专利名称：基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置及方法
技术领域：
本发明是关于成像光谱技术领域的装置及方法，尤其涉及一种基于Nipkow 盘的衍射多光谱成像装置及方法。
背景技术：
成像光谱技术将成像技术与光谱技术相结合，利用该技术对被测目标进行一 次观测就可同时得到目标的二维图像信息与光谱信息，该技术目前己被广泛应用 于遥感、目标识别等领域。目前，人们已经采用多种技术手段实现了该技术，基 于衍射透镜的光谱成像技术就属于其中之一。
1995年，SP正第2480巻，123~131页"Image Spectrometry with a Diffractive Optic"首次公开一种由衍射光学元件和探测器组成的成像光谱仪装置。美国专 利公开号5479258，
公开日1995年12月26日，发明名称为ImageMultispectral Sensing，该专利公开了由衍射光学元件和探测器组成的成像光谱仪方案。中国专 利申请号200810065751.6，申请日2008年2月29日，发明名称为横向放大率恒定 的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法，该申请案公开了由衍射光学元 件、探测器及消像差透镜组成的成像光谱仪方案。上述方案或装置的不足之处在 于若想得到某个单一波长入射光的图像与光谱信息，上述装置的探测器必须扫描 并记录所有波长入射光的焦平面，然后利用计算机层析技术进行图像处理，去除 各个波长准焦面上的其它波长入射光的离焦光斑，才能获得该单一波长入射光的 图像与光谱数据，这样就不能实时提取单一波长入射光的图像及光谱信息。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种基于Nipkow盘的衍射多光谱 成像装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所述的基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置，包括衍射透镜、衍射
透镜直线驱动器、基座、探测器、壳体、壳体直线驱动器，该装置还包括由带有 一条螺旋线形透光槽的挡光板、具有多条按螺旋线排列的不同直径针孔的Nipkow
盘以及带有一条微透镜阵列按螺旋线排列的微透镜阵列盘组成的层析及成像系 统。在壳体的内表面上配装相对位置固定机构，由挡光板、Nipkow盘和微透镜 阵列盘组成的层析及成像系统配装在相对位置固定机构内。第二旋转驱动器固定 于壳体上侧的内表面上，第二驱动轴两端分别与第二旋转驱动器及微透镜阵列盘固接。第一旋转驱动器固定于壳体的直立内表面上，第一驱动轴两端分别固接第 一旋转驱动器及Nipkow盘。Nipkow盘位于挡光板及微透镜阵列盘之间，挡光板 位于衍射透镜一侧。挡光板、Nipkow盘及微透镜阵列盘相互平行，且中心位于 同一个轴上。挡光板的透光槽与微透镜阵列盘的微透镜阵列相对应，且两者间的 相对位置固定不变。挡光板上的透光槽的螺旋线形状及微透镜阵列盘上的微透镜 阵列的螺旋线形状与Nipkow盘上的针孔的螺旋线形状相同。Nipkow盘上位于同 一条螺旋线上的针孔的直径由Nipkow盘的中心向外逐渐变大，不同螺旋线上的 针孔直径不同。Nipkow盘3上的螺旋线条数由所设计的成像光谱仪的光谱段数 决定。
本发明所述的基于Nipkow盘的衍射多光谱成像方法包括以下步骤
① 要探测某一波长入射光图像及光谱信息时，相对位置固定机构解锁，用 第二旋转驱动器经第二驱动轴转动微透镜阵列盘，通过相对位置固定机构带动挡
光板一并转动，使透光槽与微透镜阵列处于探测器视场之外；相对于挡光板与微 透镜阵列盘转动Nipkow盘，根据设计时已经计算出的该波长光在其焦平面上的 光斑大小，使直径与该光斑大小匹配的一条螺旋线针孔与透光槽和微透镜阵列相 对应，相对位置固定机构锁紧；
② 壳体直线驱动器将包含挡光板、Nipkow盘、微透镜阵列盘及探测器的壳 体整体驱动到该焦平面处，且使Ni沐ow盘位于该波长入射光的焦平面上；
