专利名称：水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学技术领域，尤其涉及基于鱼眼镜头的水稻冠层多光谱混合 成像系统，可通过单一鱼眼镜头实现多光谱探测。
背景技术：
任何植物在生长过程中对阳光中不同波段的光谱的吸收和反射都具有选择性， 尤其是对近红外光的吸收差别较大，通过定量地测量植物对每种波长的吸收和反射特 性，可以对植物生长状况做出详尽的分析。采用可见/近红外光反射光谱分析技术可快 速测定植被表面参数、植物冠层信息、植物养分信息、土壤养分信息、环境参数和植物 病虫害程度等。水稻作为亚洲人需求量最大的食品，研制一种水稻冠层分析系统对其品 种改良、病虫害防治和生长状况监测等方面都有着巨大的实际应用价值。对植物冠层数据的采集要满足大视场角、宽光谱范围、能实时分析以及体积紧 凑适于户外使用等特性。目前已有的植物冠层分析系统采集数据的方式主要有多相机 采集与全景式采集两种前一种方式虽然有图像畸变小的优点，但图像需要后期拼接处 理，不能实现实时采集，且整体重量较重，不适合户外手持操作；全景式采集可以避免 这种缺点，且体积小、重量轻。鱼眼镜头作为全景式信息采集的一种典型方式，在摄 影、安防、电影放映和环境监测等领域中都有广泛的应用。目前市场上采用这种结构的 系统主要有美国LI-COR公司的LAI-2000型植物冠层分析仪和英国的HemiView数字植物 冠层分析系统前者体积小，可手持操作，工作波长范围在320 490nm，其他波段滤 除；后者由于采用的是鱼眼镜头配商用数码单反相机的方式，像素高，但体积较大。这 两种系统存在的缺陷是都采用固定滤光片，探测器探测到的是整个波段的混合信息，无 法区分出单波段光谱的植物吸收状况。鱼眼镜头由于其视场很大，无法通过在镜头外部 附加滤光片的方式选择光谱，只能在光路中的某个位置加入滤光片。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成 像系统。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，包括鱼眼镜头光学结构和滤光片切换 结构两个部分，鱼眼镜头光学结构包括13块镜片依次排列的透镜组成的11个镜组。第 一透镜和第二透镜是负弯月形透镜，均是凸面朝前；第三透镜是双凹形透镜，曲率绝对 值大的面朝前；第四透镜是正弯月形透镜，凹面朝前；第五透镜是平凸形透镜，凸面朝 前；滤光片是平板玻璃；第七透镜是正弯月形透镜，凸面朝前；第八透镜是正弯月形透 镜，凹面朝前；第九透镜是负弯月形透镜，凸面朝前；第十透镜是双凸透镜，曲率绝对 值大的面朝前；第九透镜的后表面与第十透镜的前表面胶合；第十一透镜是正弯月形透 镜，凹面朝前；第十二透镜是负弯月形透镜，凹面朝前；第十一透镜的后表面与第十二透镜的前表面胶合；第十三透镜是正弯月形透镜，凸面朝前；第五透镜的后表面是一个 衍射面。前镜筒内有5个放置透镜的槽，第一透镜从前镜筒前端的通孔放入第1个槽； 第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜从前镜筒后端的通孔依次放入，置于第2到 第5个槽中；前镜筒后端有用于连接前镜筒与滤光片转盘盒的若干螺孔。后镜筒内有5 个放置透镜的槽，第七透镜和第八透镜从后镜筒的前端通孔放入第1和第2个槽中；第九 透镜第十透镜组成的胶合镜组从后镜筒后端放入第3个槽中；第十一透镜和第十二透镜 组成的胶合镜组从后镜筒的后端放入第4个槽中；第十三透镜从后镜筒后端放入第5个槽 中；后镜筒的前端有用于连接滤光片转盘盒的若干螺孔。滤光片固定于滤光片转盘的通 孔中，滤光片转盘圆心处有一螺孔，滤光片转盘密封于滤光片转盘盒中，滤光片转盘盒 与前后镜筒连接的面上有若干螺孔，与前后镜筒上的螺孔相对应，起到连接前后镜筒的 作用，步进电机的转轴穿过滤光片转盘盒后表面中心的通孔，转轴伸入此通孔与滤光片 转盘中心的螺孔相连接。