CN111854955B - 一种双通道成像光谱物镜及成像光谱仪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双通道成像光谱物镜及成像光谱仪装置。本发明包括前组镜头、分光狭缝和后组镜头。经过前置镜组后的光通过倾斜放置的分光狭缝，一部分光束透射通过分光狭缝，其余成像光束在所述分光狭缝前表面发生反射。所述在分光狭缝上透射穿过的光束路径为所述光谱通道；所述在分光狭缝的前表面上发生反射的光束路径为图像通道。本发明使得光谱获取和图像拍摄具有相同的视点并且同时进行，有益于光谱数据对应空间位置的标定，即在无人机飞行拍摄或使用者手持拍摄过程中，无须按照特定要求进行平扫，而是可以任意方式扫描覆盖后，根据图像拼接进行光谱数据的空间位置对准。

Description

一种双通道成像光谱物镜及成像光谱仪装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种双通道成像光谱物镜。
背景技术
成像光谱仪能够获取目标物的光谱信息，在不同领域得到越来越多的应用。例如在农业遥感领域中，利用无人机挂载成像光谱仪对地面作物进行光谱获取，从而实现对农作物的长势的监控。
目前的成像光谱仪大多采用的是平扫式的结构，即：在同一时刻获取目标表面的一条线区域的光谱信息，同时需要成像光谱仪的移动或者转动从而获得目标表面不同位置的光谱数据。在使用中，需要实现对目标表面空间位置的对准，从而将每次获取的一条线区域的光谱数据拼接成面区域的数据。
此外，平扫式成像光谱仪难以对拍摄目标进行精确的对焦，特别是在对近处物体进行光谱成像时，对焦困难的缺陷就会明显展现出来。如果有方法能够在成像光谱仪系统中获取到目标的图像场景，那么(1)能够有效地进行对焦，使得成像光谱仪既可以用于近处的目标也可以用于远处的目标，(2)通过图像信息可以很方便地确定所获取的光谱对应的位置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双通道成像光谱物镜及成像光谱仪装置。
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明提出一种双通道的成像光谱仪物镜，经过前置镜组后的光通过倾斜放置的分光狭缝，一部分光束透射通过分光狭缝，其余成像光束在所述分光狭缝前表面发生反射。所述在分光狭缝上透射穿过的光束路径为所述光谱通道；所述在分光狭缝的前表面上发生反射的光束路径为图像通道。
所述光谱通道中的光束在经过分光狭缝后离开所述双通道的成像光谱物镜，所述图像通道的光束经过分光狭缝反射后经过后置镜组后到达图像探测器。
本发明的双通道成像光谱物镜在工作状态时，从外界目标出射的外界光束透射经过所述前组镜头后到达所述分光狭缝。
所述分光狭缝为一种平板玻璃元件，在该元件中的前表面上有一条长条形的区域，该区域以外的其它区域镀有反射膜，而该区域内部不镀反射膜或者镀有特定波段的增透膜，使得到达所述长条形的区域内部的光束能够透过它，从分光狭缝的后侧出射，而到达所述长条形区域外侧的光束会在分光狭缝前表面上发生反射。
所述分光狭缝上的所述长条形的区域的长边的方向与所述分光狭缝的法线方向垂直，同时与前组镜头的光轴垂直，并且所述长条形的区域的中心和中心视场中心光线在所述分光狭缝上的入射位置重合。虽然在本发明提供的实施例中，分光狭缝倾斜45°放置，但是分光狭缝倾斜角度的改变并不会引入额外像差，因而可以改变，只需要满足避免前组镜头和后组镜头空间位置的冲突的条件。
所述前组镜头的结构中，光阑前侧的光焦度为正，光阑后侧具有一个负光焦度的透镜和光焦度为正的透镜。
所述图像通道中的光束在经过分光狭缝反射后到达所述后组镜头，依次通过后组镜头中的每一片镜片后到达所述图像探测器。
所述前置镜组的轴向移动实现了所述双通道成像光谱物镜的调焦过程。在上述调焦操作中，当所述像面上的画面最为清晰时停止所述调焦过程，此时完成了所述双通道成像光谱物镜的对焦。
优选地，所述双通道成像光谱仪物镜的前组镜头具有像方远心特性，使得光谱通道中从所述分光狭缝出射的光束的中心光线均尽可能与光轴平行。
本发明的有益效果：
本发明使得光谱获取和图像拍摄具有相同的视点并且同时进行，有益于光谱数据对应空间位置的标定，即在无人机飞行拍摄或使用者手持拍摄过程中，无须按照特定要求进行平扫，而是可以任意方式扫描覆盖后，根据图像拼接进行光谱数据的空间位置对准。此外，在获取近处或者远处目标的光谱信息时，可以借助于图像清晰程度轴向调整所述前组镜头的位置以实现精准对焦。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的光学系统的结构示意图；
