CN102667571A - 紧凑型多光谱扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型多光谱扫描系统，该系统包括主镜（1）和次镜（2），其中，所述镜彼此面对，适于沿着相反的方向以相同的角速度旋转，并且关于它们的旋转轴线倾斜。主镜是凹面的，次镜比主镜小，并且两种镜的旋转轴线对齐。与现有技术装置相比，这种布置使得系统更紧凑，并且避免了系统对操作频率的依赖。

Description

紧凑型多光谱扫描系统

技术领域

本发明涉及光学工程领域，并且具体地涉及扫描成像系统领域。本发明的扫描系统的目的是能够以足以被认为是实时的帧速率且在宽的波长范围内操作，在该宽的波长范围中包括毫米波、太赫兹波、红外线波、微波和x射线。

背景技术

任何扫描成像系统中的期望的要求是以线性图案并且以可能的最高速度来扫描场景。实现这一点的简单方式借助于移动平面镜。存在各种基于镜的解决方案，在其中找到借助于不同的机构（例如检流计类型）移动的摇摆运动（flipping）镜（仅有一个面）、或具有多个镜面化的面的旋转多面体。这些技术用在以小波长（如红外线波长和可见光波长）操作的系统中。

在红外线系统中，光学孔径通常是大约100mm，并且借助于透镜，将这些光学孔径减小至通常是更小数量级的有效扫描系统孔径。在毫米波系统中，孔径是大约500mm的直径，该尺寸使得使用平面摇摆运动镜或旋转多面体是不能实行的。

已知通过使用以下两个反射盘来实现线性扫描图案：这两个反射盘以相同速度沿着相反的方向旋转，并且以对于这两个反射盘相同的角度相对于它们的旋转轴线倾斜。倾斜的、旋转的反射盘在其旋转360°时独立地产生圆锥扫描图案。然而，当辐射到达第二盘时，如果恰当地调节两者之间的旋转轴线和相位，则圆锥图案可以变成椭圆图案。如果由扫描图案描绘的椭圆的短轴小于系统的分辨率，则可以认为扫描图案是线性的，给定系统的分辨率是可以在由系统提供的图像中被分辨的、物面的点之间的最小间隔。

这例如出现在Alan H.Lettington的专利“Scanning Apparatus（扫描设备）”（US 7,154,650B2）中。所述专利描述了被安装在具有独立旋转轴线的结构上并且未对齐的两个反射盘如何沿着相反的方向以相同的速度旋转。辐射到达所述镜之一，该镜将辐射反射到第二镜，第二镜进而将辐射反射回第一镜。该第一镜然后将辐射导向检测器所处的区域。两种镜关于它们的旋转轴线倾斜以便扫描场景。当

时，实现线性扫描，其中，第一镜倾斜了角度α，第二镜倾斜了角度θ，

是镜的旋转轴线之间的角度。

专利US 7,154,650B2中的示例具有不需要使用任何频率选择性部件（线性偏振器、四分之一波片、法拉第旋转器等）的优点，但是该系统本质上很大。

在专利申请WO 03/009048A1中，实现了一种更紧凑的系统。该系统包括两个本体，这两个本体以相同速度沿着相反的方向关于相同轴线旋转。第一本体包括偏振器和两个四分之一波片，而第二本体是镜。辐射到达具有适当偏振的第一本体以被透射并被第二本体反射，使得当辐射返回到第一本体时，偏振与线性偏振器的透射偏振正交，这表示辐射被反射回镜（第二本体）。在从镜的此二次反射之后，辐射具有适当偏振以被第一本体透射并最终导向检测器。第一本体的倾斜是第二本体的倾斜的两倍，以便补偿辐射从每个表面反射的次数并且获得线性扫描。与US 7,154,650B2中的系统相比，WO 03/009048A1中描述的装置考虑到一种更紧凑的系统，但是该系统呈现出两个缺点。第一个缺点是其不能用于一定范围的检测器（可见光、红外线、毫米波、太赫兹波等），而仅能用于一个频带。第二个缺点是主要由于四分之一波片中固有的透射损失而导致信噪比恶化。

发明内容

本发明提出了使用两个反射镜，即具有关于输入辐射的凹面的主反射镜和次反射镜，并且使它们以相同的速度沿着相反的方向旋转。次镜比主镜小。两种镜关于它们的旋转轴线倾斜以便扫描场景，并且它们的旋转轴线对齐。以这种方式，提供了与先前提到的扫描系统相比更紧凑的扫描系统，同时该扫描系统能够在很宽的电磁谱区段内操作。因此，该扫描系统可以与毫米波、太赫兹波、红外线波、微波和x射线的检测器兼容。主镜反射来自场景的辐射并且使其会聚，次镜接收所述集中的辐射并使其聚集在点检测器、线性检测器或矩阵检测器上。