一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，包括鱼眼镜头光学结构和滤光片切换 结构两个部分，鱼眼镜头光学结构包括13块镜片依次排列的透镜组成的11个镜组。第 一透镜和第二透镜是负弯月形透镜，均是凸面朝前；第三透镜是双凹形透镜，曲率绝对 值大的面朝前；第四透镜是正弯月形透镜，凹面朝前；第五透镜是平凸形透镜，凸面朝 前；滤光片是平板玻璃；第七透镜是正弯月形透镜，凸面朝前；第八透镜是正弯月形透 镜，凹面朝前；第九透镜是负弯月形透镜，凸面朝前；第十透镜是双凸透镜，曲率绝对 值大的面朝前；第九透镜的后表面与第十透镜的前表面胶合；第十一透镜是正弯月形透 镜，凹面朝前；第十二透镜是负弯月形透镜，凹面朝前；第十一透镜的后表面与第十二 透镜的前表面胶合；第十三透镜是正弯月形透镜，凸面朝前；第五透镜的后表面是一个 衍射面。前镜筒内有5个放置透镜的槽，第一透镜从前镜筒的前端通孔放入第1个槽； 第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜从前镜筒的后端通孔依次放入，置于第2到 第5个槽中；前镜筒的后端有用于连接前镜筒与滤光片方盒的若干螺孔。后镜筒内有5 个放置透镜的槽，第七透镜和第八透镜从后镜筒的前端通孔放入第1和第2个槽中；第 九透镜第十透镜组成的胶合镜组从后镜筒的后端放入第三个槽中；第十一透镜和第十二 透镜组成的胶合镜组从后镜筒的后端放入第4个槽中；第十三透镜从后镜筒的后端放入 5个槽中；后镜筒前端有用于连接滤光片方盒的若干螺孔。滤光片固定于滤光片架的通 孔中，滤光片架挂在通过其上方通孔的光杆上，可沿光杆自由滑动，光杆两端固定于滤 光片方盒的两壁上，滤光片架顶部安装有齿条，与步进电机转轴上套的齿轮相啮合。滤 光片架、齿轮和齿条密封于滤光片方盒中，滤光片方盒与前后镜筒连接的面上有若干螺 孔，与前后镜筒上的螺孔相对应，起到连接前后镜筒的作用。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果1、由于使用了光学系统中加入了二元光学结构，系统结构紧凑，系统适用光谱 宽，不仅可用于可见光波段检测，还可应用于近红外波段检测，满足对水稻冠层检测的需求。2、系统具有可切换式滤光片的机械结构，方便进行不同波段的光谱分析，适合 于水稻冠层不同光谱段的检测。
图1是包含衍射面的光学系统光线追迹图，IMA为像面；图2是采用旋转式滤光片转盘切换光谱结构的纵向剖面图；图3是采用旋转式滤光片转盘切换光谱结构的滤光片转盘沿光轴方向视图，以 可安装4片滤光片的转盘为例；图4是采用齿轮驱动齿条横向运动结构的纵向剖面图；图5是采用齿轮驱动齿条横向运动结构的滤光片架沿光轴方向视图，以可安装3 片滤光片的滤光片架为例；图中第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、滤光 片6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、第十透镜10、第i^一透镜11、第十二透镜 12、第十三透镜13、前镜筒14、后镜筒15、滤光片转盘盒16、滤光片转盘17、步进电机 18、滤光片方盒19、齿轮20、齿条21、光杆22、滤光片架23。
具体实施例方式本发明鱼眼镜头设计方案共使用了 13块透镜，依次排列成11个镜组，其中包括 两个双胶合透镜组、8个单片透镜以及一块可切换式滤光片位于前端的两个透镜是负 弯月形透镜用以将大入射角的光线导入系统以便后组成像，为了控制色散，使用低折射 率、低色散的冕牌玻璃；后3组使用冕牌与火石交替的结构来控制像差，第5块透镜的后 表面采用衍射面。位于中部的透镜是厚度为4mm的K9平板玻璃用以模拟滤光片；位于 后部的两个单透镜和两个胶合透镜用于控制色差；最后一块透镜用于控制像高。本发明 全部使用中国玻璃库，且均为球面玻璃。