扫描成像光谱仪系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种扫描成像光谱仪系统，该系统包括成像镜头单元、扫描单元、预览成像单元、光谱分光单元、探测单元和计算机单元；该扫描单元包括摆镜，通过该摆镜实现该系统在预览模式与光谱成像模式之间的切换，当该系统处于预览模式时，该摆镜以静止的状态将该漫反射光信号反射至该预览成像单元，当该系统处于光谱成像模式时，该摆镜以摆扫的状态将该漫反射光信号反射至光谱分光单元。本发明通过摆镜实现系统在预览模式与光谱成像模式之间的切换，从而可以在光谱成像模式之前对成像区域进行预览，可以减小成像区域选择的时间，提高系统的效率，有效利用野外时间的有效光照，克服了光谱成像过程较慢，时间较长，不适用于选择视场区域的缺点。
【专利说明】扫描成像光谱仪系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱成像【技术领域】，尤其涉及一种扫描成像光谱仪系统。
【背景技术】
[0002] 上个世纪八十年代以来，光谱成像技术开始被广泛应用于航天航空遥感成像。通 过飞行器搭载，在矿产与石油资源探测、水质及大气污染监测、精准农业和林业等领域取得 了瞩目成就。目前，这项技术已经逐步渗透到生物医学、艺术品防伪鉴定、食品安全监测、疾 病的控制与治疗等民用领域，获得了越来越广泛的研究与运用。
[0003] 光谱成像技术从原理上分为多种，其中，色散型成像光谱仪是最早提出并获得实 用化的成像光谱仪器，它具有原理简单、易于实现等优点。然而，基于色散型的成像光谱仪 一般每次光谱成像针对一条地物，完成一组光谱成像过程才能够看到视场全局，并对视场 进行选择，这大大的增加了成像区域选择的时间，降低了成像光谱仪系统的效率。另外，现 在使用摆镜的成像光谱仪将摆镜安装在成像镜头的前方，工作时会引入背景杂散光，降低 了数据质量。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种扫描成像光谱仪系统，能够减少背景杂散光 干扰以及减小成像区域选择的时间，提高系统的效率。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种扫描成像光谱仪系统，包括 成像镜头单元、扫描单元、预览成像单元、光谱分光单元、探测单元和计算机单元；
[0008] 所述成像镜头单元，用于收集地物样品的漫反射光信号；
[0009] 所述扫描单元包括摆镜，通过所述摆镜实现所述系统在预览模式与光谱成像模式 之间的切换，当所述系统处于预览模式时，所述摆镜以静止的状态将所述漫反射光信号反 射至所述预览成像单元，当所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜以摆扫的状态将所述 漫反射光信号反射至光谱分光单元；
[0010] 所述预览成像单元，用于将接收的漫反射光信号进行聚焦，并将所述聚焦后的漫 反射光信号转向至所述探测单元的光敏面上；
[0011] 所述光谱分光单元，用于对接收的漫反射光信号进行分光，并将所述分光得到的 光信号反射至所述探测单元的光敏面上；
[0012] 所述计算机单元，与所述探测单元相连，用于当所述系统处于预览模式时根据所 述探测单元探测的信息得到预览信息，当所述系统处于光谱成像模式时根据所述探测单元 探测的信息得到光谱信息。
[0013] 进一步地，所述扫描单元位于所述成像镜头单元的后方，所述系统还包括外壳，所 述扫描单元、预览成像单元、光谱分光单元以及探测单元均位于所述外壳内，形成封闭结 构。
