CN103913419B - 双光路切换成像光谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光路切换成像光谱系统，包括：摆镜扫描单元、光路切换单元、光谱分光单元、探测单元；所述摆镜扫描单元承载包含待检测地样物品；所述摆镜扫描单元中的地物样品漫反射光进入所述光谱分光单元；所述光谱分光单元对所述漫反射光进行分光处理后汇聚到所述探测单元，所述探测单元进行光谱成像。本实施例的双光路切换成像光谱系统，摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元，光谱分光单元对所述漫反射光进行处理后汇聚到所述探测单元，探测单元进行光谱成像。系统处于预览模式时，双光路切换单元使得系统仅具有成像功能。可以在光谱成像模式前快速的预览成像地物区域，快速选择感兴趣地物进行光谱成像。

Description

双光路切换成像光谱系统

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种双光路切换成像光谱系统。

背景技术

现阶段双光路切换成像光谱系统的研究主要是基于应用在航空航天领域的推扫型双光路切换成像光谱系统，对这一技术方法的研究正广泛展开，我们研制的高分辨地面成像光谱系统不仅在科学理论上具有重要创新，在工程化和应用中也带动了我国成像光谱技术和相关产品的发展。

双光路切换成像光谱系统解决了野外光谱测量过程中光谱辐射计难以和地面视场精确对应的问题，使得对应的地面视场范围和光谱图像像元大小相对应，得到精确的光谱定标。但是基于色散型的成像光谱仪一般都含有狭缝，一次成像只是针对一条扫描线的地物，等到完成一组扫描后才能辨别视场的范围，严重的影响了野外实验的进程,尤其是光照条件短暂的情况下。我们在中国科学院遥感与数字地球研究所原有专利“一种地面成像光谱测量系统”的基础上提出了双光路切换的概念，使用辅助光路快速浏览地物场景，选择感兴趣的区域，克服了光谱成像过程较慢，时间较长，不适用于选择视场区域的缺点。发展了高分辨地面成像光谱系统的新应用。

发明内容

本发明实施例提供一种双光路切换成像光谱系统，能够在光谱成像模式之前对成像视场进行快速浏览，切换到感兴趣的区域，减少光谱成像的准备时间。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种双光路切换成像光谱系统，包括：摆镜扫描单元、光路切换单元、光谱分光单元、探测单元；

所述摆镜扫描单元承载待检测地样物品；

所述摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元；

所述光谱分光单元对所述漫反射光进行处分光理后汇聚到所述探测单元，所述探测单元进行光谱成像。

可选的，还包括：驱动控制单元、计算机单元；

所述光谱分光单元与所述探测单元相连，所述探测单元通过所述驱动控制单元与所述计算机单元连接。

可选的，所述的光路切换单元包括反射镜、中继透镜和平移台，所述摆镜扫描单元包括摆镜、成像镜头，所述光谱分光单元中设置有狭缝，所述光谱分光单元包括色散器件，所述探测单元包括面阵探测器；

所述反射镜用于光路的切换，所述中继透镜用于和所述成像镜头一起将地物样品成像到所述面阵探测器的光敏面上；

所述平移台用于带动所述反射镜移动；

所述反射镜镀膜的类型根据光谱分光单元的波长确定；

所述系统处于预览模式时，所述摆镜静止，所述系统只具有成像功能；

所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜摆扫，扫描线对应的地物漫反射光通过所述狭缝进入色散器件，色散后成像在所述面阵探测器上。