由于系统不仅要在可见光范围内成像，对SOOnm左右的近红外光也同样要求有 良好的像质，但大视场往往会造成光学系统出现较严重的色散现象，对整体成像质量的 有较大影响。为了解决这个问题，在系统中加入衍射面，它的优点是对像差特别是色 差方面的校正起到了很大的作用，实现了像质的提高，同时整个光学系统也实现了小型 化。为了实现滤光片的切换，系统在尽量保证结构紧凑的前提下，还需要在滤光前 后留出足够的空间。由于滤光片在切换过程中要移出镜筒，因此将系统在滤光片位置分 为两段，前后镜筒通过中间的滤光片切换机构连接。为了保证滤光片和机械结构所需的 空间，设计过程中特别注意增加了滤光片前后的距离。本发明采用两种滤光片切换结 构第一种采用旋转式滤光片转盘切换光谱的结构滤光片均勻分布于滤光片转盘的通 孔中，转盘密封于滤光片转盘盒中，控制步进电机转动带动滤光片转盘一起转动，这样 不同滤光片即可按要求切断光路，实现探测器探测不同波长的信息。第二种采用齿轮齿 条啮合横向运动切换光谱的结构滤光片安放于滤光片架的通孔中，可沿杆自由滑动， 滤光片架顶部装有齿条，当步进电机转动时，其转轴上的齿轮转动带动齿条作垂直于光 轴方向的运动，实现不同滤光片的切换。下面结合附图实例，对本发明做进一步详细说明。图1所示是包含衍射面的光学系统光线追迹图，第一透镜1和第二透镜2是负 弯月形透镜，均是凸面朝前；第三透镜3是双凹形透镜，曲率绝对值大的面朝前；第四透镜4是正弯月形透镜，凹面朝前；第五透镜5平凸形透镜，凸面朝前；滤光片6是平 板玻璃；第七透镜7是正弯月形透镜，凸面朝前；第八透镜8是正弯月形透镜，凹面朝 前；第九透镜9是负弯月形透镜，凸面朝前；第十透镜10是双凸透镜，曲率绝对值大的 面朝前；第九透镜9的后表面与第十透镜10的前表面胶合；第十一透镜11是正弯月形透 镜，凹面朝前；第十二透镜12是负弯月形透镜，凹面朝前；第十一透镜11的后表面与 第十二透镜12的前表面胶合；第十三透镜13是正弯月形透镜，凸面朝前；第五透镜5的 后表面是一个衍射面。如图1所示，边缘光线从垂直于光轴90°的半视场方向进入负弯 月形第一透镜1，再经过其余所有透镜折射，最终成像于IMA的CCD/CMOS探测器上。 滤光片6为K9平板玻璃，可以在光路中前后移动位置，不会影响成像的质量。由于入射 角较大，像面上容易产生色差，因此在第五透镜5的后表面平面基底上制作了二元光学 面，这种衍射面能较好的控制色差，同时也起到减小整体光学系统的长度的作用。本发 明长度可以控制在70mm以内。在图1光学系统的基础上，设计了前后镜筒结构，以及两种滤光片切换结构的 实施方式。图2和图4分别采用旋转式滤光片转盘切换光谱的结构和齿轮驱动齿条横向 运动的结构，都采用步进电机作为动力来源，下面分别介绍这两种形式的特点与适用范围。图2所示为本发明实施方式1，系统采用旋转式滤光片转盘切换光谱的结构。滤 光片6固定于滤光片转盘17的通孔中，滤光片转盘17圆心处有一螺孔，滤光片转盘17 密封于滤光片转盘盒16中，滤光片转盘盒16与前后镜筒连接的面上有若干螺孔，与前后 镜筒上的螺孔相对应，起到连接前后镜筒的作用，步进电机18转轴穿过滤光片转盘盒16 后表面中心的通孔，转轴伸入此通孔与滤光片转盘17中心的螺孔相连接。步进电机18 转动时驱动滤光片转盘17转动，实现不同波长滤光片的切换。步进电机18可用单片机 实现自动控制。在本实施方式中，滤光片均勻地分布于滤光片转盘17的通孔中。如图3所示， 以可以放置四块滤光片的滤光片转盘17为例，滤光片转盘17的大小由滤光片的数量与滤 光片的直径决定，其直径随着滤光片转盘17上滤光片数量的增多而增大，此时需要扭矩 更大的步进电机18来驱动，这种结构的优点是控制简单，可安放的滤光片多。滤光片数 目较多时适合采用这种转盘式结构。图4所示为本发明实施方式2，系统采用齿轮驱动齿条横向运动的结构。