该扫描系统还可以用于同时地辐射物面和检测从物面反射的辐射。该系统与具有宽的电磁谱（即，毫米波、太赫兹波、红外线辐射、x射线、微波）区段的发射器兼容。在这种情况下，人工源的输出被放置在焦平面中，其从焦平面辐射次镜，该次镜朝向主镜反射辐射，在主镜处朝向物面反射该辐射，并且遵循由两种镜的倾斜给定的扫描图案来分布该辐射。当该辐射到达物面时，其然后被反射。扫描系统还在焦平面中设置有检测器（靠近发射器或甚至共用相同的天线），使得系统将遵循相同的扫描图案同时地辐射物面和检测来自物面的辐射（被物体自身反射和/或由物体自身发出）。

两种镜的旋转轴线对齐。两个镜关于它们的旋转轴线倾斜，并且它们以相同的角速度沿着相反的方向旋转。每个镜的倾斜是设计参数。关于每个镜上的旋转轴线的该倾斜连同旋转一起产生每个镜的圆锥扫描。由于两个镜彼此面对，镜的旋转轴线对齐并且镜沿着相反的方向以相等的速度旋转，所以这两个圆锥扫描的组合的结果是线性扫描或椭圆扫描。

主镜的表面总是凹面的（球面的、抛物面的、双曲面的、椭圆面的、非球面的），其目的是使辐射会聚在次镜上。次镜的表面可以是平面的、凹面的或凸面的（球面的、抛物面的、双曲面的、椭圆面的、非球面的）。

检测器的位置存在两种可能，在两个镜之间或在主镜后面。第一配置有利于多个检测器的使用，从而覆盖很广的视野。另一方面，将检测器放置在主镜（设置有孔）后面消除了当合并辐射系统（如雷达收发机或者光雷达或激光雷达系统）时的任何尺寸限制。因此系统可以发出在场景中以线性或椭圆扫描图案分布的辐射，同时系统如先前所述将接收辐射。

为了使镜旋转，可以设置一个或两个电动机。具体地，在使用两个电动机的情况下，系统可以包括用以控制镜的相对位置和调节偏差的位置传感器。

在本发明考虑的多个实施例中，存在使用分束部件的实施例。这些部件将光束分为两个或更多个光束，每个光束然后会聚在不同的检测器（点、线性或矩阵）上。这些实施例能够以不同的偏振态和/或在不同的谱范围内实现。因此，本发明可以提供多光谱的、偏振测定的和频谱测定的信息。

附图说明

为使描述完整并且为了提供对本发明的更好理解，提供了一组附图。所述附图形成了描述的主要部分并且示出了本发明的优选实施例，这些优选实施例不应被解释为对本发明的范围的限制，而仅作为如何能够实施本发明的示例。附图包括以下图：

图1示出了检测器放置在主镜后面的本发明的实施例的侧视图。

图2示出了检测器放置在两个镜之间的本发明的另一实施例的俯视图。

图3示出了使用分束装置将光束分成具有正交偏振的两个光束的本发明的实施例的侧视图。

图4示出了用于图1和图2中的实施例的可能的机械组件的侧视图。

图5示出了根据图1的、遵循相同的扫描图案来辐射物面并同时检测来自物面的辐射的本发明的实施例的侧视图。

图6示出了根据图1或图2的用于本发明的另一可能的机械组件的侧视图。

具体实施方式

图1示出了检测器放置在主镜后面的本发明的实施例。主镜（1）是凹面的，而次镜（2）是凸面的。辐射聚集在主镜后面的轴线上的检测器所处的焦点（3）处。在不认为是对本发明的限制的情况下，本实施例被设计成有利于合并单像素检测器和/或雷达收发机或者光雷达或激光雷达系统。

图2示出了检测器放置在两个镜之间的本发明的实施例。在这种情况下，主镜（1）是凹面的，而次镜（2）是平面的。该另一种可能的实施例被设计用于使用一排检测器和其对应的天线的系统。通过在焦平面中放置一排检测器，系统覆盖了与这排检测器的长度成比例的视野（沿相同方向），尽管附图仅示出了与中心天线和这排天线的两端处的两个天线对应的射线追迹。可以使用同步的、替代的或连续的检测通道。

图3示出了使用分束装置以将光束分成具有正交偏振的两个光束的的本发明的实施例。这种情况是图1所描述的实施例的示例，但是还可以应用于图2所描述的实施例。主镜是（1），次镜是（2）。当辐射到达分束器（如线性偏振器5）时，该分束器过滤一个电场分量（代表大约50%的能量）并拒绝正交分量。通过放置具有正交偏振的两个天线（4）和（6），使来自扫描场景的每个点的能量的最高量合并，由此提高了图像的热敏感性。在不限制本发明的情况下，另一示例使用一个或数个以下装置：该装置通过过滤特定波长的辐射（如，毫米波）并反射与另一波长（如红外线）对应的辐射来分离光束，以便随后将每个不同的光束重定向至不同的检测器并且由此形成多光谱图像。

