CN113885267A - 一种光学滤波组件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光学滤波组件，包括多个镜头组和光学滤波器件，多个镜头组阵列排布，多个镜头组包括中心镜头组和围绕中心镜头组阵列排布的外围镜头组，外围镜头组的物侧端远离中心镜头组倾斜设置，光学滤波器件设置于多个镜头组的像侧一端。还提出了一种高光谱成像系统，光学滤波组件通过光纤传输数据至成像芯片，光纤的纤芯对应连接多个镜头组对应的光学滤波器件。该一种光学滤波组件和高光谱成像系统通过阵列排布设置的多个镜头组件的形式扩大视场角，且使得进入光学滤波器件的入射角度减小，保证光学滤波器件的有效工作。

Description

一种光学滤波组件

技术领域

本发明涉及一种高光谱成像的技术领域，并且特别涉及一种光学滤波组件。

背景技术

高光谱成像技术因能获取高光谱立方数据集，同时包含待测样品的二维图像信息及一维光谱信息，被广泛应用于环境原位监测、食品安全检测、真伪判断等场景。高光谱成像技术将成像与光谱融合，高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据，已经广泛应用于地质、农业、海洋、医学、军事以及大气遥感等各个领域。

由于法布里-珀罗干涉器FPI结合镜头和CMOS sensor与传统镜头的参数设置几乎完全相反，尤其是在大视场角的成像镜头的使用中，直接使用法布里-珀罗干涉器FPI会导致法布里-珀罗干涉器FPI的主光线角度过大，导致法布里-珀罗干涉器FPI无法正常使用，影响大视场角的成像效果，因此无法保证法布里-珀罗干涉器FPI的CRA主光线角度是目前高光谱成像技术所面临的棘手问题，导致高光谱成像应用受限，不利于推广。

发明内容

为了解决现有大视场角的成像镜头中无法保证法布里-珀罗干涉器FPI的CRA主光线角度，导致高光谱成像应用受限的技术问题，本发明提出了一种光学滤波组件，以试图解决大视场角高光谱成像中FPI主光线角度的控制问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种光学滤波组件，包括多个镜头组和光学滤波器件，多个镜头组阵列排布，多个镜头组包括中心镜头组和围绕中心镜头组阵列排布的外围镜头组，外围镜头组的物侧端远离中心镜头组倾斜设置，光学滤波器件设置于多个镜头组的像侧一端。凭借多个镜头组件的阵列倾斜设置拼接成具有大视场角的阵列，使得各个镜头组保持各自较小的主光线角度，以控制光学滤波器件的入射角度，确保其有有效工作以获得良好成像效果。

优选的，光学滤波器件为法布里-珀罗干涉器FPI。采用法布里-珀罗干涉器FPI可以在传统镜头的基础上实现光谱解析的功能。

进一步优选的，还包括底座，底座上开设有用于安装多个镜头组的通孔。凭借该设置可以直接在底座上设置镜头组的倾斜角度，便于对整体视场角的控制。

优选的，光学滤波器件包括1个法布里-珀罗干涉器FPI，1个法布里-珀罗干涉器FPI覆盖多个镜头组的像侧端。直接利用完整FPI令其整面对应若干组镜头组简化了FPI的要求。

优选的，包括多个法布里-珀罗干涉器FPI，多个法布里-珀罗干涉器FPI分别对应设置于多个镜头组的像侧端。将多个FPI分别对应多个镜头组可以使得每个FPI的入射角与镜头组的主光线角度相同。

进一步优选的，多个镜头组的光学参数相同或不同。本申请支持使用相同透镜组单元亦支持使用不同透镜单元组。

进一步优选的，法布里-珀罗干涉器FPI根据不同的镜头组分区设置。

优选的，镜头组的主光线角度取自0~30°的范围内。凭借该参数的设置可以保证FPI的入射角在其最佳的工作范围内。

根据本发明的另一方面，提出了一种高光谱成像系统，包括如上述的光学滤波组件，光学滤波组件通过光纤传输数据至成像芯片，光纤的纤芯对应连接多个镜头组对应的光学滤波器件。通过光纤传输数据成像，可以构建像素光纤，实现精确波长筛选。