③ 打开探测器开关，第一旋转驱动器驱动挡光板、Nipkow盘与微透镜阵列 盘整体旋转并扫描焦平面，准确聚焦在焦平面上的波长的入射光透过针孔，经过 微透镜成像在探测器上，扫描结束后，将三者转动到探测器视场之外等待下一次 扫描。
本发明的有益效果是
第一，本装置及方法能实时地提取被观测光谱范围内任一波长入射光的图 像及光谱信息。
第二，本装置及方法能、最低限度产生并有效阻挡杂散光。
第三，本装置及方法与普通衍射透镜成像光谱仪相比，能获得更高的光谱分 辨率。
图1是基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置结构示意2是图像及光谱数据接收系统外观结构三维示意图
图3是挡光板与Nipkow盘和微透镜阵列盘系统结构示意图
图4是实施例的衍射透镜及入射光参数
图5是计算光谱分辨率所用符号示意图
图6是被观测的某波长入射光的杂散光贡献区示意图
图7是计算被观测的某波长入射光的左侧杂散光计算示意图
图8是计算被观测的某波长入射光的右侧杂散光计算示意图
图中l衍射透镜、2挡光板、3Nipkow盘、4微透镜阵列盘、5相对位置固 定机构、6第二驱动轴、7第二旋转驱动器、8第一驱动轴、9第一旋转驱动器、 10壳体、11壳体直线驱动器、12探测器、13基座、14衍射透镜直线驱动器、 15透光槽、16针孔、17微透镜阵列
具体实施例方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细描述。
本发明具体装置描述如下
本装置包括衍射透镜l、衍射透镜直线驱动器14、基座13、探测器12、壳 体10、壳体直线驱动器11，该装置还包括由带有一条螺旋线形透光槽15的挡光 板2、具有多条按螺旋线排列的不同直径针孔16的Nipkow盘3以及带有一条微 透镜阵列17按螺旋线排列的微透镜阵列盘4组成的层析及成像系统；在壳体10 的内表面上配装相对位置固定机构5，由挡光板2、 Nipkow盘3和微透镜阵列盘 4组成的层析及成像系统配装在相对位置固定机构5内；第二旋转驱动器7固定 于壳体10上侧的内表面上，第二驱动轴6两端分别与第二旋转驱动器7及微透 镜阵列盘4固接；第一旋转驱动器9固定于壳体10的直立内表面上，第一驱动 轴8两端分别固接第一旋转驱动器9及Nipkow盘3; Nipkow盘3位于挡光板2 及微透镜阵列盘4之间，挡光板2位于衍射透镜1一侧；挡光板2、 Nipkow盘3 及微透镜阵列盘4相互平行，且中心位于同一个轴上；挡光板2的透光槽15与 微透镜阵列盘4的微透镜阵列17相对应，且两者间的相对位置固定不变；挡光 板2上的透光槽15的螺旋线形状及微透镜阵列盘4上的微透镜阵列17的螺旋线 形状与Nipkow盘3上的针孔16的螺旋线形状相同；Nipkow盘3上位于同一条 螺旋线上的针孔16的直径由Nipkow盘3的中心向外逐渐变大，不同螺旋线上的 针孔16直径不同。Nipkow盘3上的螺旋线条数由所设计的成像光谱仪的光谱段数决定。相对位置固定机构5解锁后，旋转驱动器7通过驱动轴6带动挡光板2 与微透镜阵列4 一同转动，旋转驱动器9通过驱动轴8带动Nipkow盘3转动。 相对位置固定机构5锁紧后，旋转驱动器9通过驱动轴8带动Nipkow盘3、挡 光板2及微透镜阵列盘4 一同转动。Nipkow盘上位于同一条螺旋线上的针孔的 直径由Nipkow盘的中心向外逐渐变大，以适应衍射透镜1径向放大率不同而导 致的径向光斑由光轴沿径向增大的特点。Nipkow盘上不同螺旋线上的针孔直径 不同，以适应衍射透镜1轴向放大率不同而导致的轴向光斑沿远离衍射透镜1方 向增大的特点。壳体直线驱动器11可让壳体及其内部元件沿衍射透镜1的光轴 移动。
本装置工作步骤如下-
① 要获得某一波长入射光的二维图像与光谱信息时，相对位置固定机构5 锁紧，旋转驱动器9转动挡光板2、 Nipkow盘3与微透镜阵列4，使挡光板2的 透光槽15与微透镜阵列17处于探测器12的视场之外。相对位置固定机构5解 锁，旋转驱动器9转动Nipkow盘3，根据设计时已经计算出的该波长光在其焦 平面上的光斑大小，使直径与该光斑大小匹配的一条螺旋线针孔16与透光槽15 和微透镜阵列17相对应，相对位置固定机构5锁紧，做好扫描准备。