图2为本发明的第一实施例的分光狭缝正视图；
图3为本发明的第一实施例的前组镜头在分光狭缝处的MTF曲线；
图4为本发明的第一实施例的像面位置的MTF曲线；
图5为本发明的第二实施例的光学系统的结构示意图；
图6为本发明的第一实施例的分光狭缝正视图；
图7为本发明的第二实施例的前组镜头在分光狭缝处的MTF曲线；
图8为本发明的第二实施例在像面位置的MTF曲线；
图9为本发明的一种成像光谱仪设备示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明包括前组镜头、分光狭缝和后组镜头；所述前组镜头收集外界场景的成像光束并且形成中间像面；所述分光狭缝位于前组镜头和后组镜头之间，其在中心长条形区域通光、其余区域全反射，并且其法线方向与所述前组镜头光轴形成一定的夹角；所述后组镜头接收从所述分光狭缝反射出射的成像光束，并且形成像面。
其中前组镜头的焦距和入瞳直径的比值F满足下述表达式：2.4＜F＜3.3，通过所述前组镜头的轴向移动实现拍摄距离的改变，使得拍摄距离范围在300mm到无限远之间。
所述的分光狭缝上的所述长条形的区域长边的方向与所述分光狭缝的法线方向垂直，同时与前组镜头的光轴垂直，并且所述长条形的区域的中心和中心视场中心光线在所述分光狭缝上的入射位置重合。所述的分光狭缝上的所述长条形的区域的中心和所述前组镜头形成的中间像面的中心在前组镜头光轴方向上的位置重合。
其中所述的前组镜头包括光阑，光阑前侧提供正光焦度并且光阑后侧具有三个光学元件，它们的光焦度分别为负、正、正。所述的后组镜头包含有六个光学元件，它们的光焦度分别为正、正、正、负、正、正。所述的后组镜头的放大率Beta满足下述表达式：0.98＜Beta＜1.24。
实施例1
下面结合附图1阐述本实施例。本实施例中，全视场角24°，前组镜头的F数为2.8，整体物镜的F数为3.48，像面直径10.7mm，后组镜头放大率为1.24。
在本实施例中来自目标的外界光线透射经过前组镜头G1后到达分光狭缝S。所述分光狭缝S为厚度1mm的平板玻璃，并且左侧表面上除了长8.8mm、宽15微米的中心长条区域D1外均镀有金属全反射膜，附图2中为了显示效果而对中心长条区域D1进行了夸张放大。因而入射在所述分光狭缝S左侧表面上的光在所述分光狭缝S左侧表面上分为两条光线路径。其中入射位置处于所述长条形D1的内部的光线透射经过所述分光狭缝；入射位置处于所述长条形外部区域D2的光线经过反射到达后组镜头G2，并且经过所述后组镜头G2后到达像面I。
本实施例中，所述前组镜头G1按照光线经过的先后顺序依次为正弯月透镜L1、由双凸透镜L2和双凹透镜L3组成的胶合透镜、双凹透镜L4、双凸透镜L5和双凸透镜L6。
本实施例中，所述后组镜头G2按照光线经过的先后顺序依次为正弯月透镜L7、双凸透镜L8、正弯月透镜L9、双凹透镜L10、双凸透镜L11和负弯月透镜L12。
表1
Figure BDA0002589171570000051
Figure BDA0002589171570000061
表1中厚度表示为沿着光轴的距离，45°反射镜使得光轴折转90°，折转后的光轴方向仍然指向像面；表1中曲率半径的符号规则为沿着光轴方向观察时，凸面为正、凹面为负。
本实施例中光阑前侧包含L1、L2和L3组成的双胶合透镜，光阑前侧所有镜片组成的系统焦距为123.9mm，提供正光焦度；光阑后的镜片L4焦距为-15.2mm，提供负光焦度；镜片L5和L6的焦距分别为14.2mm和24.5mm，均提供正光焦度。
所述前组镜头G1各个视场的中心主光线在入射在分光狭缝时，与光轴的最大偏离角度为1°，表明所述前组镜头G1具有良好的像方远心特性。
表中的L为双凸透镜L6的后表面到达所述分光狭缝中区域D1的距离，在物镜调焦过程中，所述L的大小会发生变化。精确对焦情况下，物距和所述距离L的对应关系如下表2所示。
表2
物距/mm L/mm
无限 12
5000 12.04
3000 12.09
1000 12.34
500 12.71
300 13.19
附图3和附图4分别示出了物距为无限远时，本实施例中前组镜头G1在分光狭缝出的MTF曲线和本实施例中双通道物镜在像面处的MTF曲线。附图3和附图4中的MTF曲线显示出本实施例具有良好的成像质量。
实施例2
本实施例全视场角20°，前组镜头的F数3.26，物镜整体的F数为3.18，像面直径8mm，后组镜头放大率为0.98。