可选的，所述驱动控制单元为具有面阵探测器图像采集，光路切换单元平移台移动和摆镜扫描单元步进电机转动的功能的电路板；

或者，所述驱动控制单元为分离的控制卡和采集卡。

可选的，所述摆镜扫描单元包括地物样品、摆镜、步进电机、成像镜头；

所述地物样品为探测对象，所述摆镜为镀膜的反射镜，所述摆镜来回摆扫，对不同位置的地物样品进行探测；

所述步进电机与所述摆镜机械相连，带动所述摆镜来回摆扫；

所述成像镜头用于收集地物样品的漫反射信号并且成像到光谱分光单元的狭缝处，或者通过所述光路切换单元直接在面阵探测器光敏面上。

可选的，所述的光谱分光单元包括狭缝、准直透镜、色散器件、成像透镜；

所述狭缝用于限制进入光谱分光单元的光通量，进而与色散器件、面阵探测器一起决定了整个系统的光谱分辨率，其中

所述准直透镜将进入狭缝的光信号准直成平行光；

所述色散器件用于把入射光按照不同波长色散分开；

所述成像透镜将色散后的光汇聚成像在面阵探测器的光敏面上，所述准直透镜与所述成像透镜呈1:1的关系，位于所述色散器件两侧；

色散器件为具有色散功能的器件。

可选的，所述探测单元为面阵探测器，平行于狭缝的方向探测空间维信息，垂直狭缝的方向探测光谱维，所述面阵探测器为CCD或者sCMOS或者平板探测器。

可选的，所述驱动控制单元为FPGA电路板，用于控制所述面阵探测器的采集，所述摆镜扫描单元中步进电机的转动和所述光路切换单元中位移台移动。

可选的，所述光谱分光单为光栅-棱镜-光栅的分光方式，或者滤光片转轮的分光方式，或者液晶可调滤光片的分光方式，或者声光可调滤光片的分光方式。

本发明实施例的双光路切换成像光谱系统，摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元，光谱分光单元对所述漫反射光进行处理后汇聚到所述探测单元，探测单元进行光谱成像。系统预览模式可以在光谱成像模式前快速的预览成像地物区域，快速选择感兴趣地物进行光谱成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种双光路切换成像光谱系统的连接示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种双光路切换成像光谱系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例提供一种双光路切换成像光谱系统，如图1所示，包括：摆镜扫描单元1、光路切换单元2、光谱分光单元3、探测单元4；

所述摆镜扫描单元1承载待检测地样物品；

所述摆镜扫描单元1承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元3；

所述光谱分光单元3对所述漫反射光进行处理后汇聚到所述探测单元4，所述探测单元4进行光谱成像。

可选的，如图2所示所述双光路切换成像光谱系统还包括：驱动控制单元5、计算机单元6；

所述光谱分光单元3与所述探测单元4相连，所述探测单元4通过所述驱动控制单元5与所述计算机单元6连接，所述计算机单元6获取所述进行光谱成像得到的图像数据，对所述图像数据进行处理得到光谱数据。

可选的，如图2所示，所述的光路切换单元2包括反射镜11、中继透镜（反射镜12、反射镜13、反射镜14）和平移台20，所述摆镜扫描单元1包括摆镜8、成像镜头10，所述光谱分光单元3中设置有狭缝16，所述光谱分光单元3包括色散器件18，所述探测单元4包括面阵探测器（图中未示出）；

所述反射镜用于光路的切换，所述中继透镜用于和所述成像镜头10一起将地物样品成像到所述面阵探测器的光敏面上；

所述平移台20用于带动所述反射镜移动；

所述反射镜镀膜的类型根据光谱分光单元3的波长确定；

所述系统处于预览模式时，所述摆镜8静止，所述系统只具有成像功能；

所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜8摆扫，扫描线对应的地物漫反射光通过所述狭缝16进入色散器件18，色散后成像在所述面阵探测器上。

