CN105572880B - 一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜、正柱面镜和感光元件，所述入射光依次穿过平凸透镜的凸面侧和平面侧，所述入射光依次穿过正柱面镜的凸柱面侧和平面侧，所述近红外光最终进入感光元件。用于对1350nm至1550nm波段的近红外光进行光束整形和能量汇聚，该系统采用两片透镜，目的是将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，不但减少光能损失，而且有利于降低系统的整体成本和体积。

Description

一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统及其工作方法，属于光学系统的技术领域。
技术背景
传统近红外光谱仪通常只用于实验室内待分析样品的图谱检测，无探测距离，漫反射光纤光谱仪的探测距离也都在厘米数量级；航天遥感常用的成像光谱仪，虽然可以实现大面积远距离同步观测，但其数据获取成本较高，数据精细程度不足，且无室内感知能力。在微型近红外光谱仪的基础上首次发展了一种被动光源近红外光谱感知节点，用于构建新型光谱传感物联网，可实现对局部范围内物质成分的实时动态感知。光谱感知节点拟采用太阳光作为光源，远距离探测地面物体或其它待测物体的漫反射光谱，进而利用化学计量学等算法实现待测物体内在成分的动态感知。随着探测距离的提高，因大气散射和吸收等作用导致到达感光元件的入射光能量降低；此外，在太阳光线较弱的天气条件下，入射光强度也会相应变弱。为此，需要为节点设计专门的入射光学系统：一方面用于光束整形，将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，从而减少光能损失，提高能量利用率，进而提高感知节点的探测距离；另一方面用于限制系统视场范围，提高系统信噪比，减小杂散光对分析结果的影响。目前，具有光束整形和能量汇聚作用的光谱感知节点入射光学系统尚未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统。
本发明还提供上述光学系统的工作方法。
发明概述
一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，用于对1350nm至1550nm波段的近红外光进行光束整形和能量汇聚，该系统采用两片透镜，目的是将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，不但减少光能损失，而且有利于降低系统的整体成本和体积。
本发明的技术方案如下：
一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜、正柱面镜和感光元件，所述入射光依次穿过平凸透镜的凸面侧和平面侧，所述入射光依次穿过正柱面镜的凸柱面侧和平面侧，所述近红外光最终进入感光元件。本发明的基本原理为：平凸透镜光焦度为正，具有各向同性的光学特点，对入射光线起到汇聚作用；正柱面镜只在单一方向，图2中竖直方向有光焦度，在水平方向无屈光能力，两片镜片相匹配后竖直方向的屈光能力高于水平方向，这样即可实现将入瞳处的圆形光束整形为光敏元处的线条形光束。
根据本发明优选的，所述近红外光光源为太阳光照射待探测物体后的反射光，具体是波长范围为1350nm至1550nm波段的近红外光。
根据本发明优选的，所述平凸透镜的凸面侧的曲率半径为52.51mm；所述正柱面镜的凸柱面侧的曲率半径为51.85mm。
根据本发明优选的，所述平凸透镜的焦距为101.6mm、中心厚度为4mm，通光孔径为25.4mm。
根据本发明优选的，所述正柱面镜的焦距为100mm、中心厚度为3.16mm，通光孔径为25mm。
优选的，所述平凸透镜和正柱面镜均由H-K9L冕牌玻璃制成。优选的，所述平凸透镜的焦距公差±1％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm；所述正柱面镜的焦距公差±2％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm。
根据本发明优选的，所述平凸透镜和正柱面镜的中心距为5.58mm，所述平凸透镜的凸面侧顶点到所述感光元件的距离总长为53.76mm。
根据本发明优选的，所述平凸透镜和正柱面镜的两侧均镀1050nm至1620nm波段的增透膜，单层增透膜透过率大于99.5％。