优选的，成像芯片包括CCD或CIS成像芯片。

本发明的光学滤波组件和高光谱成像系统通过多个镜头组的阵列排布，使得外围镜头组的物侧端远离中心镜头组倾斜设置，将相对较小的视场角的多个镜头组拼接成为具有较大视场角的镜头组阵列，同时各个镜头组的相对较小的主光线角度与光学滤波器件FPI的工作入射角度范围相对接近，确保光学滤波器件FPI的主光线角度在合理的工作角度范围内，并可以借鉴LCD拼接屏的思维，最终在成像芯片上拼接出最终图像，实现大视场角的高光谱成像，还可以通过光纤纤芯传输数据，CCD或CIS成像，构建像素光纤，基于光纤全反射原理，可以传输波长非连续且兼容波长变化小，使得FPI可以实现精确波长筛选。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的光学滤波组件的单个镜头组的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的光学滤波组件的镜头组阵列的结构示意图；

图3是根据本发明的一个具体的实施例的镜头组阵列的角度示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的光学滤波组件的结构示意图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例的光学滤波组件的底部结构示意图；

图6a-图6b是根据本发明的一个具体的实施例的纤芯排列示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了一个实施例的光学滤波组件的单个镜头组的结构示意图。如图1所示，该单个镜头组1的物侧一端处具有α的视场角，视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角又可用FOV表示。主光线是由物体的边缘发出通过光圈的中心最后到达像的边缘的光线，主光线角度CRA是主光线与平行光线的角度，即图1中角度β的1/2。

继续参考图2，图2示出了根据本发明的一个实施例的光学滤波组件的镜头组阵列的结构示意图，如图2所示，多个镜头组阵列排布，具体的，该镜头组阵列包括中心镜头组11和外围镜头组12，其中，中心镜头组11的轴线沿水平或竖直方向设置，外围镜头组12围绕中心镜头组11阵列设置，并且外围镜头组12的轴线与中心镜头组11的轴线存在夹角，即外围镜头组12倾斜阵列排布，具体的，外围镜头组12的物侧向远离中心镜头组11的方向倾斜，该设置使得整体形成的镜头组阵列的视场角叠加增大。在一个具体的实施例中，如图3中示出的镜头组阵列的角度示意图所示，外围镜头组12的轴线与中心镜头组11的轴线之间的夹角为9°。该角度的设置基于单个镜头组的视场角确定，以确保任意两相邻的外围镜头组12与中心镜头组11之间的视场角覆盖范围至少存在一个共同的交点或区域，即镜头组阵列不存在视场角空白点，完全覆盖物侧的区域。

图4示出了根据本发明的一个实施例的光学滤波组件的结构示意图，如图4所示，该光学滤波组件包括如图2中示出的镜头组阵列、光学滤波器件2和底座3，光学滤波器件2设置于镜头组阵列的像侧一端，镜头组阵列按如图2中的阵列形式固定设置于底座3的通孔31中。光学滤波器件3为法布里-珀罗干涉器FPI，在光谱学中法布里-珀罗标准具可以使光谱仪的分辨本领得到显著提升，从而可以分辨出波长差极细微的光谱线，将其与镜头组配合，可以使得传统的镜头具备高光谱成像的功能，将其集成于手机等移动设备可以充分发挥移动设备的摄像功能。在其他的实施例中，光学滤波器3还可以根据不同的使用场景需求使用除法布里-珀罗干涉器FPI之外的其他基于干涉原理的光学滤波器件，以实现对应的主光线角度的控制效果。

在具体的实施例中，图5示出了根据本发明的一个具体的实施例的光学滤波组件的底部结构示意图，如图5所示，多个法布里-珀罗干涉器FPI分别对应设置于多个光学镜头组的成像端，由于单个镜头组的主光线角度CRA较小，将多个法布里-珀罗干涉器FPI直接对应设置于镜头组的成像端，可以便于控制FPI的CRA角度要求，保证FPI的有效工作。在另一实施例中，还可以将一个法布里-珀罗干涉器FPI直接对应设置于镜头组阵列的成像端，使得法布里-珀罗干涉器FPI正面对应若干组镜头组，同样能够实现本发明的技术效果。

在具体的实施例中，底座3上预先根据镜头组阵列的视场角和镜头组的规格参数预先开设多个通孔31，便于加工制造实现对镜头组阵列角度的控制，将镜头组阵列直接固定于通孔31之后即可实现如图2中所要求的多个镜头组的视场角叠加并且不存在视场角空白点的效果。