可选的，所述驱动控制单元5为具有面阵探测器图像采集，光路切换单元2平移台20移动和摆镜-扫描单元步进电机转动的功能的电路板；

或者，所述驱动控制单元5为控制卡和采集卡。

可选的，所述摆镜-扫描单元包括地物样品、摆镜、步进电机、成像镜头；

所述地物样品为探测对象，所述摆镜8为镀膜的反射镜，所述摆镜8来回摆扫，对不同位置的地物样品进行探测；

所述步进电机7与所述摆镜机械相连，带动所述摆镜8来回摆扫；

所述成像镜头10用于收集地物样品的漫反射信号并且成像到光谱分光单元3的狭缝处，或者通过所述光路切换单元直接在面阵探测器光敏面上。

可选的，所述的光谱分光单元3包括狭缝16、准直透镜17、色散器件18、成像透镜19；

所述狭缝16用于限制进入光谱分光单元3的光通量，进而与色散器件18、面阵探测器一起决定了整个系统的光谱分辨率，其中

所述准直透镜17将进入狭缝16的光信号准直成平行光；

所述色散器件18用于把入射光按照不同波长色散分开；

所述成像透镜19将色散后的光汇聚成像在面阵探测器的光敏面上，所述准直透镜17与所述成像透19镜呈1:1的关系，位于所述色散器件18两侧；

色散器件18为具有色散功能的器件。

可选的，所述探测单元4为面阵探测器，平行于狭缝16的方向探测空间维信息，垂直狭缝16的方向探测光谱维，所述面阵探测器为CCD或者sCMOS或者平板探测器。

可选的，所述驱动控制单元为FPGA电路板，用于控制所述面阵探测器的采集，所述摆镜扫描单元中步进电机的转动和所述光路切换单元中位移台移动。

可选的，所述光谱分光单为2光栅-棱镜-光栅的分光方式，或者滤光片转轮的分光方式、或者液晶可调滤光片的分光方式、或者声光可调滤光片的分光方式。

本实施例的双光路切换成像光谱系统，摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元，光谱分光单元对所述漫反射光进行处理后汇聚到所述探测单元，探测单元进行光谱成像。系统预览模式可以在光谱成像模式前快速的预览成像地物区域，快速选择感兴趣地物进行光谱成像。

实施例2

本实施例提供一种双光路切换成像光谱系统，如图2所示，包括摆镜扫描单元1、光路切换单元2、光谱分光单元3、探测单元4、驱动控制单元5、计算机单元6；摆镜扫描单元1承载的地物样品漫反射光通过摆镜8反射和成像镜头10收集进入光谱分光单元3，光谱分光单元3与探测单元连接，探测单元4通过驱动控制单元5和计算机单元6相连。

摆镜扫描单元1包括地物9，摆镜8，步进电机7以及成像镜头10。其中，地物9为所需要观察的感兴趣区域；摆镜8为镀膜的反射镜，通过机械连接与步进电机7相连，在一定角度范围内来回摆扫，将不同扫描线对应的地物漫反射信息反射进入光谱分光单元3；其中，步进电机7带动摆镜8在一定角度范围内转动。

光路切换单元2由一号反射镜11，二号反射镜12，三号反射镜14，四号反射镜15，中继透镜13，平移台20组成，其中的一号反射镜11，二号反射镜12，三号反射镜14，四号反射镜15用于光路的切换，其中平移台20为一维位移台，带动一号反射镜11和四号反射镜15发生位移，使得光路进入光路切换单元2或者直接进入光谱分光单元3。

光谱分光单元3包括狭缝16，准直透镜17，色散器件18，成像透镜19，狭缝16用于限制进入光谱分光单元3的光通量，准直透镜17用于将进入狭缝16的光准直成为平行光，色散器件18为光栅-棱镜-光栅形式，用于将入射光按照不同的波长进行色散，成像透镜19将色散后的光汇聚到探测单元4中面阵探测器光敏面上。

如图2所示，当系统处于预览模式时，摆镜扫描单元1中的地物9漫反射信号通过摆镜8的反射，成像镜头10的收集，进入光路切换单元2，光路切换单元2中的一号反射镜11将进入到光路切换单元2中的光反射到二号反射镜12，经过反射后到达中继透镜13，中继透镜13和成像镜头10使得光路满足成像关系，经过中继透镜13汇聚后，光路被三号反射镜14反射，进而到达四号反射镜15并被反射进入到探测单元4；当系统处于光谱成像模式时，摆镜扫描单元1中的地物9漫反射信号通过摆镜8的反射，成像镜头10的收集，进入光谱分光单元3并聚焦在狭缝16处，此时光路切换单元2中的平移台20移动将一号反射镜11和四号反射镜15撤回进光路切换单元2，光谱分光单元3中的准直透镜17将狭缝处的光信号准直成平行光入射到色散器件18，色散器件18将入射光按照不同的波长散开，色散后的光通过成像透镜19汇聚到探测单元4的面阵探测器光敏面上，探测器光敏面平行于狭缝的方向称为空间维，每一行的光敏面元是地物条带一个光谱通道的像；探测器光敏面垂直于狭缝的方向是光谱维，光敏面每一列光敏面元上是地物条带一个空间采样视场（像元）光谱色散的像；由于光谱仪中狭缝的存在，每次成像只能对样品一个条带进行光谱成像，摆镜扫描单元1中的摆镜8在成像镜头10视角范围内扫描就能够对视场范围内的地物样品进行光谱成像；探测单元4中的面阵探测器探测得到的光谱信息通过驱动控制单元5交由计算机单元6处理得到每一像素点的光谱信息。

