模块化推扫式可见光/近红外成像光谱仪的制作方法

本发明涉及成像光谱技术领域，通过改进传统推扫式成像光谱仪结构，降低现有成像光谱仪的功耗、成本以及有效准直消色差，同时，进行了模块化的系统设计，方便调试和组装。

背景技术：

成像光谱仪，将数字成像技术和光谱技术结合在一起，能够同时获得目标的二维图像信息和光谱信息，可以应用在航空、航天等观测系统上，实现对地目标观测，用来监控植物生长，鉴别植物类型，以及鉴别军事伪装等。按其扫描方式不同，成像光谱仪可以分为三类：摆扫式，推扫式，和凝视型成像光谱仪。按其分光方式不同，可以分为光栅型、棱镜型、干涉型、滤光片型成像光谱仪。以光栅为分光器件的推扫式成像光谱仪一般由成像镜头，狭缝，准直镜，光栅，汇聚镜，面阵相机等组成。在此，我们提出了一种基于非球面消色差透镜和面阵cmos相机的推扫式可见光/近红外成像光谱仪，并对系统进行了模块化设计，使系统具有结构紧凑，色差小，功耗小，光谱分辨率高，便于调试跟组装等优点。

技术实现要素：

1、发明目的。

本发明提出了一种模块化推扫式可见光/近红外成像光谱仪，以解决现有技术中结构比较复杂，成本比较高等问题。

2、发明所采用的技术方案。

本发明提出一种模块化推扫式可见光/近红外成像光谱仪，依次同轴设置透镜、狭缝、第一非球面消色差透镜、分光模块、第二非球面消色差透镜、面阵cmos相机。外界光经透镜或者成像聚焦到狭缝上，狭缝经第一非球面消色差透镜准直，然后经过分光模块进行分光，最后，经过第二非球面消色差透镜，聚焦到面阵cmos相机上。

为了降低成本，便于组装，所述的分光模块可拆卸设置。

更进一步具体实施方式中，所述的分光模块由第一楔形棱镜、透射光栅和第二楔形棱镜，同轴设置依次排列组成。

更进一步具体实施方式中，所述的分光模块组装所采用的结构如下：所述的分光模块包括棱镜固定装置、固定装置，所述的棱镜固定装置和固定装置都为圆柱形装置，通过法兰相对固定，其两者相对的内部设有与方形透射光栅相匹配的凹槽用于固定方形透射光栅，外部端分别设置与圆形第一楔形棱镜、第二楔形棱镜相匹配的凹槽用于固定第一楔形棱镜、第二楔形棱镜。

更进一步具体实施方式中，还包括第二固定卡环、第三固定卡环，第一楔形棱镜通过第二固定卡环固定在棱镜固定装置上，第二楔形棱镜通过第三固定卡环固定在固定装置上。

更进一步具体实施方式中，第一非球面消色差透镜固定采用如下方式：还包括第一固定卡环、透镜固定装置，将第一非球面消色差透镜放置在透镜固定装置中，通过第一固定卡环固定，透镜固定装置以螺纹连接的方式连接到分光模块上。

更进一步具体实施方式中，转接件安装使用方式如下：还包括转接件、左端外壳，左端外壳以螺纹连接的方式与透镜固定装置连接，转接件与相机以c口螺纹的方式连接，转接件套在左端外壳上，通过调整转接件和左端外壳之间的相对位置，来确保相机的感光面在第一非球面消色差透镜的焦平面上。

更进一步具体实施方式中，还包括第一转接件，第二转接件，第三转接件，第二转接件法兰的形式连接到分光模块，第二非球面消色差透镜放置在第二转接件中，然后用第四固定卡环固定。

更进一步具体实施方式中，第三转接件套在第一转接件上，第二转接件具有与第三转接件相匹配的外螺纹和第二转接件的导向槽，第三转接件与第一转接件通过螺钉固定，旋转第三转接件时，第二转接件向前移动，狭缝固定在第二转接件上，通过第三转接件调节狭缝与透镜之间的距离。