在具体的实施例中，镜头组中的光学透镜的光学特性参数可以相同也可以不同，即本申请支持使用相同透镜组单元的同时亦可支持使用不同透镜组单元，针对使用不同透镜组单元的情况下，可将法布里-珀罗干涉器FPI分区，等效拼接法布里-珀罗干涉器FPI阵列，或者在法布里-珀罗干涉器FPI整面使用时，增加辅助软件算法实现最终输出图像的校正。

在具体的实施例中，镜头组1的主光线角度CRA 的值取自0~30°的范围内，在该主光线角度CRA的范围内可以保证FPI的入射角在其最佳的工作范围，以确保最终的成像效果。

在本发明的一个具体应用中，可以通过底座3的通孔31处直接连接光纤纤芯，利用光纤传输数据，利用CCD(Coupled Charge Device)或CIS（CMOS Image Sensor）成像构建像素光纤，实现高光谱成像。基于光纤全反射的原理，可传输波长非连续且兼容波长变化小，FPI可以实现精准波长筛选，例如1nm的波长筛选。

继续参考图6a-图6b，图6a-图6b示出了根据本发明的一个具体的实施例的纤芯排列示意图，光纤单芯直径相同时，分辨力主要取决于纤芯排列方式和排列的紧密程度。常见的纤芯排列方式有两种：如图6a中的正方形排列和如图6b中的正六边形排列（部分示意图）。在正方形排列中，0°和90°的方向上，取样间隔近似为

，极限分辨力：

，45°和135°方向上，交错纤芯的中心位于同一直线上，其取样间个为0.7

，极限分辨力：

。在正六边形排列中，30°、90°和150°的方向上，交错纤芯的中心共线，取样间隔近似为0.5

，极限分辨力

，0°、45°和135°的方向上，取样间隔为

，极限分辨力

。

本发明的光学滤波组件通过多个镜头组的阵列排布，使得外围镜头组的物侧端远离中心镜头组倾斜设置，将相对较小的视场角的多个镜头组拼接成为具有较大视场角的镜头组阵列，同时各个镜头组的相对较小的主光线角度与光学滤波器件FPI的工作入射角度范围接近，确保光学滤波器件FPI的主光线角度在合理的工作角度范围内，借鉴LCD拼接屏的思维，最终在成像芯片上拼接出最终图像，组成大视场角的高光谱成像系统，还可以利用光纤纤芯传输数据，通过CCD或CIS成像构建像素光纤，基于光纤全反射原理，可以传输波长非连续且兼容波长变化小，使得FPI可以实现精确波长筛选。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (10)

1.一种光学滤波组件，其特征在于，包括多个镜头组和光学滤波器件，所述多个镜头组阵列排布，所述多个镜头组包括中心镜头组和围绕所述中心镜头组阵列排布的外围镜头组，所述外围镜头组的物侧端远离所述中心镜头组倾斜设置，所述光学滤波器件设置于所述多个镜头组的像侧一端。

2.根据权利要求1所述的光学滤波组件，其特征在于，所述光学滤波器件为法布里-珀罗干涉器FPI。

3.根据权利要求1或2所述的光学滤波组件，其特征在于，还包括底座，所述底座上开设有用于安装所述多个镜头组的通孔。

4.根据权利要求1所述的光学滤波组件，其特征在于，所述光学滤波器件包括1个法布里-珀罗干涉器FPI，所述1个法布里-珀罗干涉器FPI覆盖所述多个镜头组的像侧端。

5.根据权利要求1所述的光学滤波组件，其特征在于，包括多个法布里-珀罗干涉器FPI，所述多个法布里-珀罗干涉器FPI分别对应设置于所述多个镜头组的像侧端。

6.根据权利要求4或5所述的光学滤波组件，其特征在于，所述多个镜头组的光学参数相同或不同。

7.根据权利要求6所述的光学滤波组件，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉器FPI根据不同的所述镜头组分区设置。

8.根据权利要求1所述的光学滤波组件，其特征在于，所述镜头组的主光线角度取自0~30°的范围内。

9.一种高光谱成像系统，包括如权利要求1-8中任一项所述的光学滤波组件，其特征在于，所述光学滤波组件通过光纤传输数据至成像芯片，所述光纤的纤芯对应连接所述多个镜头组对应的光学滤波器件。

10.根据权利要求9所述的一种高光谱成像系统，其特征在于，所述成像芯片包括CCD或CIS成像芯片。

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