图4示出了用于图1和图2所示的光学系统的可能的机械组件，而不被认为是对本发明的限制。主镜（1）具有旋转轴线（13）和相对于其表面的法线（15）。次镜（2）也具有法线（14）、以及与主镜的轴线对齐的旋转轴线（13）。在这种情况下，两个镜（1和2）通过一组传动齿轮（9）被机械地束缚。到电动机（17）的耦接可以直接完成，或通过以关于电动机轴线成90°的角度进行的第一级传动来完成。在以下级中，使冠状齿轮（10）旋转，其进而将旋转传送给另外两个垂直于（10）的冠状齿轮（11和12）。这些齿轮中的每个被固定至轴，轴的另一端处附接有另一个冠状齿轮，该齿轮是将旋转传送给每个旋转镜的齿轮。因此，仅需要一个电动机。重要的优点是：本实施例允许一个或多个检测器布置在两个镜之间以及主镜（1）后面，只要镜中加工了中心孔即可。

图5示出了并入图1中的布置的本发明的实施例。本实施例被设计成遵循相同的扫描图案辐射物面并同时检测来自物面的辐射（发出的或被反射的辐射）。

在这种情况下，人工源（22）的输出被放置在焦平面中，其从焦平面处辐射次镜（2），次镜（2）朝向主镜（1）反射辐射，辐射在主镜（1）处朝向物面（20）反射并且遵循由两种镜的倾斜给出的扫描图案来分布。该辐射在到达物面（20）处的物体（21）时被反射。扫描系统还在焦平面中靠近人工源地设置有检测器（23）。

本发明优选实施例的描述

图6中示出了优选实施例。主镜（1）具有旋转轴线（13）和相对于其表面的法线（15）。次镜（2）也具有法线（14）、以及与主镜的轴线对齐的旋转轴线（13）。由于每个镜耦接至使其旋转并且具有位置传感器的电动机（6和5），所以两种镜（1和2）是电子同步的。因此，控制电动机移动的装置能够检测和校正同步时的可能偏差。主镜（1）附接至包括轴承（26）的结构。该结构（19）连接至机壳（16），并且包括与轴承和主镜的孔对准的孔，以允许检测器和/或发射器能够定位在沿着光轴的任何地方。电动机（6）的旋转通过传动带（25）传送给镜（1）。次镜（2）由轴承来支承，并且直接耦接至电动机（5）。该电动机由金属结构（27）来保持，并且非金属结构（18）将结构（27）与机壳（16）连接。

在本文中，术语“包括（comprises）”及其派生词（如“包括了（comprising）”等）不应以排他性意义来理解，即，这些术语不应当被解释为排除所描述和定义的事物可以包括另外的元件、步骤等的可能性。

另一方面，显然，本发明不限于本文中所描述的具体实施例，而是涵盖在权利要求中限定的本发明的总体范围内的、本领域普通技术人员可以考虑到的任何变化（如，关于材料、尺寸、部件、配置、机械设计等的选择）。

Claims (12)

1.一种紧凑型多光谱扫描系统，包括主镜（1）和次镜（2），其中，所述镜彼此面对，适于沿着相反的方向以相同的角速度旋转，并且关于它们的旋转轴线（13）倾斜，其特征在于，所述主镜是凹面的，所述次镜比所述主镜小，并且两种镜的所述旋转轴线对齐。

2.根据权利要求1所述的扫描系统，包括至少一个检测器，并且其中，所述主镜（1）适于反射来自场景的辐射并且会聚所述辐射，而所述次镜（2）适于接收所述会聚的辐射并将所述会聚的辐射导向所述检测器。

3.根据权利要求2所述的扫描系统，其中，所述主镜是球面的、抛物面的、双曲面的、椭圆面的、或非球面的。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的扫描系统，其中，所述次镜是平面的、凹面的或凸面的。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的扫描系统，其中，所述检测器是点检测器、矩阵检测器或线性检测器。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的扫描系统，其中，所述检测器被放置在所述主镜与所述次镜之间。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的扫描系统，其中，所述检测器被放置在所述主镜后面与光轴和焦平面对应的位置处，并且所述镜设置有中心孔。

8.根据权利要求7所述的扫描系统，还包括人工辐射源（22），所述人工辐射源（22）被放置成靠近所述检测器（23），使得能够以线性辐射图案或椭圆辐射图案辐射场景。

9.根据上述权利要求中任一项所述的扫描系统，还包括通过传动齿轮耦接至所述两种镜的电动机。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的扫描系统，还包括各自对应于所述镜（1，2）之一的两个电动机（6、5）、电子同步系统和位置传感器。

11.根据上述权利要求中任一项所述的扫描系统，还包括分束装置（5）和用于接收不同光束的多个检测器。

12.根据权利要求11所述的扫描系统，其中，所述分束装置是偏振器，并且所述检测器对不同的偏振态敏感。

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