根据本发明优选的，所述感光元件是带有64通道线性渐变滤光片的256元线列InGaAs探测器，其光敏面是尺寸为12.8mm×0.5mm的矩形。
上述光学系统的工作方法，包括：
波长为1350nm至1550nm波段的近红外光光源首先进入平凸透镜，受入瞳限制，入射光线为直径25.4mm的圆形光束，经平凸透镜折射后光线发生汇聚；进入正柱面镜的光线是经平凸透镜整形后的圆形光束，光束直径变小、并在感光元件的光敏面处形成一椭圆形线条光斑，光斑长度与光敏面尺寸相一致。由于正柱面镜在水平方向无光焦度，因此经正柱面镜二次整形后的入射光线在感光元件光敏面处形成一椭圆形线条光斑，光斑长度与光敏面尺寸相一致，达到光束整形和能量汇聚的效果。
本发明的有益效果：
本发明所述近红外光谱感知节点入射光学系统采用两片现成镜片即可实现对入射光束的整形和能量汇聚作用，可有效提高光谱感知节点能量利用率，具有价格低、体积小、易于安装等优点。
1)本入射光学系统包含平凸透镜和正柱面镜两片透镜，平凸透镜光焦度为正，对入射光束起到汇聚作用；正柱面镜竖直方向光焦度为正，在竖直方向对入射光起汇聚作用，水平方向无光焦度，水平方向不改变入射光传播方向；两片镜片均为市面上的常规尺寸和参数镜片，无需定制。本入射光学系统较之其它方式结构更为简单紧凑，便于安装集成。
2)本入射光学系统属于能量系统，在200nm(1350nm-1550nm)波段范围内可不必考虑像差，两片镜片均选用H-K9L冕牌玻璃材料并镀增透膜，光学性能良好，价格低廉。
附图说明
图1为本发明应用于近红外光谱感知节点的工作原理示意图；
图2为本发明所述入射光学系统原理示意图；
图3为本发明所述入射光学系统点列图；
图4为本发明所述入射光学系统机械装配示意图；
在图1-4中，1为平凸透镜；2为正柱面镜；3为感光元件；4为感光元件的光敏面；5为内部镜筒；6为隔离环；7为压圈；8为外部镜筒；9为固定螺丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，但不限于此。
如图1-4所示。
如同技术背景部分所述，高光谱成像光谱仪多采用成像镜头，利用光栅分光的方式获取高光谱图像。为了减小像差对成像的影响，成像镜头要采用不同材料的镜片进行匹配，以实现对入射光能量的汇聚和每一瞬时视场角光谱的采集。本发明所利用的感光元件利用线变滤光片分光，入射光学镜头只需把入瞳处的圆形光斑汇聚成与有效感光光敏面尺寸一致的线条光斑即可实现能量的汇聚和光谱采集。然而，成像镜头所采用镜片都具有各向同性的光学特点，无法改变入射光束的形状。例如，对于直径为25.4mm的圆形入射光束，利用成像镜头只能将其整形为直径与光敏面长度12.8mm一致的圆形光束，且成像镜头镜片数量多，装配复杂，成本较高。
实施例1、
一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜1、正柱面镜2和感光元件3，所述入射光依次穿过平凸透镜1的凸面侧和平面侧，所述入射光依次穿过正柱面镜2的凸柱面侧和平面侧，所述近红外光最终进入感光元件3。
所述近红外光光源为太阳光照射待探测物体后的反射光，具体是波长范围为1350nm至1550nm波段的近红外光。
实施例2、
如实施例1所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其区别在于，所述平凸透镜1的凸面侧的曲率半径为52.51mm；所述正柱面镜2的凸柱面侧的曲率半径为51.85mm。
所述平凸透镜1的焦距为101.6mm、中心厚度为4mm，通光孔径为25.4mm。
所述正柱面镜2的焦距为100mm、中心厚度为3.16mm，通光孔径为25mm。
所述平凸透镜1和正柱面镜2的中心距为5.58mm，所述平凸透镜1的凸面侧顶点到所述感光元件3的距离总长为53.76mm。
实施例3、
如实施例2所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其区别在于，所述平凸透镜1和正柱面镜2均由H-K9L冕牌玻璃制成。所述平凸透镜1的焦距公差±1％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm；所述正柱面镜2的焦距公差±2％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm。
所述平凸透镜1和正柱面镜2的两侧均镀1050nm至1620nm波段的增透膜，单层增透膜透过率大于99.5％。
