CN107091690B - 一种光学仪器及其轻巧型焦面扫描机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学仪器的轻巧型焦面扫描机构，包括前置物镜、能量接收系统、入射狭缝、准直镜、反射镜和汇聚镜；入射狭缝同时位于前置物镜的像面上以及准直镜的像面处；反射镜用于将准直镜的出射光线反射并垂直入射到汇聚镜上；汇聚镜的像面处于能量接收系统的感光面上；入射狭缝和准直镜均可沿垂直于准直镜的视轴方向同步平移，反射镜可沿平行于汇聚镜的视轴方向运动，且准直镜的位移量与反射镜的位移量满足：L₂＝L₁×sin2θ。本发明只需驱动入射狭缝、准直镜和反射镜三者重量体积较轻较小的部件，即可实现对待测目标的完整扫描成像，提高了成像扫描精度，降低了光学仪器的体积、重量和复杂度。本发明还公开一种光学仪器，其有益效果如上所述。

Description

一种光学仪器及其轻巧型焦面扫描机构

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种光学仪器的轻巧型焦面扫描机构。本发明还涉及一种包括上述轻巧型焦面扫描机构的光学仪器。

背景技术

扫描技术是光学成像、光谱成像、扫描仪等领域的核心技术，扫描方式的实现形式直接决定着仪器的功能、性能、成本、重量、体积及适应性和应用范围。

在光学成像领域，推扫式成像(push-broom)作为一种先进的扫描成像方式，可以大幅增加仪器的探测范围、有效提高仪器的空间信噪比。对于空载、星载仪器，推扫成像需要借助平台的运动，实现对地物目标的推扫成像，对平台的运动速度和平稳性提出了较高的要求；对于地面仪器，推扫成像一般需要借助高精度的转台或大尺寸、高精度的扫描反射镜实现对目标的推扫成像，转台或扫描镜的精度、重量、体积等因素严重影响仪器的适用范围。

在光谱成像领域，不管是干涉型光谱成像仪，还是色散型光谱成像仪，均只能对狭缝进行空间一维和光谱维的分光测量，而需要通过推扫的扫描方式实现另一维的空间测量，需要与光学成像类似的高稳定性飞行平台或高精度的扫描转台。

在扫描仪领域，平板式扫描(flatbed scanner)和滚筒式扫描(drum scanner)是常用的两种扫描方式，都是通过扫描头与目标相对运动，实现对目标的扫描测量、成像，大行程、高精度的扫描机构是此类仪器的瓶颈技术之一。

轻小型、内置式扫描成像仪的显著特点是无需稳定的飞行平台或高精度的扫描转台，通过内置的轻巧型扫描机构实现对目标的扫描测量。在现有技术中，轻小型、内置式扫描成像仪实现了扫描光学仪器的内置式扫描，但缺点是需要前置物镜与能量接收系统之间有相对运动，而仪器主体结构的运动式设计将大大降低仪器的结构刚度，也对驱动机构提出了较高的要求；并且，前置物镜和能量接收系统的重量和体积往往较大，无论驱动前置物镜运动还是驱动能量接收系统运动均比较耗能、麻烦，对驱动平台的要求与外置式扫描无异，在重量、体积以及复杂性方面不具有优势，而且驱动大体积大重量的物体往往造成驱动机构及整体重量和体积的增加，驱动困难直接造成扫描精度低等问题。

因此，如何解决常规成像方式在成像时需要驱动前置物镜或能量接收系统大质量大体积部件从而与目标形成相对运动的缺点，提高成像扫描精度，降低体积、重量和复杂度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学仪器的轻巧型焦面扫描机构，在扫描成像时无需要驱动前置物镜或能量接收系统等大质量大体积部件与待测目标形成相对运动，同时提高成像扫描精度，降低光学仪器的体积、重量和复杂度。本发明还提供一种包括上述轻巧型焦面扫描机构的光学仪器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学仪器的轻巧型焦面扫描机构，包括用于对待测目标进行成像的前置物镜和用于成像输出的能量接收系统，还包括入射狭缝、准直镜、反射镜和汇聚镜；