本实施例中，外界场景的光束进入所述物镜后，按照光线经过的先后顺序，光束依次通过正弯月透镜L1、光阑、双凹透镜L2、L3和L4组成的正双胶合透镜、L5和L6组成的正双胶合透镜，到达分光狭缝S。镜片L1到L6组成前组镜头G1。所述分光狭缝S为厚度1mm的平板玻璃，并且左侧表面上除了长8mm、宽20微米的中心长条区域D1外均镀有金属全反射膜，附图6中为了显示效果而对中心长条区域D1进行了夸张放大。从所述前组镜头G1出射的光束入射在分光狭缝中D1区域内部的，透射通过分光狭缝向右传输。从所述前组镜头G1出射的光束入射在分光狭缝中D2区域内部的在分光狭缝左侧表面发生反射，依次透射经过正弯月透镜L7、双凸透镜L8、正弯月透镜L9、双凹透镜L10、双凸透镜L11、正弯月透镜L12，最后到达像面I。透镜L7至L12组成后组镜头G2。
表3
Figure BDA0002589171570000081
Figure BDA0002589171570000091
本实施例中，正弯月透镜L1焦距94mm，提供正光焦度；光阑后侧为双凹透镜L2，焦距-27.4mm，提供负光焦度；L3和L4组成的正双胶合透镜焦距42.2mm，提供正光焦度；L5和L6组成的正双胶合透镜焦距29.9mm，提供正光焦度。
所述前组镜头G1各个视场的中心主光线在入射在分光狭缝时，与光轴的最大偏离角度为0.4°，表明所述前组镜头G1具有良好的像方远心特性。
表中的L为双凸透镜L6的后表面到达所述分光狭缝中区域D1的距离，在物镜调焦过程中，所述L的大小会发生变化。精确对焦情况下，物距和所述距离L的对应关系如下表2所示。
表4
物距/mm L/mm
无限 16.363
5000 16.464
3000 16.530
1000 16.854
500 17.326
附图7和附图8分别示出了物距为无限远时，本实施例中前组镜头G1在分光狭缝出的MTF曲线和本实施例中双通道物镜在像面处的MTF曲线。附图7和附图8中的MTF曲线显示出本实施例具有良好的成像质量。
附图9示出了本参照发明一种成像光谱仪装置30的示意图。本实施例的成像光谱仪装置30属于一种手持式装置，包含双通道成像光谱物镜301、分光光路302，以及电子感光元件303、304。
虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，包括前组镜头、分光狭缝和后组镜头；
所述前组镜头收集外界场景的成像光束并且形成中间像面；
所述分光狭缝位于前组镜头和后组镜头之间，其在中心长条形区域通光、其余区域全反射，并且其法线方向与所述前组镜头光轴形成一定的夹角；
所述后组镜头接收从所述分光狭缝反射出射的成像光束，并且形成像面。
2.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，前组镜头的焦距和入瞳直径的比值F满足下述表达式：2.4<F<3.3。
3.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，通过所述前组镜头的轴向移动实现拍摄距离的改变，使得拍摄距离范围在300mm到无限远之间。
4.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，所述的分光狭缝上的所述长条形的区域长边的方向与所述分光狭缝的法线方向垂直，同时与前组镜头的光轴垂直，并且所述长条形的区域的中心和中心视场中心光线在所述分光狭缝上的入射位置重合。
5.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，所述的分光狭缝上的所述长条形的区域的中心和所述前组镜头形成的中间像面的中心在前组镜头光轴方向上的位置重合。
6.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，所述的前组镜头包括光阑，光阑前侧提供正光焦度并且光阑后侧具有三个光学元件，它们的光焦度分别为负、正、正。
7.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，所述的后组镜头包含有六个光学元件，它们的光焦度分别为正、正、正、负、正、正。
8.如权利要求1所述的一种双通道成像光谱物镜，其特征在于，所述的后组镜头的放大率Beta满足下述表达式： 0.98<Beta<1.24。
9.一种成像光谱仪装置，采用权利要求1所述的双通道成像光谱物镜，其特征在于：透过所述分光狭缝的光束经过分光光路后到达光谱探测器，由所述分光狭缝反射的光束经过后组镜头后到达图像探测器。
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