所述感光元件3是带有64通道线性渐变滤光片的256元线列InGaAs探测器，其光敏面4是尺寸为12.8mm×0.5mm的矩形。
结合上述实施例1、2、3，在实际装配中，所述入射光学系统的机械装配示意图如图4所示：包括装有镜片的内部镜筒5，固定并调节内部镜筒5距离的外部镜筒8，平凸透镜1，正柱面镜2，调节镜片之间距离的隔离环6，固定镜片作用的压圈7，内部镜筒5和外部镜筒8均由固定螺丝9固定，整形后的入射光线进入感光元件的光敏面4。
具体而言，平凸透镜1率先安装在内部镜筒5，凸面侧向外；然后安装正柱面镜2，凸面侧向外，平凸透镜1和正柱面镜2之间用隔离环6调节控制两镜片的中心距，然后两镜片由压圈7固定在内部镜筒5；内部镜筒5由外部镜筒8两侧的固定螺丝9进行固定和调节，通过调节内部镜筒5到感光元件3的距离可以改变系统视场范围；外部镜筒8由其底部的固定螺丝9固定在感知节点外壳。正柱面镜2在安装过程中保证其光焦度为零的方向与光敏面的方向相一致。
实施例4、
如实施例1-3所述光学系统的工作方法，包括：
波长为1350nm至1550nm波段的近红外光光源首先进入平凸透镜1，受入瞳限制，入射光线为直径25.4mm的圆形光束，经平凸透镜1折射后光线发生汇聚；进入正柱面镜2的光线是经平凸透镜1整形后的圆形光束，光束直径变小、并在感光元件3的光敏面处形成一椭圆形线条光斑，光斑长度与光敏面4尺寸相一致。由于正柱面镜2在水平方向无光焦度，因此经正柱面镜2二次整形后的入射光线在感光元件3的光敏面4处形成一椭圆形线条光斑。图3所示为整形后的入射光线在光敏面4处的点列图，图中每个小网格线间距2mm。整形后的光斑形状与光敏面尺寸(12.8×0.5mm)相一致，达到光束整形和能量汇聚的效果。

Claims (6)

1.一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其特征在于，该系统包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜、正柱面镜和感光元件，所述入射光依次穿过平凸透镜的凸面侧和平面侧，再依次穿过正柱面镜的凸柱面侧和平面侧，最终进入感光元件；
所述平凸透镜的凸面侧的曲率半径为52.51mm；所述正柱面镜的凸柱面侧的曲率半径为51.85mm；
所述平凸透镜的焦距为101.6mm、中心厚度为4mm，通光孔径为25.4mm；所述正柱面镜的焦距为100mm、中心厚度为3.16mm，通光孔径为25mm；
所述平凸透镜和正柱面镜均由H-K9L冕牌玻璃制成；
所述平凸透镜和正柱面镜的中心距为5.58mm，所述平凸透镜的凸面侧顶点到所述感光元件的距离总长为53.76mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其特征在于，所述近红外光光源为太阳光照射待探测物体后的反射光，具体是波长范围为1350nm至1550nm波段的近红外光。
3.根据权利要求1所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其特征在于，所述平凸透镜的焦距公差±1％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm；所述正柱面镜的焦距公差±2％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其特征在于，所述平凸透镜和正柱面镜的两侧均镀1050nm至1620nm波段的增透膜，单层增透膜透过率大于99.5％。
5.根据权利要求1所述的一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，其特征在于，所述感光元件是带有64通道线性渐变滤光片的256元线列InGaAs探测器，其光敏面是尺寸为12.8mm×0.5mm的矩形。
6.如权利要求1-5任意一项所述光学系统的工作方法，其特征在于，该方法包括：
由近红外光光源发射的波长为1350nm至1550nm波段的光线首先进入平凸透镜，受入瞳限制，入射光线为直径25.4mm的圆形光束，经平凸透镜折射后光线发生汇聚；经平凸透镜整形后的圆形光束进入正柱面镜后，光束直径变小、并在感光元件的光敏面处形成一椭圆形线条光斑，光斑长度与光敏面尺寸相一致。
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