所述入射狭缝同时位于所述前置物镜和准直镜的像面上；

所述反射镜用于将所述准直镜的出射光线反射并垂直入射到所述汇聚镜上；

所述汇聚镜的像面处于所述能量接收系统的感光面上；

所述入射狭缝和准直镜均可沿垂直于所述准直镜的视轴方向同步平移，所述反射镜可沿平行于所述汇聚镜的视轴方向运动，且所述准直镜的位移量与所述反射镜的位移量满足：

L₂＝L₁×sin2θ；

其中，L₂为所述准直镜的位移量，L₁为所述反射镜的位移量，2θ为所述准直镜的视轴方向与所述汇聚镜的视轴方向的夹角。

优选地，还包括用于驱动所述入射狭缝和准直镜沿垂直于所述准直镜的视轴方向同步平移的第一驱动机构，以及用于驱动所述反射镜沿平行于所述汇聚镜的视轴方向运动的第二驱动机构。

优选地，所述第一驱动机构包括直线导轨和可滑动地设置于其上的移动平台，所述入射狭缝和准直镜均设置于所述移动平台上，且所述直线导轨的长度方向垂直于所述准直镜的视轴方向。

优选地，所述直线导轨的长度与所述前置物镜的像面宽度相等。

优选地，所述第二驱动机构具体为用于带动所述反射镜运动的直线电机或者丝杠导轨机构。

优选地，所述准直镜和/或汇聚镜具体为柱面镜。

优选地，所述反射镜具体为平面镜。

优选地，所述能量接收系统具体为线阵列探测器、面阵列探测器或光谱仪系统。

本发明还提供一种光学仪器，包括机身和设置于所述机身内的轻巧型焦面扫描机构，其中，所述轻巧型焦面扫描机构具体为上述任一项所述的轻巧型焦面扫描机构。

本发明所提供的光学仪器的轻巧型焦面扫描机构，主要包括前置物镜、能量接收系统、入射狭缝、准直镜、反射镜和汇聚镜。其中，前置物镜与待测目标相邻，主要用于对待测目标进行成像，而能量接收系统主要用于末端接收光线，进行成像扫描输出和图像处理等。入射狭缝位于前置物镜的像面上，并且同时位于准直镜的焦面上，如此，准直镜即可通过入射狭缝的光线扫描前置物镜对待测目标所成的像，并将其转化为平行光。

反射镜主要用于将准直镜的出射光线反射到汇聚镜上，并且反射镜的反射光线垂直入射到汇聚镜上。汇聚镜主要用于将平行光聚集到像面上，而其像面处于能量接收系统的感光面上。如此，前置物镜对待测目标成像后，即可依次通过入射狭缝、准直镜、反射镜和汇聚镜达到能量接收系统。重要的是，入射狭缝和准直镜均可沿着垂直于准直镜的视轴方向同步平移，同时反射镜可沿着平行于汇聚镜的视轴方向运动，并且准直镜的位移量与反射镜的位移量满足关系式：L₂＝L₁×sin2θ。如此，入射狭缝、准直镜和反射镜在进行各自移动时，准直镜将逐渐完成对前置物镜的像面的完整扫描，而且由于反射镜的运动，反射光线始终垂直入射汇聚镜，因此在三者同步平移的过程中，汇聚镜的像面也始终固定，变化的仅是反射镜的平行反射光线的光程长度。因此，本发明能够在扫描成像时无需要驱动前置物镜或能量接收系统等大质量大体积部件与待测目标形成相对运动，只需驱动入射狭缝、准直镜和反射镜三者重量体积较轻较小的部件，即可实现对待测目标的完整扫描成像，相应地提高了成像扫描精度，降低了光学仪器的体积、重量和复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图；

图2为图1中的θ等于90°时的结构示意图；

图3为本发明所提供的一种具体实施方式在光学成像领域的应用示意图；

图4为本发明所提供的一种具体实施方式在光谱成像领域的应用示意图。

其中，图1—图4中：

待测目标—1，前置物镜—2，能量接收系统—3，入射狭缝—4，准直镜—5，反射镜—6，汇聚镜—7，第一驱动机构—8，直线导轨—801，移动平台—802，第二驱动机构—9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图(图中的箭头为运动方向，其余附图均同)。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，光学仪器的轻巧型焦面扫描机构主要包括前置物镜2、能量接收系统3、入射狭缝4、准直镜5、反射镜6和汇聚镜7。

其中，前置物镜2与待测目标1相邻，主要用于对待测目标1进行成像，而能量接收系统3主要用于末端接收光线，进行成像扫描输出和图像处理等。

入射狭缝4位于前置物镜2和准直镜5的像面上，如此，准直镜5即可通过入射狭缝4的光线扫描前置物镜2对待测目标1所成的像，并将其转化为平行光。

反射镜6主要用于将准直镜5的出射光线反射到汇聚镜7上，并且反射镜6所反射的平行反射光线垂直入射到汇聚镜7上。汇聚镜7主要用于将平行光聚集到焦面上，而其焦面处于能量接收系统3的感光面上。如此，前置物镜2对待测目标1成像后，即可依次通过入射狭缝4、准直镜5、反射镜6和汇聚镜7达到能量接收系统3。

