CN108692814B - 一种可见近红外光谱成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像技术领域，涉及到一种可见近红外光谱成像系统及方法。本发明实现了可见近红外宽谱段多光谱成像，消除了轴向和垂直的色差，成像质量好。本发明可见近红外光谱成像系统包括依次设置的镜头组件、滤光组件、调焦补偿组件和探测器焦平面；镜头组件依次包括第一镜、光阑、第二镜、第三镜和第四镜；第一镜为微弱负光焦度的弯月镜，第二镜为凸透镜，第三镜为凹透镜，第四镜为凸透镜；镜头组件将入射光线聚焦，接着光线进入滤光组件，滤光组件作用是滤掉波段外的光线，然后光线入射到调焦补偿组件上，最后光线聚焦于探测器焦平面；镜头组件和探测器焦平面之间的距离固定，通过切换不同厚度的调焦补偿镜实现对不同距离目标清晰成像。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，涉及到一种可见近红外光谱成像系统及方法。
背景技术
光谱成像系统是一种可同时获得目标图像和光谱信息的成像系统。可见近红外是可见光波段和近红外波段的合称。按美国试验和材料检测协会(ASTM)定义：可见光(VIS)指波长在0.38微米～0.78微米之间的电磁辐射，近红外(NIR)指波长在0.78微米～2.526微米之间的电磁辐射。习惯上又将近红外区划为近红外短波红(0.78微米～1.1微米)和近红外长波(1.1微米～2.526微米)。在自然界中,植被、农产品、地表、大气和矿物质在可见近红外波段的反射率具有丰富的特征，因此，可见近红外波段光谱分析广泛应用于植被分析、气候变化监测、农作物估产、物质成份分析等方面。
现有的折射式多光谱成像系统成像谱段的宽度较窄，一般在0.4-1.1微米，只能涵盖可见光和近红外的短波，不能涵盖近红外的长波，导致折射式多光谱成像系统的应用受限。
另外，光谱成像系统对不同距离成像时，一般采用两种对焦方式：第一种是移动焦面或整体移动镜头；另一种是移动镜头中的部分镜片来调节。前者移动机构过大，导致系统复杂，可靠性下降；后者则会使镜头更为复杂，从而增加了系统体积和重量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种可见近红外波段的多光谱成像系统及方法，其具有成像谱段较宽(0.46微米～2.0微米)，图像光谱信息更准确，调焦易实现的优点。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种可见近红外光谱成像系统，其特殊之处在于：包括沿光路传播方向依次设置的镜头组件、滤光组件、调焦补偿组件和探测器焦平面；
所述镜头组件包括依次沿光路传播方向设置的第一镜、光阑、第二镜、第三镜和第四镜；第一镜为微弱负光焦度的弯月镜，第二镜为凸透镜，第三镜为凹透镜，第四镜为凸透镜；
滤光组件包括滤光片；
调焦补偿组件包括调焦补偿镜；调焦补偿镜为平板玻璃；
镜头组件将入射光线聚焦，光线聚焦后进入滤光组件，滤光组件作用是滤掉所需谱段外的光线，经过滤光组件后，光线入射到调焦补偿镜上，调焦补偿组件用于补偿不同物距对应的像距差值，最后光线聚焦于探测器焦平面。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，上述所述第一镜的厚度为3mm，第二镜厚度为2mm，第三镜的厚度为2mm，第四镜的厚度为3mm，滤光片厚度为2mm，调焦补偿镜的厚度为5mm；第一镜和光阑的之间间隔为2.41845mm，光阑和第二镜之间间隔为0.1mm，第二镜和第三镜之间间隔为0.95927mm，第三镜和第四镜之间间隔为5.99063mm，第四镜和滤光组件之间间隔为7.0mm，滤光组件和调焦补偿组件之间间隔为7.0mm，调焦补偿组件和探测器焦平面之间间隔为8.83423mm。
进一步地，上述第一镜、第二镜、第三镜和第四镜均设有正向透射面和反向透射面；正向透射面为接收光束的表面，反向透射面为正向透射面的相对面；
其中，第一镜的正向透射面的曲率半径为6.69041mm，反向透射面的曲率半径为4.96216mm；第二镜的正向透射面的曲率半径为7.86072mm，反向透射面的曲率半径为-19.04835mm；第三镜的正向透射面的曲率半径为-13.56144mm，反向透射面的曲率半径为10.49786mm；第四镜的正向透射面的曲率半径为244.14289mm，反向透射面的曲率半径为-10.75593mm。
进一步地，上述第一镜的材料为冕牌玻璃。
进一步地，上述第二镜的材料为氟冕玻璃。
进一步地，上述第三镜的材料为特种火石玻璃。
