電 機和控制器，所述控制器通過所述電機對所述擺鏡的狀態(tài)進行控制，當所述系統(tǒng)處于預覽 模式時，所述控制器控制所述擺鏡處于靜止的狀態(tài)，將所述漫反射光信號反射至所述預覽 成像單元，當所述系統(tǒng)處于光譜成像模式時，所述控制器控制所述擺鏡處于擺掃的狀態(tài)，將 所述漫反射光信號反射至光譜分光單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述電機為步進電機或 者伺服電機。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述預覽成像單元包括 第一反射鏡、透鏡、第二反射鏡； 所述第一反射鏡，用于將所述預覽成像單元接收的漫反射光信號反射至所述透鏡； 所述透鏡，用于對漫反射光信號進行聚焦； 所述第二反射鏡，用于將所述聚焦后的漫反射光信號反射至所述探測單元的光敏面 上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述光譜分光單元包括 中繼透鏡、狹縫、第一球面反射鏡、分光結(jié)構(gòu)、第二球面反射鏡； 所述中繼透鏡，用于將所述光譜分光單元接收的漫反射光信號聚焦在所述狹縫處； 所述狹縫，用于限制漫反射光信號的光通量； 所述第一球面反射鏡，用于將透過所述狹縫的漫反射光信號聚焦到所述分光結(jié)構(gòu)； 所述分光結(jié)構(gòu)，用于對透過所述狹縫的漫反射光信號進行分光； 所述第二球面反射鏡，用于將分光后得到的光信號聚焦至所述探測單元的光敏面上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述分光結(jié)構(gòu)為凸面光 柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的掃描成像光譜儀系統(tǒng)，其特征在于，所述探測單元為 面陣探測器。
【文檔編號】G01J3/44GK104155002SQ201410342293
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】張紅明, 張立福, 吳太夏, 岑奕, 楊杭, 孫雪劍 申請人:中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所