② 入射光经衍射透镜1聚焦于像方焦平面上，根据设计时已经计算出的该 波长光在光轴上的焦平面的位置，用壳体直线驱动器11将壳体10沿衍射透镜1 的光轴向该焦平面处移动，使Nipkow盘3处于该焦平面上。
③ 该波长准焦光经过Nipkow盘3上的针孔16成为点光源，再经过微透镜 阵列17成像在探测器12上，准焦面上其它波长的离焦光被挡光板2及Nipkow 盘3阻挡。开启探测器12的电源，旋转驱动器9通过驱动轴8带动挡光板2、 Nipkow盘3及微透镜阵列盘4转动，完成一次对准焦光的扫描；若想得到该波 长入射光的连续视频图像，只需让旋转驱动器9连续驱动挡光板2、 Nipkow盘3 及微透镜阵列盘4扫描焦平面。
④ 扫描完成后，关闭探测器12的电源；旋转驱动器9驱动挡光板2、 Nipkow 盘3及微透镜阵列盘4至探测器12的视场之外。
本发明的实施例如下
衍射透镜及入射光参数如图4所示，波长分别为5微米、4微米、3微米， 分别聚焦于距衍射透镜82毫米、102毫米、127毫米的光轴上。
计算光谱分辨率所用符号如图5所示4:被探测波长，^所在平面为准焦面；
4 :聚焦于&左侧且光能量100%通过Nipkow盘3上的针孔16的波长; 4:聚焦于^右侧且光能量100。/。通过Nipkow盘3上的针孔16的波长; i :衍射透镜l的半径；
r: Nipk0W盘3上的处于光轴附近的针孔的半径； P: ^焦点到A焦点的距离；
《A焦点到;i3焦点的距离；
Z :系统所能探测的光谱范围中波长最大的光的焦点距衍射透镜的距离;
^焦点到系统所能探测的光谱范围中波长最大的光的焦点的距离； /: ^焦点到衍射透镜的距离； ^处轴上光谱分辨率
按照图1的情况，11=20111111，设尸10//附，4//附处的分辨率光谱分辨率为0.1%。 将能量100%透过针孔的波长区间定义为光谱分辨率区，所以该区域之外的
光都被视为杂散光区，并分为左右两个区域。左区为光线聚焦后发散，发散光的 一部分透过圆孔成为杂散光，右侧为光线在会聚之前被圆孔挡住，会聚光的一部 分透过圆孔成为杂散光。下面分别分左右两个区域分别计算。
被观测波长入射光的杂散光贡献区如图6所示，计算观测波长入射光的左侧 杂散光如图7所示，左侧杂散光区域贡献的总能量为-
及衍射透镜l的半径;
r: Nipk0W盘3上的处于光轴附近的针孔的半径;
A:杂散光聚焦后发散，被圆孔盘遮挡的半径;
丄光谱仪系统所能探测的最大波长的焦距;"杂散光贡献区内某一波长距最大波长的轴向距离
被研究波长距最大波长的轴向距离；
左侧杂散光区的右边界； ￡'为每个波长入射光的能量；
计算观测波长入射光的右侧杂散光如图7所示，右侧杂散光区域贡献的总能
<formula>formula see original document page 9</formula>
及衍射透镜l的半径；
Nipk0W盘3上的处于光轴附近^]针孔的半径； ^杂散光聚焦，被圆孔盘遮挡的半径； Z-光谱仪系统所能探测的最大波长的焦距； y:被研究波长距最大波长的轴向距离； g:右侧杂散光区的左边界；
m :右杂散光贡献区内某波长光距右杂散光贡献区左边界的轴向距离； y:被研究波长距最短波长距圆孔盘的轴向距离；
考虑变直径针孔对能量透过的不同，设光谱仪系统所能探测的最大波长A^ 使用的针孔直径为d，则其它波长义'应使用的圆孔直径为<formula>formula see original document page 9</formula>
/Q: ^对应的焦距； A:设计波长； Z。物距；
/d:设计波长对应的焦距； \ z:高斯像距；
使用变直径针孔后，光轴上光谱分辨率为
<formula>formula see original document page 9</formula>义_:系统探测的光谱范围中最大的波长值；A^使用的针孔直径;
<formula>formula see original document page 10</formula>
每个波长的光通过衍射透镜1后的用于聚焦成像的衍射级次包含的