更进一步具体实施方式中，还包括外壳右端、主体外壳和左端外壳，主体外壳与左端外壳以螺钉的形式连接，主体外壳与外壳右端以螺钉的形式连接。

3、本发明所产生的技术效果。

(1)本发明采用非球面消色差透镜作为准直透镜和聚焦透镜，简化了系统结构，同时保证系统具有较好的色差表现。

(2)本发明采用了模块化设计，方便调节和组装。

(3)本发明采用cmos相机作为感光元件，具有较低功耗和较高帧率。

附图说明

图1为系统的光路结构。

图2为系统的整体外观结构图。

图3为系统的详细结构。

图4为分光模块组装结构图。

图5为组装内部结构视图。

图6为推扫式可见光/近红外成像光谱仪与无人机安装图。

图7为分光模块原理图。

附图标记说明：

透镜1，狭缝2，第一非球面消色差透镜3-1，第二非球面消色差透镜3-2，分光模块4，外壳右端5，面阵cmos相机6,第一固定卡环7-1,第二固定卡环7-2,第三固定卡环7-3,第四固定卡环7-4，转接件8，左端外壳9，透镜固定装置10，第一楔形棱镜11-1和第二楔形棱镜11-2，棱镜固定装置12，透射光栅13，固定装置14，第一转接件15-1，第二转接件15-2，第三转接件15-3，主体外壳16，无人机a,固定装置b,推扫式可见光/近红外成像光谱仪c。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图1-6对本发明作进一步说明。

1、具体结构：

一种模块化推扫式可见光/近红外成像光谱仪光路结构如图1所示。依次同轴设置透镜1、狭缝2、第一非球面消色差透镜3-1、分光模块4、第二非球面消色差透镜3-2、、面阵cmos相机6,

外界光经透镜1聚焦到狭缝2上，狭缝经第一非球面消色差透镜3-1准直，然后经过分光模块4进行分光，最后，经过第二非球面消色差透镜3-2，聚焦到面阵cmos相机6上。分光模块可拆卸设置，由第一楔形棱镜11-1、透射光栅13和第二楔形棱镜11-2，同轴设置依次排列组成。可以通过改变楔形棱镜的楔角来调整相机上的光谱范围，其原理如图7所示。经过第一非球面消色差透镜准直后的光线平行入射到楔形棱镜上，棱镜的楔角为a,光线经过棱镜后发生折射，设其折射角为b，空气的折射率为n1,棱镜的折射率为n2,折射满足斯涅耳定律:

n1×sin(a)＝n2*sin(b)

之后光线经过透射光栅分光，光线路径满足：

d×(sin(b)-sin(c))＝mλ

其中d为光栅常数，c为从光栅出射的阶次为m的光线的出射角度。

由以上公式可以看出，通过改变楔形棱镜的楔角，可以调整面阵相机的光谱范围，用以适应不同种类的相机。

与传统的推扫式成像光谱仪相比，系统采用了非球面消色差透镜来代替非球面透镜，或者透镜组，在准直的同时，对系统的色差进行了校正，具有结构紧凑，色差小的特点。此外，使用cmos相机作为感光元件，降低了系统的功耗。

如图4和图5所示，所述的分光模块还包括第一固定卡环7-1、第二固定卡环7-2、第三固定卡环7-3、透镜固定装置10、棱镜固定装置12、固定装置14，所述的棱镜固定装置12和固定装置14都为圆柱形装置，通过法兰相对固定，其两者相对的内部设有与方形透射光栅13相匹配的凹槽用于固定方形透射光栅13，外部端分别设置与圆形第一楔形棱镜11-1、第二楔形棱镜11-2相匹配的凹槽用于固定第一楔形棱镜11-1、第二楔形棱镜11-2，第一楔形棱镜11-1通过第二固定卡环7-2固定在棱镜固定装置12上，第二楔形棱镜11-2通过第三固定卡环7-3固定在固定装置14上，将第一非球面消色差透镜3-1放置在透镜固定装置10中，通过第一固定卡环7-1固定，透镜固定装置10以螺纹连接的方式连接到分光模块上。

如图3所示，本发明还包括第一转接件15-1，第二转接件15-2，第三转接件15-3，第二转接件15-2以法兰的形式连接到分光模块，然后用螺钉固定，第二非球面消色差透镜3-2放置在第二转接件15-2中，然后用第四固定卡环7-4固定。第三转接件15-3套在第一转接件15-2上，第二转接件15-2具有与第三转接件15-3相匹配的外螺纹和第二转接件15-2的导向槽，第三转接件15-3与第一转接件15-1通过螺钉固定，旋转第三转接件15-3时，第二转接件15-2向前移动，狭缝2固定在第二转接件15-2上，通过第三转接件15-3调节狭缝与透镜之间的距离。