进一步地，上述第四镜的材料为氟冕玻璃。
另外，本发明还提供了一种上述可见近红外光谱成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)设置镜头组件、滤光片和探测器焦平面，二者之间的距离固定；
2)探测目标的光线进入镜头组件,在滤光片和探测器焦平面之间切换不同厚度的调焦补偿镜来进行调焦，使光线聚焦于探测器焦平面；
3)调焦完成后，通过切换不同的滤光片，来获取不同谱段的光谱成像，所有的滤光片光学厚度相同，各滤光片镀不同谱段的滤光膜。
本发明的优点：
1、本发明可见近红外光谱成像系统，其使用的镜头组件实现了可见近红外宽谱段(0.46微米～2.0微米)多光谱成像，消除了轴向和垂直的色差，成像质量好；
2、本发明可见近红外光谱成像系统，其使用的镜头组件，实现了准像方远心，减小了边视场在滤光片上的入射角，提高了不同视场之间的一致性，图像光谱信息更准确；
3、本发明可见近红外光谱成像系统，镜头组件主要由四个镜片组成，四个镜片都是球面结构，没有引入非球面结构，降低了加工和装配难度；
4、本发明可见近红外光谱成像系统和方法，可以通过调节调焦补偿镜，实现对不同远近距离的物体清晰成像；
5、本发明可见近红外光谱成像系统和方法，可以通过调节滤光片，实现对不同谱段进行清晰成像。
附图说明
图1是本发明可见近红外光谱成像系统的光学系统图；
图2是本发明可见近红外光谱成像系统的轴向色差曲线；
图3是本发明可见近红外光谱成像系统的像散场曲曲线和畸变曲线；
图4是本发明可见近红外光谱成像系统在不同成像距离时，变换调焦补偿镜时的传递函数变化图；
图5是本发明可见近红外光谱成像系统采用不同厚度调焦补偿镜时的调节焦面位置原理图；
图6是本发明可见近红外光谱成像系统的传递函数曲线。
其中，10-镜头组件；20-滤光组件；30-调焦补偿组件；40-探测器焦平面；11-第一镜；12-光阑；13-第二镜；14-第三镜；15-第四镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种可见近红外光谱成像系统，包括沿光路传播方向依次设置的镜头组件10、滤光组件20、调焦补偿组件30和探测器焦平面40。
所述镜头组件10包括依次沿光路传播方向设置的第一镜11、光阑12、第二镜13、第三镜14和第四镜15；其中第一镜11是微弱负光焦度的弯月镜，材料为冕牌玻璃；第二镜13为凸透镜，材料为氟冕玻璃；第三镜14为凹透镜，材料为特种火石玻璃；第四镜15为凸透镜，材料为氟冕玻璃。通过四个镜片组合，在0.46微米～2.0微米内，校正了球差、彗差、畸变和场曲，残余部分像散与后边的滤光组件20和调焦补偿组件30互相抵消。
滤光组件20为滤光片，滤光片为平行平板玻璃，镀不同谱段滤光膜。调焦补偿组件30包括调焦补偿镜；调焦补偿镜为平板玻璃。本发明的光谱成像系统，其镜头组件10和探测器焦平面40是固定的，通过切换不同厚度的调焦补偿组件30实现对不同距离目标清晰成像。
其中，第一镜11、光阑12、第二镜13、第三镜14、第四镜15、滤光组件20和调焦补偿组件30的参数以及之间的关系如表1所示：
表1
镜头组件10将入射光线聚焦，光线聚焦后进入滤光组件20，滤光组件20作用是滤掉所需谱段外的光线，经过滤光组件20后，光线入射到调焦补偿组件30上，调焦补偿组件30用于补偿不同物距对应的像距差值，最后光线聚焦于探测器焦平面40。
多光谱成像系统的系统参数包括焦距f、视场ω、口径D、光谱范围、光谱通道数和调焦范围，焦距f、视场ω、口径D、光谱范围是由镜头组确定的。在本发明中，f＝36mm,ω＝12°,D＝6mm，光谱范围为0.46微米～2.0微米。
一种上述可见近红外光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：
1)设置镜头组件10、滤光片和探测器焦平面40，镜头组件10、滤光片和探测器焦平面40之间的距离固定；
2)探测目标的光线进入镜头组件10,在滤光片和探测器焦平面40之间切换不同厚度的调焦补偿镜来进行调焦，使光线聚焦于探测器焦平面40；
3)调焦完成后，通过切换不同的滤光片，来获取不同谱段的光谱成像，各滤光片光学厚度均相同，各滤光片镀不同谱段的滤光膜。
滤光组件20包括N个滤光片,每次使用一个，N≥1,N个滤光片的光学厚度均相同(光学厚度为折射率×滤光片厚度)，成像时，根据谱段选取其中的一个滤光片；滤光片的工作方式是分时的，滤光片个数和每个滤光片波段宽度由实际需求确定。各个滤光片镀不同谱段滤光膜，由于镜头在工作谱段内校正了色差，所以所有滤光片的光学厚度是相同的，滤光片材料可根据需求选择；滤光片数量和滤光膜特性，确定了多光谱相机的光谱通道数及每个光谱通道的中心波长位置和波段宽度。一般采用旋转切换方法来更换滤光片。
