一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统

1.本发明属于高光谱成像领域，具体涉及一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统。


背景技术：

2.高光谱成像技术是一种将成像技术和光谱技术结合起来的影响数据技术，在获取目标二维信息的同时，获取目标的光谱信息，从而形成三维立方体数据。通过对目标光谱的分析，可以获得目标成分、含量等信息，从而实现物质识别和成分分析，因此高光谱成像技术逐渐成为航空航天遥感、地矿探测、水质监测等领域的热门技术。
3.传统的色散型高光谱仪采用衍射光栅作为色散器件，利用狭缝进行空间滤波。然而高光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，为了提高光谱分辨率，就需要不断减小狭缝宽度，从而导致进入分光系统的辐射能量减小，导致探测器灵敏度和系统信噪比降低。而对于凝视型色散高光谱仪需要两个色散器件，通过狭缝进行空间滤波，得到不同波长的二维图，然而这种系统对双色散器件一致性要求较高，另外，由于衍射光栅的效率不高，双衍射光栅的应用将导致系统的辐射能量减小，系统信噪比降低。


技术实现要素：

4.发明目的：为解决采用衍射光栅作为色散器件的高光谱仪存在的灵敏度低和信噪比低等问题，本发明提出了一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，在实现色散的同时，具有良好的聚焦效果，提高系统的信噪比。
5.技术方案：一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，包括第一准直透镜、菲涅尔透镜、第二准直透镜、聚焦透镜和相机；
6.远处物体发出的光经第一准直透镜进行准直后，入射至菲涅尔透镜，由菲涅尔透镜对入射的光进行色散聚焦，得到在光轴方向上的不同波长光；
7.在光轴方向上的不同波长光顺次经过第二准直透镜和聚焦透镜后在相机进行成像，得到远处物体的成像。
8.进一步的，还包括电动位移平台，所述第二准直透镜设置在电动位移平台上，所述电动位移平台带动第二准直透镜在光轴方向移动，该电动位移平台的行程根据下式得到：
[0009][0010]
式中，l为电动位移平台的行程，fd为菲涅尔透镜的设计焦距，λd为菲涅尔透镜的设计波长，λ
min
为高光谱仪的最小波长，λ
max
为高光谱仪的最大波长。
[0011]
进一步的，所述的菲涅尔透镜可以设置在任意形状的菲涅耳波带片。
[0012]
进一步的，所述第二准直透镜的数值孔径大于0.2，所述聚焦透镜的数值孔径大于0.2。
[0013]
进一步的，所述第二准直透镜与所述聚焦透镜之间的间距大于10cm。
[0014]
有益效果：本发明具有以下优点：
[0015]
1、本发明实现了框幅式色散高光谱成像，无需图像拼接，在对远景目标成像的同时，可获得高的空间分辨率和光谱分辨率；
[0016]
2、本发明采用菲涅尔透镜作为色散单元，并利用单色散单元代替双色散单元实现凝视成像功能，避免了系统对双色散单元的一致性要求；
[0017]
3、相比于其它色散型高光谱仪，本发明利用菲涅尔透镜代替衍射光栅和透镜的组合，兼具色散和聚焦功能，简化了光路，另外，避免了衍射光栅衍射效率对系统信噪比的影响。
附图说明：
[0018]
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0019]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，进一步阐明本发明。
[0020]
实施例1：
[0021]
如图1所示，本实施例公开了一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，本实施例简化了色散型高光谱仪的光路结构，该系统的光路结构主要包括第一准直透镜1、菲涅尔透镜2、第二准直透镜4、聚焦透镜5和相机6。换言之，本实施例为一种色散型框幅式高光谱仪。
[0022]
其中，第一准直透镜1用于将远处物体发出的光进行准直，得到准直光，实现入射到菲涅尔透镜上的光是准直光；为了提高相机6上光信号的能量，第一准直透镜1的孔径需要足够大。
[0023]
其中，菲涅尔透镜2用于将入射的准直光进行色散并聚焦，从而实现在光轴方向将不同波长的光分开，即得到不同波长光；本实施例的菲涅尔透镜2可以设置为任意形状的菲涅耳波带片，包括但不限于圆环形、方形、椭圆形、螺旋形中的一种。
[0024]
远处物体发出的光经第一准直透镜1进行准直后，入射至菲涅尔透镜2，由菲涅尔透镜2对入射的光进行色散聚焦，得到在光轴方向上的不同波长光；不同波长光依次经过第二准直透镜4和聚焦透镜5后成像到相机6上，实现对远处景物的成像。
[0025]
其中，第二准直透镜4和聚焦透镜5配合，实现降低其它波长光的影响即实现空间滤波，得到不同波长的目标二维图像；第二准直透镜4和聚焦透镜5的数值孔径大于0.2，第二准直透镜4和聚焦透镜5之间的间隔大于10cm。第二准直透镜4和聚焦透镜5也可以用凹面镜或者凸面镜代替。
[0026]
本实施例利用菲涅尔透镜代替光栅作为色散单元，实现框幅式色散型高光谱仪，利用单色散单元代替双色散单元实现凝视成像功能，避免了系统对双色散单元的一致性要求；另外，本实施例无需图像拼接，直接对远景目标成像，同时获得了高的空间分辨率和光谱分辨率。
[0027]
实施例2：
[0028]
本实施例在实施例1的基础上，增加了电动位移平台3，该电动位移平台3用于调节第二准直透镜4的位置，配合聚焦透镜5实现空间滤波；第二准直透镜4设置在电动位移平台3上，电动位移平台3带动第二准直透镜4在光轴方向移动，实现对菲涅尔透镜2色散后不同
波长光的准直，从而获得远处景物在不同波长的光下所成的像，获得高光谱三维立方体数据。
[0029]
其中，电动位移平台3的行程大小根据下式得到：
[0030][0031]
式中，l为电动位移平台的行程，fd为菲涅尔透镜的设计焦距，λd为菲涅尔透镜的设计波长，λ
min
为高光谱仪的最小波长，λ
max
为高光谱仪的最大波长。
[0032]
假设，要采集的光谱范围为700-900nm，通道数为200，菲涅尔透镜的设计波长为800nm，设计焦距为30mm，根据式(1)得到电动位移平台的行程为10mm，精度为10μm。