还包括外壳右端5、转接件8、左端外壳9、主体外壳16，左端外壳9以螺纹连接的方式与透镜固定装置10连接，转接件8与相机以c口螺纹的方式连接，转接件8套在左端外壳9上，通过调整转接件8和左端外壳9之间的相对位置，来确保相机的感光面在第一非球面消色差透镜3-1的焦平面上，之所以采用这样的调节方式，是因为系统的光谱分辨率，在不考虑狭缝影响的前提下，由分光模块中透射光栅的线色散决定。光栅的线色散，可以由以下公式表示：

其中，m为衍射光谱级次，θ为衍射角，f为聚焦透镜焦距，σ探测器光敏面倾角。可以看出，系统光谱分辨率在光栅确定的情况下，受聚焦透镜焦距的影响很大，因此需要采用此种方式对其进行精细调节。

主体外壳16与左端外壳9以螺钉的形式连接，主体外壳16与外壳右端5以螺钉的形式连接。

2、安装方式

对分光模块进行安装如图4所示，首先将透射光栅13放置在固定装置14中，用胶固定，然后将第二楔形棱镜11-2从右端放置到固定装置14中，用第三固定卡环7-3固定。然后将棱镜固定装置12与固定装置14用螺纹固定，为了方便定位，以及保证共轴性，棱镜固定装置12与固定装置14之间设置有相匹配的法兰。接下来，将第一楔形棱镜11-1放置在棱镜固定装置12中，用第二固定卡环7-2固定。分光模块安装完成后，将图3中的透镜固定装置10以螺纹连接的方式连接到分光模块上，将第一非球面消色差透镜3-1放置在透镜固定装置10中，然后用第一固定卡环7-1固定。之后，将左端外壳9以螺纹连接的方式与透镜固定装置10连接。转接件8与相机以c口螺纹的方式连接。然后将转接件8套在左端外壳9上，通过调整转接件8和左端外壳9之间的相对位置，来确保相机的感光面在第一非球面消色差透镜3-1的焦平面上。将相机感光面移到透镜的焦平面之后，将转接件8和左端外壳9用螺钉固定。接下来，根据图3，将第二转接件15-2以法兰的形式，连接到分光模块，然后用螺钉固定。

将第二非球面消色差透镜3-2放置在第二转接件15-2中，然后用第四固定卡环7-4固定。为了使狭缝2恰好处于第二非球面消色差透镜3-2的焦平面，从而得到比较好的准直效果，此处借鉴了成像镜头的机械设计，将第三转接件15-3套在第一转接件15-2上，第二转接件15-2具有与第三转接件15-3相匹配的外螺纹，第三转接件15-3上面除了有与第二转接件15-2相匹配的内螺纹，还有第二转接件15-2的导向槽，将第三转接件15-3与第一转接件15-1通过螺钉固定，这样当旋转第三转接件15-3时，第二转接件15-2就会向前移动，将狭缝狭缝2固定在第二转接件15-2上，就可以通过第三转接件15-3来调节狭缝与透镜之间的距离。在以上调节都完成之后，将主体外壳16与左端外壳9以螺钉的形式连接，然后再将主体外壳16与外壳右端5以螺钉的形式连接。

如图6所示，a是无人机，c是推扫式可见光/近红外成像光谱仪，b是固定装置，通过固定装置b将推扫式可见光/近红外成像光谱仪c固定在无人机上。坐标轴如图6左上角所示，y轴垂直纸面向里。扫描时，无人机的高度固定，沿x轴的方向运动，即可得到xy平面物体的空间信息和在阳光照射下的反射光谱信息。可以用来监控农作物长势以及进行病虫害监测。当采用等效焦距为50mm的非球面消色差透镜来进行准直和聚焦，狭缝宽度为10um时，探测器为振旺光电的asi174mm时，系统可以实现1.5nm的光谱分辨率，其波长范围为350nm-1000nm。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的目的是提供一种模块化的，结构紧凑，方便调试跟组装的，并且具有较高光谱分辨率的推扫式可见光/近红外成像光谱仪。