调焦补偿组件30位于滤光组件20后面，调焦补偿组件30的工作原理是：根据光的折射定理，在汇聚光路中插入厚度d，折射率为n的平板玻璃，焦面会向后移动d(n-1)/n。利用这个原理，在保持镜头组件10和探测器焦平面40固定时，通过改变调焦补偿组件30厚度来调节最佳焦面位置，从而对不同物距实现最佳成像。
图2为本发明可见近红外光谱成像系统的轴向色差曲线，这是镜头组的轴向色差图,可以看出镜头组的轴向色差得到了校正。图3是本发明可见近红外光谱成像系统的像散场曲曲线和畸变曲线；也是整个系统的一个像差曲线,反映整个系统的成像效果。图4是本发明可见近红外光谱成像系统在不同成像距离时，变换调焦补偿片时传递函数变化图；整个系统在对不同距离成像调换调焦补偿片时,系统传递函数的变化情况,反映清晰度变化的情况，可以看出系统具有较高的性能。图5是本发明可见近红外光谱成像系统采用不同厚度调焦补偿镜调节焦面位置原理图。图6是本发明可见近红外光谱成像系统的传递函数图,传递函数接近也是极限,说明成像质量是很好的,接近理论极限。
Claims (2)
1.一种可见近红外光谱成像系统，其特征在于：
包括沿光路传播方向依次设置的镜头组件（10）、滤光组件（20）、调焦补偿组件（30）和探测器焦平面（40）；
所述镜头组件（10）由依次沿光路传播方向设置的第一镜（11）、光阑（12）、第二镜（13）、第三镜（14）和第四镜（15）组成；第一镜（11）为微弱负光焦度的弯月镜，第二镜（13）为凸透镜，第三镜（14）为凹透镜，第四镜（15）为凸透镜；
滤光组件（20）包括滤光片；
调焦补偿组件（30）包括调焦补偿镜；调焦补偿镜为平板玻璃；
镜头组件（10）将入射光线聚焦，光线聚焦后进入滤光组件（20），滤光组件（20）作用是滤掉所需谱段外的光线，经过滤光组件（20）后，光线入射到调焦补偿组件（30）上，调焦补偿组件（30）用于补偿不同物距对应的像距差值，最后光线聚焦于探测器焦平面（40）；
所述第一镜（11）的厚度为3mm，第二镜（13）厚度为2mm，第三镜（14）的厚度为2mm，第四镜（15）的厚度为3mm，滤光片厚度为2mm，调焦补偿镜的厚度为5mm；
第一镜（11）和光阑（12）的之间间隔为2.41845mm，光阑（12）和第二镜（13）之间间隔为0.1mm，第二镜（13）和第三镜（14）之间间隔为0.95927mm，第三镜（14）和第四镜（15）之间间隔为5.99063mm，第四镜（15）和滤光组件（20）之间间隔为7.0mm，滤光组件（20）和调焦补偿组件（30）之间间隔为7.0mm，调焦补偿组件（30）和探测器焦平面（40）之间间隔为8.83423mm；
第一镜（11）、第二镜（13）、第三镜（14）和第四镜（15）均设有正向透射面和反向透射面；正向透射面为接收光束的表面，反向透射面为正向透射面的相对面；
其中，第一镜（11）的正向透射面的曲率半径为6.69041mm，反向透射面的曲率半径为4.96216mm；第二镜（13）的正向透射面的曲率半径为7.86072mm，反向透射面的曲率半径为-19.04835mm；第三镜（14）的正向透射面的曲率半径为-13.56144 mm，反向透射面的曲率半径为10.49786 mm；第四镜（15）的正向透射面的曲率半径为244.14289 mm，反向透射面的曲率半径为-10.75593 mm；
第一镜（11）的材料为冕牌玻璃；
第二镜（13）的材料为氟冕玻璃；
第三镜（14）的材料为特种火石玻璃；
第四镜（15）的材料为氟冕玻璃；
所述第一镜（11）、第二镜（13）、第三镜（14）和第四镜（15）均为球面镜。
2.一种可见近红外光谱成像系统的成像方法，基于权利要求1所述的一种可见近红外光谱成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
1）设置镜头组件（10）、滤光片和探测器焦平面（40），二者之间的距离固定；
2）探测目标的光线进入镜头组件（10）, 在滤光片和探测器焦平面（40）之间切换不同厚度的调焦补偿镜来进行调焦，使光线聚焦于探测器焦平面（40）；
3）调焦完成后，通过切换不同的滤光片，来获取不同谱段的光谱成像，所有的滤光片光学厚度相同，各滤光片镀不同谱段的滤光膜。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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