重要的是，入射狭缝4和准直镜5均可沿着垂直于准直镜的视轴方向同步平移，同时反射镜6可沿着平行于汇聚镜7的视轴方向运动，并且准直镜5的位移量与反射镜6的位移量满足关系式：L₂＝L₁×sin2θ，其中，L₂为准直镜5的位移量，L₁为反射镜6的位移量，θ为反射镜6的反射光线的反射角。如此，入射狭缝4、准直镜5和反射镜6在分别进行移动时，准直镜5将逐渐完成对前置物镜2的像面的完整扫描，而且由于反射镜6反射光线始终垂直入射汇聚镜7，因此在三者同步平移的过程中，汇聚镜7的像面也始终固定，变化的仅是反射镜6的平行反射光线的光程长度。

因此，本实施例所提供的轻巧型焦面扫描机构，能够在扫描成像时无需要驱动前置物镜2或能量接收系统3等大质量大体积部件与待测目标1形成相对运动，只需驱动入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者重量体积较轻较小的部件，即可实现对待测目标1的完整扫描成像，相应地提高了成像扫描精度，降低了光学仪器的体积、重量和复杂度。

为方便入射狭缝4和准直镜5的同步平移运动，本实施例中增设了第一驱动机构8。该第一驱动机构8主要用于同时驱动入射狭缝4和准直镜5进行同步直线运动，当然，其运动方向垂直于准直镜5的视轴。

具体的，第一驱动机构8具体包括直线导轨801和移动平台802。其中，直线导轨801为预设轨道，其长度方向垂直于准直镜的视轴方向。移动平台802设置在直线导轨801上，并可在其上自由滑动。同时，入射狭缝4和准直镜5均设置在移动平台802上，随其运动而同步运动，当然入射狭缝4和准直镜5两者的相对位置始终保持不变。

当然，驱动机构8的具体结构并不仅限于上述直线导轨801和移动平台802，其余比如包括直线电机和滚轮板，齿轮齿条传动机构等均可以采用。

进一步的，直线导轨801的长度可与前置物镜2的像面宽度相等。如此设置，入射狭缝4和准直镜5两者在直线导轨801往复运动时，每一个来回的往复运动都可以保证刚好完成对前置物镜2所成的像的完整扫描，而多次往复运动可实现对待测目标1的高帧频扫描成像。当然，直线导轨801的整体长度可以大于前置物镜2的像面宽度。

同时，为了方便反射镜6的运动，本实施例中增设了第二驱动机构9。具体的，该第二驱动机构9主要用于带动反射镜6沿着平行于汇聚镜7的视轴方向运动。具体的，该第二驱动机构9可为直线电机，可直接驱动反射镜6沿平行于汇聚镜7的视轴方向的直线往复运动。当然，第一驱动机构8与第二驱动机构9分别驱动入射狭缝4及准直镜5与反射镜6的驱动速度成一定比例关系，具体参照前述准直镜5与反射镜6的位移量的比例关系。另外，当反射镜6的反射光线的反射角为90°时，如图2所示，图2为图1中的θ等于90°时的结构示意图；反射镜6的反射光线和入射光线垂直，此时第一驱动机构8和第二驱动机构9的驱动方向可同向，即入射狭缝4、准直镜5和反射镜6均同向且同步平移运动，其运动方向均平行于汇聚镜7的视轴。

如此，在第一驱动机构8和第二驱动机构9的共同带动下，入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者各自进行预设轨迹的运动，如图1所示，当三者运动一段距离后达到图中的虚线位置，在该位置处，入射狭缝4仍然处于准直镜5的像面位置，但偏离了前置物镜2的成像中心位置一定距离，该距离属于前置物镜2的像面宽度的一部分。在此时，准直镜5的出射光线达到反射镜6后，反射光线仍然垂直入射汇聚镜7，且汇聚镜7的像面位置固定不动，因此能量接收系统3也无需运动。依次类推，入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者可沿各自的运动方向往复运动，只要保证三者间的位移量比例关系不变，即可实现把前置物镜2对待测目标1所呈的像进行往复扫描的效果，大幅提高了扫描成像精度和频率，并且能量接收系统3可以藉此获得前置物镜2对待测目标1所成的像的动态扫描图像。在此期间，仅有入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者进行运动，而待测目标1、前置物镜2和能量接收系统3都保持静止即可。