[0014] 进一步地，所述扫描单元还包括电机和控制器，所述控制器通过所述电机对所述 摆镜的状态进行控制，当所述系统处于预览模式时，所述控制器控制所述摆镜处于静止的 状态，将所述漫反射光信号反射至所述预览成像单元，当所述系统处于光谱成像模式时，所 述控制器控制所述摆镜处于摆扫的状态，将所述漫反射光信号反射至光谱分光单元。
[0015] 进一步地，所述电机为步进电机或者伺服电机。
[0016] 进一步地，所述预览成像单元包括第一反射镜、透镜、第二反射镜；
[0017] 所述第一反射镜，用于将所述预览成像单元接收的漫反射光信号反射至所述透 镜；
[0018] 所述透镜，用于对漫反射光信号进行聚焦；
[0019] 所述第二反射镜，用于将所述聚焦后的漫反射光信号反射至所述探测单元的光敏 面上。
[0020] 进一步地，所述光谱分光单元包括中继透镜、狭缝、第一球面反射镜、分光结构、第 二球面反射镜；
[0021] 所述中继透镜，用于将所述光谱分光单元接收的漫反射光信号聚焦在所述狭缝 处；
[0022] 所述狭缝，用于限制漫反射光信号的光通量；
[0023] 所述第一球面反射镜，用于将透过所述狭缝的漫反射光信号聚焦到所述分光结 构；
[0024] 所述分光结构，用于对透过所述狭缝的漫反射光信号进行分光；
[0025] 所述第二球面反射镜，用于将分光后得到的光信号聚焦至所述探测单元的光敏面 上。
[0026] 进一步地，所述分光结构为凸面光栅。
[0027] 进一步地，所述探测单元为面阵探测器。
[0028] (三）有益效果
[0029] 本发明通过单片摆镜实现系统在预览模式与光谱成像模式之间的切换，并同时完 成光谱成像模式摆扫功能，减少了系统器件数量，减少系统复杂程度，增加了稳定性。预览 模式因此可以减小成像区域选择的时间，提高系统的效率，有效利用野外时间的有效光照， 克服了光谱成像过程较慢，时间较长，不适用于选择视场区域的缺点。本发明将扫描单元安 装在成像镜头的后方，如此可以使用外壳将光学器件和探测器件封装在密闭环境中，有效 的减少了背景杂散光的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实施方式提供的一种扫描成像光谱仪系统的示意图；
[0031] 图2是本发明实施方式提供的另一种扫描成像光谱仪系统的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0033]图1是本发明实施方式提供的一种扫描成像光谱仪系统的示意图，该系统包括成 像镜头单元1、扫描单元2、预览成像单元3、光谱分光单元4、探测单元5和计算机单元6 ; [0034] 所述成像镜头单元1，用于收集地物样品的漫反射光信号；该成像镜头单元可由 成像镜头组成，通过其中的成像镜头收集地物样品的漫反射光信号。
[0035] 所述扫描单元2包括摆镜，通过所述摆镜实现所述系统在预览模式与光谱成像模 式之间的切换，当所述系统处于预览模式时，所述摆镜以静止的状态将所述漫反射光信号 反射至所述预览成像单元，当所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜以摆扫的状态将所 述漫反射光信号反射至光谱分光单元；
[0036] 所述预览成像单元3,用于将接收的漫反射光信号进行聚焦，并将所述聚焦后的漫 反射光信号转向至所述探测单元5的光敏面上；
[0037] 所述光谱分光单元4,用于对接收的漫反射光信号进行分光，并将所述分光得到的 光信号反射至所述探测单元5的光敏面上；其中，光谱分光单元4的另一端口与探测单元5 相连，探测单元5的另一端口与计算机单元6连接；光谱分光单元可以采用凸面光栅的色散 方式或PGP (棱镜-光栅-棱镜）色散分光方式，还可改用滤光片转轮、液晶可调滤光片、声 光可调滤光片等可以实现同样的光谱成像功能。