滤光 片6固定于滤光片架23的通孔中，滤光片架23挂在通过其上方通孔的光杆22上，可沿 光杆22自由滑动，光杆22两端固定于滤光片方盒19的两壁上，滤光片架23顶部安装有 齿条21，与步进电机18转轴上套的齿轮20相啮合。滤光片架23、齿轮20和齿条21密 封于滤光片方盒19中，滤光片方盒19与前后镜筒连接的面上有若干螺孔，与前后镜筒上 的螺孔相对应，起到连接前后镜筒的作用。步进电机18转动时带动齿轮20转动时，与 之啮合的齿条21作垂直于光轴方向的运动实现不同波长滤光片之间的纵向切换。步进电 机18可用单片机实现自动控制。在本实施方式中，滤光片均勻地分布域滤光片架23的通孔中。如图5所示，以 可以放置三块滤光片的滤光片架23为例，滤光片架23的大小随着滤光片直径的增大和数 量的增多而增大，此时需要扭矩更大的步进电机18来驱动，这种结构的优点是体积小、切换速度快。滤光片数目较少时适合采用这种齿轮齿条啮合的结构。
权利要求
1.一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，包括鱼眼镜头光学结构和滤光片切换结 构两个部分。鱼眼镜头光学结构包括13块镜片依次排列的透镜组成的11个镜组。其特 征在于第一透镜(1)和第二透镜(2)是负弯月形透镜，均是凸面朝前；第三透镜(3)是 双凹形透镜，曲率绝对值大的面朝前；第四透镜(4)是正弯月形透镜，凹面朝前；第五 透镜(5)是平凸形透镜，凸面朝前；滤光片(6)是平板玻璃；第七透镜(7)是正弯月形 透镜，凸面朝前；第八透镜(8)是正弯月形透镜，凹面朝前；第九透镜(9)是负弯月形 透镜，凸面朝前；第十透镜(10)是双凸透镜，曲率绝对值大的面朝前；第九透镜(9)的 后表面与第十透镜(10)的前表面胶合；第十一透镜(11)是正弯月形透镜，凹面朝前； 第十二透镜(12)是负弯月形透镜，凹面朝前；第十一透镜(11)的后表面与第十二透镜(12)的前表面胶合；第十三透镜(13)是正弯月形透镜，凸面朝前；第五透镜(5)的后表 面是一个衍射面。前镜筒(14)内有5个放置透镜的槽，第一透镜(1)从前镜筒(14)前 端的通孔放入第1个槽；第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)从 前镜筒(14)后端的通孔依次放入，置于第2到第5个槽中；前镜筒(14)后端有用于连接 前镜筒(14)与滤光片转盘盒(16)的若干螺孔。后镜筒(15)内有5个放置透镜的槽，第 七透镜(7)和第八透镜(8)从后镜筒(15)的前端通孔放入第1和第2个槽中；第九透镜 (9)第十透镜(10)组成的胶合镜组从后镜筒(15)后端放入第3个槽中；第十一透镜(11) 和第十二透镜(12)组成的胶合镜组从后镜筒(15)的后端放入第4个槽中；第十三透镜(13)从后镜筒(15)后端放入第5个槽中；后镜筒(15)的前端有用于连接滤光片转盘盒 (16)的若干螺孔。滤光片(6)固定于滤光片转盘(17)的通孔中，滤光片转盘(17)圆心 处有一螺孔，滤光片转盘(17)密封于滤光片转盘盒(16)中，滤光片转盘盒(16)与前后 镜筒连接的面上有若干螺孔，与前后镜筒上的螺孔相对应，起到连接前后镜筒的作用， 步进电机(18)的转轴穿过滤光片转盘盒(16)后表面中心的通孔，转轴伸入此通孔与滤光 片转盘(17)中心的螺孔相连接。
2.根据权利要求1所述的一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，其特征在于光 学系统在第五透镜(5)后表面上加入了衍射面，起到了减小了色散的作用，使光学系统 在从可见光到近红外范围内均可达到了良好的像质，同时也减小了系统的尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，其特征在于，能够 通过控制步进电机(18)的转动，带动滤光片转盘(17)的转动，实现不同波长滤光片之间 的自动切换。