双光路切换双光路切换成像光谱系统系统摆镜扫描单元1中步进电机7改为伺服电机等其他摆动方式可以实现同样的光谱成像功能。

光路切换单元2中平移台20改为其他移位方式或者使用角度切换方式来完成光路转换可以实现同样的光路切换功能。

光谱分光单元3改为其他色散方式或者滤光片转轮、液晶可调滤光片、声光可调滤光片等方式可以实现同样光谱成像功能。

光谱分光单元3前端增加滤光片改用荧光光谱成像方式可以实现同样的光谱成像功能。

本实施例的双光路切换成像光谱系统，摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元，光谱分光单元对所述漫反射光进行处理后汇聚到所述探测单元，探测单元进行光谱成像。可以在光谱成像模式前快速的预览成像地物区域，快速选择感兴趣地物进行光谱成像。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双光路切换成像光谱系统，其特征在于，包括：摆镜扫描单元、光路切换单元、光谱分光单元、探测单元；

所述摆镜扫描单元承载待检测地物样品；

所述摆镜扫描单元承载的地物样品的漫反射光进入所述光谱分光单元；

所述光谱分光单元对所述漫反射光进行分光处理后汇聚到所述探测单元，所述探测单元进行光谱成像；

所述的光路切换单元包括反射镜、中继透镜和平移台，所述摆镜扫描单元包括摆镜、成像镜头，所述光谱分光单元中设置有狭缝，所述光谱分光单元包括色散器件，所述探测单元包括面阵探测器；

所述反射镜用于光路的切换，所述中继透镜用于和所述成像镜头一起将地物样品成像到所述面阵探测器的光敏面上；

所述平移台用于带动所述反射镜移动；

所述反射镜镀膜的类型根据光谱分光单元的波长确定；

所述系统处于预览模式时，所述摆镜静止，所述系统只具有成像功能，迅速对成像视场区域进行选择；

所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜摆扫，扫描线对应的地物漫反射光通过所述狭缝进入色散器件，色散后成像在所述面阵探测器上。

2.根据权利要求1所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，还包括：驱动控制单元、计算机单元；

所述光谱分光单元与所述探测单元相连，所述探测单元通过所述驱动控制单元与所述计算机单元连接。

3.根据权利要求2所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，所述驱动控制单元为具有面阵探测器图像采集，光路切换单元平移台移动和摆镜扫描单元步进电机转动功能的电路板；

或者，所述驱动控制单元为分离的驱动卡和采集卡。

4.根据权利要求1所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，所述摆镜扫描单元包括地物样品、摆镜、步进电机、成像镜头；

所述地物样品为探测对象，所述摆镜为镀膜的反射镜，所述摆镜来回摆扫，对不同位置的地物样品进行探测；

所述步进电机与所述摆镜机械相连，带动所述摆镜来回摆扫；

所述成像镜头用于收集地物样品的漫反射信号并且成像到光谱分光单元的狭缝处，或者通过所述光路切换单元直接成像在面阵探测器光敏面上。

5.根据权利要求1所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，所述的光谱分光单元包括狭缝、准直透镜、色散器件、成像透镜；

所述狭缝用于限制进入光谱分光单元的光通量，进而与色散器件、面阵探测器一起决定了整个系统的光谱分辨率，其中

所述准直透镜将进入狭缝的光信号准直成平行光；

所述色散器件用于把入射光按照不同波长色散分开；

所述成像透镜将色散后的光汇聚成像在面阵探测器的光敏面上，所述准直透镜与所述成像透镜呈1:1的关系，位于所述色散器件两侧；

色散器件为具有色散功能的器件。

6.根据权利要求5所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，

所述探测单元为面阵探测器，平行于狭缝的方向探测空间维信息，垂直狭缝的方向探测光谱维，所述面阵探测器为CCD或者sCMOS或者平板探测器。

7.根据权利要求2所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，所述驱动控制单元为FPGA电路板，用于控制所述面阵探测器的采集，所述摆镜扫描单元中步进电机的转动和所述光路切换单元中位移台移动。

8.根据权利要求1所述的双光路切换成像光谱系统，其特征在于，

所述光谱分光单为光栅-棱镜-光栅的分光方式，或者滤光片转轮的分光方式，或者液晶可调滤光片的分光方式，或者声光可调滤光片的分光方式。