[0038] 所述计算机单元6,与所述探测单元相连，用于当所述系统处于预览模式时根据所 述探测单元探测的信息得到预览信息，当所述系统处于光谱成像模式时根据所述探测单元 探测的信息得到光谱信息。通过该计算机单元可对系统的软硬件进行控制，以便对光谱数 据进行采集，处理，展示以及存储。
[0039] 优选地,参见图1,上述系统还包括外壳18,所述扫描单元2、预览成像单元3、光谱 分光单元4以及探测单元5均位于所述外壳18内。具体地，可将扫描单元放置在成像镜头 单元的后方，通过成像镜头的前方收集地物样品的漫反射光信号，并将计算机单元和成像 镜头之外的光学器件封装在外壳中，可以有效的减少背景光的影响，提高了系统的信噪比， 改善了光谱数据的质量。
[0040] 本发明通过单片摆镜实现系统在预览模式与光谱成像模式之间的切换，并同时完 成光谱成像模式摆扫功能，减少了系统器件数量，减少系统复杂程度，增加了稳定性。从而 可以在光谱成像模式之前对成像区域进行预览，预览模式因此可以减小成像区域选择的时 间，提高系统的效率，有效利用野外时间的有效光照，克服了光谱成像过程较慢，时间较长， 不适用于选择视场区域的缺点。本发明将扫描单元安装在成像镜头的后方，如此可以使用 外壳将光学器件和探测器件封装在密闭环境中，有效的减少了背景杂散光的影响。
[0041] 参见图2,图2是本发明实施方式提供的另一种扫描成像光谱仪系统的示意图，该 系统包括成像镜头单元1、扫描单元2、预览成像单元3、光谱分光单元4、探测单元5和计算 机单元6 ;
[0042] 其中，扫描单元2包括摆镜10,还包括电机11和控制器12,所述控制器12通过所 述电机11对所述摆镜10的状态进行控制，当系统处于预览模式时，控制器12控制摆镜10 处于静止的状态，将漫反射光信号反射至预览成像单元，当系统处于光谱成像模式时，控制 器12控制摆镜10处于摆扫的状态，将漫反射光信号反射至光谱分光单元。其中，上述电机 可以为步进电机或者伺服电机。例如，上述的电机可以为步进电机，控制器可以为步进电 机控制器，摆镜10为镀膜的反射镜，通过机械连接的方式与步进电机11相连，步进电机11 在步进电机控制器12的控制下控制摆镜10的转动，步进电机控制器可以为商用控制卡，采 集卡，或者自发设计的电路板卡。当系统处于预览成像模式时，控制器控制摆镜处于静止状 态，并使摆镜与漫反射光信号的入射光轴保持预设的夹角，例如其夹角可以为135度；当系 统处于光谱成像模式时，控制器控制摆镜以预设的角度内来回摆扫，将扫描线对应地物样 品的光信号反射到光谱分光单元。
[0043] 所述预览成像单元3包括第一反射镜7、透镜8、第二反射镜9 ;
[0044] 所述第一反射镜7,用于将所述预览成像单元接收的漫反射光信号反射至所述透 镜；
[0045] 所述透镜8,用于对漫反射光信号进行聚焦；
[0046] 所述第二反射镜9,用于将所述聚焦后的漫反射光信号反射至所述探测单元的光 敏面上。
[0047] 所述光谱分光单元4包括中继透镜13、狭缝14、第一球面反射镜15、分光结构16、 第二球面反射镜17 ;
[0048] 所述中继透镜13,用于将所述光谱分光单元接收的漫反射光信号聚焦在所述狭缝 处；其中，通过使预览成像单元中的透镜的焦距与光谱分光单元中的中继透镜相匹配使得 预览成像模式和光谱成像模式的视场一致。
[0049] 所述狭缝14,用于限制漫反射光信号的光通量，进而与分光结构、探测单元一起决 定了整个系统的光谱分辨率；
[0050] 所述第一球面反射镜15,用于将透过所述狭缝的漫反射光信号聚焦到所述分光结 构；