技术特征：
1.一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，其特征在于：包括第一准直透镜(1)、菲涅尔透镜(2)、第二准直透镜(4)、聚焦透镜(5)和相机(6)；远处物体发出的光经第一准直透镜(1)进行准直后，入射至菲涅尔透镜(2)，由菲涅尔透镜(2)对入射的光进行色散聚焦，得到在光轴方向上的不同波长光；在光轴方向上的不同波长光顺次经过第二准直透镜(4)和聚焦透镜(5)后在相机(6)进行成像，得到远处物体的成像。2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，其特征在于：还包括电动位移平台(3)，所述第二准直透镜(4)设置在电动位移平台(3)上，所述电动位移平台(3)带动第二准直透镜(4)在光轴方向移动，该电动位移平台(3)的行程根据下式得到：式中，l为电动位移平台的行程，f
d
为菲涅尔透镜的设计焦距，λ
d
为菲涅尔透镜的设计波长，λ
min
为高光谱仪的最小波长，λ
max
为高光谱仪的最大波长。3.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，其特征在于：所述的菲涅尔透镜(2)可以设置在任意形状的菲涅耳波带片。4.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，其特征在于：所述第二准直透镜(4)的数值孔径大于0.2，所述聚焦透镜(5)的数值孔径大于0.2。5.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，其特征在于：所述第二准直透镜(4)与所述聚焦透镜(5)之间的间距大于10cm。

技术总结
本发明提出了一种基于菲涅尔透镜的高光谱成像系统，包括第一准直透镜、菲涅尔透镜、第二准直透镜、聚焦透镜和相机；远处物体发出的光经第一准直透镜进行准直后，入射至菲涅尔透镜，由菲涅尔透镜对入射的光进行色散聚焦，得到在光轴方向上的不同波长光；在光轴方向上的不同波长光顺次经过第二准直透镜和聚焦透镜后在相机进行成像，得到远处物体的成像。得到远处物体的成像。得到远处物体的成像。


技术研发人员：卞海溢 姚华
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/10/11