以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不能被理解为 限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发 明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。
权利要求
1、一种基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置，包括衍射透镜(1)、衍射透镜直线驱动器(14)、基座(13)、探测器(12)、壳体(10)、壳体直线驱动器(11)，其特征在于该装置还包括由带有一条螺旋线形透光槽(15)的挡光板(2)、具有多条按螺旋线排列的不同直径针孔(16)的Nipkow盘(3)以及带有一条微透镜阵列(17)按螺旋线排列的微透镜阵列盘(4)组成的层析及成像系统；在壳体(10)的内表面上配装相对位置固定机构(5)，由挡光板(2)、Nipkow盘(3)和微透镜阵列盘(4)组成的层析及成像系统配装在相对位置固定机构(5)内；第二旋转驱动器(7)固定于壳体(10)上侧的内表面上，第二驱动轴(6)两端分别与第二旋转驱动器(7)及微透镜阵列盘(4)固接；第一旋转驱动器(9)固定于壳体(10)的直立内表面上，第一驱动轴(8)两端分别固接第一旋转驱动器(9)及Nipkow盘(3)；Nipkow盘(3)位于挡光板(2)及微透镜阵列盘(4)之间，挡光板(2)位于衍射透镜(1)一侧；挡光板(2)、Nipkow盘(3)及微透镜阵列盘(4)相互平行，且中心位于同一个轴上；挡光板(2)的透光槽(15)与微透镜阵列盘(4)的微透镜阵列(17)相对应，且两者间的相对位置固定不变；挡光板(2)上的透光槽(15)的螺旋线形状及微透镜阵列盘(4)上的微透镜阵列(17)的螺旋线形状与Nipkow盘(3)上的针孔(16)的螺旋线形状相同；Nipkow盘(3)上位于同一条螺旋线上的针孔(16)的直径由Nipkow盘(3)的中心向外逐渐变大，不同螺旋线上的针孔(16)直径不同。
2、 根据权利1所描述的基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置，其特征在于 Nipkow盘(3)上的螺旋线条数由所设计的成像光谱仪的光谱段数决定。
3、 一种基于Nipkow盘的衍射多光谱成像方法，其特征在于其方法包括以下 步骤① 要探测某一波长入射光图像及光谱信息时，相对位置固定机构解锁，用 第二旋转驱动器经第二驱动轴转动微透镜阵列盘，通过相对位置固定机构带动挡 光板一并转动，使透光槽与微透镜阵列处于探测器视场之外；相对于挡光板与微 透镜阵列盘转动Nipkow盘，根据设计时已经计算出的该波长光在其焦平面上的 光斑大小，使直径与该光斑大小匹配的一条螺旋线针孔与透光槽和微透镜阵列相 对应，相对位置固定机构锁紧；② 壳体直线驱动器将包含挡光板、Nipkow盘、微透镜阵列盘及探测器的壳 体整体驱动到该焦平面处，且使Nipkow盘位于该波长入射光的焦平面上；③ 打开探测器开关，第一旋转驱动器驱动挡光板、Nipkow盘与微透镜阵列 盘整体旋转并扫描焦平面，准确聚焦在焦平面上的波长的入射光透过针孔，经过微透镜成像在探测器上，扫描结束后，将三者转动到探测器视场之外等待下一次 扫描。
全文摘要
基于Nipkow盘的衍射多光谱成像装置及方法属于成像光谱技术领域；该装置包括衍射透镜、由挡光板、Nipkow盘及微透镜阵列盘组成的层析及成像系统、探测器、相对位置固定机构、第一及第二旋转驱动机构、直线驱动器；相对位置固定机构解锁，第一及第二旋转驱动机构能够分别驱动挡光板与微透镜阵列盘及Nipkow盘旋转；相对位置固定机构锁紧，第一驱动机构驱动层析及成像系统扫描入射光像方焦平面直接获得某单一波长入射光的二维图像及光谱信息；直线驱动器驱动层析及成像系统沿衍射透镜光轴扫描即可获得被探测光谱范围内所有波长入射光的图像及光谱信息；本发明具有低杂散光、高光谱分辨率、高空间分辨率的特点。
文档编号G01J3/12GK101581604SQ20091007168
公开日2009年11月18日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者俭 刘, 涛 刘, 刘忠源, 王伟波, 谭久彬, 赵晨光 申请人:哈尔滨工业大学