在关于准直镜5和汇聚镜7的一种优选实施方式中，该准直镜5和汇聚镜7具体可为柱面镜。当然，准直镜5和汇聚镜7还可以为类型但同样满足准直、汇聚功能的镜片组件。

在关于反射镜6的一种优选实施方式中，该反射镜6具体可为平面镜。当然，反射镜6还可以为内反射直角棱镜等。

如图3所示，图3为本发明所提供的一种具体实施方式在光学成像领域的应用示意图。

具体的，能量接收系统3具体可为线阵列探测器。该线阵列探测器可以根据入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者的运动速度匹配采样频率，并通过后续处理电路进行图像采集、转换、输出，即可在无转台和扫描镜的情况下实现对待测目标1的自扫描成像。如此，使用内置扫描机构与线阵列探测器组合的方式实现目标的扫描成像，可以避免对大面阵列探测器的依赖，这在红外领域显得尤为重要，因为大尺寸的红外面阵列探测器目前为止还是世界级的难题，而线阵列探测器的研制则容易得多。此外，在大视场、高分辨率的可见、近红外成像光学仪器中，也可以解决大幅宽、高分辨率、大探测器阵列需求之间的矛盾。

如图4所示，图4为本发明所提供的一种具体实施方式在光谱成像领域的应用示意图。

具体的，能量接收系统3具体还可以为光谱仪系统。同线阵列探测器一样，光谱仪中的探测器也按照与入射狭缝4、准直镜5和反射镜6三者的运动速度匹配的频率进行采样，并通过后续处理电路进行图像处理，即可在无转台和扫描镜的情况下实现对待测目标1的自扫描光谱成像。另外，该光谱仪既可以是棱镜色散型光谱仪、光栅色散型光谱仪，也可以是干涉型光谱仪、基于线性渐变滤光片(LVF)等其他类型需要有狭缝、无狭缝或有等效狭缝的光谱仪。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种光学仪器的轻巧型焦面扫描机构，包括用于对待测目标(1)进行成像的前置物镜(2)和用于成像输出的能量接收系统(3)，其特征在于，还包括入射狭缝(4)、准直镜(5)、反射镜(6)和汇聚镜(7)；

所述入射狭缝(4)同时位于所述前置物镜(2)和准直镜(5)的像面上；

所述反射镜(6)用于将所述准直镜(5)的出射光线反射并垂直入射到所述汇聚镜(7)上；

所述汇聚镜(7)的像面处于所述能量接收系统(3)的感光面上；

所述入射狭缝(4)和准直镜(5)均可沿垂直于所述准直镜(5)的视轴方向同步平移，所述反射镜(6)可沿平行于所述汇聚镜(7)的视轴方向运动，且所述准直镜(5)的位移量与所述反射镜(6)的位移量满足：

L₂＝L₁×sin2θ；

其中，L₂为所述准直镜(5)的位移量，L₁为所述反射镜(6)的位移量，2θ为所述准直镜(5)的视轴方向与所述汇聚镜(7)的视轴方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，还包括用于驱动所述入射狭缝(4)和准直镜(5)沿垂直于所述准直镜(5)的视轴方向同步平移的第一驱动机构(8)，以及用于驱动所述反射镜(6)沿平行于所述汇聚镜(7)的视轴方向运动的第二驱动机构(9)。

3.根据权利要求2所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述第一驱动机构(8)包括直线导轨(801)和可滑动地设置于其上的移动平台(802)，所述入射狭缝(4)和准直镜(5)均设置于所述移动平台(802)上，且所述直线导轨的长度方向垂直于所述准直镜(5)的视轴方向。

4.根据权利要求3所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述直线导轨(801)的长度与所述前置物镜(2)的像面宽度相等。

5.根据权利要求4所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述第二驱动机构(9)具体为用于带动所述反射镜(6)运动的直线电机或者丝杠导轨机构。

6.根据权利要求5所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述准直镜(5)和/或汇聚镜(7)具体为柱面镜。

7.根据权利要求6所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述反射镜(6)具体为平面镜。

8.根据权利要求7所述的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述能量接收系统(3)具体为线阵列探测器、面阵列探测器或光谱仪系统。

9.一种光学仪器，包括机身和设置于所述机身内的轻巧型焦面扫描机构，其特征在于，所述轻巧型焦面扫描机构具体为权利要求1-8任一项所述的轻巧型焦面扫描机构。