4.一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，包括鱼眼镜头光学结构和滤光片切换结 构两个部分。鱼眼镜头光学结构包括13块镜片依次排列的透镜组成的11个镜组其特征 在于第一透镜(1)和第二透镜(2)是负弯月形透镜，均是凸面朝前；第三透镜(3)是 双凹形透镜，曲率绝对值大的面朝前；第四透镜(4)是正弯月形透镜，凹面朝前；第五 透镜(5)是平凸形透镜，凸面朝前；滤光片(6)是平板玻璃；第七透镜(7)是正弯月形 透镜，凸面朝前；第八透镜(8)是正弯月形透镜，凹面朝前；第九透镜(9)是负弯月形 透镜，凸面朝前；第十透镜(10)是双凸透镜，曲率绝对值大的面朝前；第九透镜(9)的 后表面与第十透镜(10)的前表面胶合；第十一透镜(11)是正弯月形透镜，凹面朝前； 第十二透镜(12)是负弯月形透镜，凹面朝前；第十一透镜(11)的后表面与第十二透镜 (12)的前表面胶合；第十三透镜(13)是正弯月形透镜，凸面朝前；第五透镜(5)的后表面是一个衍射面。前镜筒(14)内有5个放置透镜的槽，第一透镜(1)从前镜筒(14)的 前端通孔放入第1个槽；第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)从 前镜筒(14)的后端通孔依次放入，置于第2到第5个槽中；前镜筒(14)的后端有用于 连接前镜筒(14)与滤光片方盒(19)的若干螺孔。后镜筒(15)内有5个放置透镜的槽， 第七透镜(7)和第八透镜(8)从后镜筒(15)的前端通孔放入第1和第2个槽中；第九透 镜(9)第十透镜(10)组成的胶合镜组从后镜筒(15)的后端放入第三个槽中；第十一透镜 (11)和第十二透镜(12)组成的胶合镜组从后镜筒(15)的后端放入第4个槽中；第十三 透镜(13)从后镜筒(15)的后端放入5个槽中；后镜筒(15)前端有用于连接滤光片方盒 (19)的若干螺孔。滤光片(6)固定于滤光片架(23)的通孔中，滤光片架(23)挂在通过 其上方通孔的光杆(22)上，可沿光杆(22)自由滑动，光杆(22)两端固定于滤光片方盒(19)的两壁上，滤光片架(23)顶部安装有齿条(21)，与步进电机(18)转轴上套的齿轮(20)相啮合。滤光片架(23)、齿轮(20)和齿条(21)密封于滤光片方盒(19)中，滤光 片方盒(19)与前后镜筒连接的面上有若干螺孔，与前后镜筒上的螺孔相对应，起到连接 前后镜筒的作用。
5.根据权利要求4所述的一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，其特征在于，光学 系统在第五透镜(5)后表面上加入了衍射面，起到了减小了色散的作用，使光学系统在 从可见光到近红外范围内均可达到了良好的像质，同时也减小了系统的尺寸。
6.根据权利要求4所述的一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，其特征在于，通过 控制转轴上步进电机(18)的转动，带动齿轮(20)转动，齿轮(20)再带动齿条(21)作垂 直于光轴方向运动，实现不同波长滤光片之间的自动切换。
全文摘要
本发明公开了一种水稻冠层多光谱混合鱼眼成像系统，包括鱼眼镜头和滤光片切换结构两个部分。鱼眼镜头光学结构包括13块镜片依次排列的透镜组成的11个镜组，第5块和第6块透镜之间有一块可切换式滤光片，第5块透镜为二元光学元件。所有透镜均为球面，系统全视场角2ω＝180，覆盖整个镜头前方的半球区域空间。系统工作在可见光与近红外波段。通过转盘切换的结构或齿轮齿条啮合运动的结构切换滤光片，利用单个探测器即可获取多波段的信息。系统体积小、重量轻、操作自动化，适合户外水稻冠层的数据采集与分析。
文档编号G01N21/01GK102023133SQ201010508920
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者侯西云, 白剑, 黄治 申请人:浙江大学