[0051] 所述分光结构16,用于对透过所述狭缝的漫反射光信号进行分光；其中，分光结 构16可以为凸面光栅结构，通过该分光结构将光信号色散分光，按照不同的波长分布在不 同的位置；
[0052] 所述第二球面反射镜17,用于将分光后得到的光信号聚焦至所述探测单元的光敏 面上。
[0053] 此外，还可以在光谱分光单元中的中继透镜前增加滤光片改用荧光谱成像方式可 以实现同样的光谱成像功能。
[0054] 具体地，当系统处于预览模式时，成像镜头单元1收集地物样品的漫反射光信号 进入扫描单元2,控制器12控制扫描单元2中的摆镜与入射光轴成135度夹角静止，将漫反 射光信号的光路折向预览成像单元3,预览成像单元3中的第一反射镜7将光路转向透镜 8,镜头8将信号聚焦，第二反射镜9将聚焦状态的光束转向探测单元5的光敏面上进行探 测，此时只具有成像功能，可以通过转动成像平台的方式对成像视场进行快速切换；当系统 处于光谱成像模式时，控制器12控制扫描单元2中的摆镜10转向光谱分光单元4,摆镜10 在一定角度内来回摆扫将成像镜头单元1收集的地物样品的漫反射光信号反射进入光谱 分光单元4,光谱分光单元4中的中继透镜13将摆镜10反射的光束聚焦在光谱分光单元4 的狭缝14处，第一球面反射镜15将通过狭缝14的狭长光束聚焦在分光结构16上，分光结 构16对光束进行色散分光，第二球面反射镜17将色散分光后的光束聚焦在探测单元5的 光敏面上。其中，探测单元5可以为面阵探测器，例如可以是CCD、sCMOS、平板探测器或者 其他具有同样功能的面阵探测器，探测器光敏面平行于狭缝的方向称为空间维，每一行的 光敏面元是地物条带一个光谱通道的像；探测器光敏面垂直于狭缝的方向是光谱维，光敏 面每一列光敏面元上是地物条带一个空间采样视�。ㄏ裨┕馄咨⒌南瘢讲獾ピ�5中 的面阵探测器将探测得到的光谱信息交由计算机单元6处理得到每一像素点的光谱信息， 一般，成像光谱仪每一次成像针对一条地物扫描线，通过摆镜10来回摆扫就可以对成像镜 头单元1视场内的地物样品进行光谱成像。
[0055] 在本发明实施方式提供的扫描成像光谱仪系统中，使用摆镜通过转动不同角度切 换预览模式和光谱成像模式，在光谱成像之前切换到感用户兴趣的区域，不但减少光谱成 像的准备时间，以便在有限的光照时间内对更多的感兴趣区域进行成像，还减少了系统中 光学元件的数量，简化了系统的复杂程度，此外，系统将扫描单元安装在成像镜头单元后 方，该系统将计算机单元与成像镜头外的光学器件封装在外壳内，有效的减少了背景杂散 光的影响，提高了信噪比，改善了光谱数据的质量。
[0056] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1. 一种扫描成像光谱仪系统，其特征在于，包括成像镜头单元、扫描单元、预览成像单 元、光谱分光单元、探测单元和计算机单元； 所述成像镜头单元，用于收集地物样品的漫反射光信号； 所述扫描单元包括摆镜，通过所述摆镜实现所述系统在预览模式与光谱成像模式之间 的切换，当所述系统处于预览模式时，所述摆镜以静止的状态将所述漫反射光信号反射至 所述预览成像单元，当所述系统处于光谱成像模式时，所述摆镜以摆扫的状态将所述漫反 射光信号反射至光谱分光单元； 所述预览成像单元，用于将接收的漫反射光信号进行聚焦，并将所述聚焦后的漫反射 光信号转向至所述探测单元的光敏面上； 所述光谱分光单元，用于对接收的漫反射光信号进行分光，并将所述分光得到的光信 号反射至所述探测单元的光敏面上； 所述计算机单元，与所述探测单元相连，用于当所述系统处于预览模式时根据所述探 测单元探测的信息得到预览信息，当所述系统处于光谱成像模式时根据所述探测单元探测 的信息得到光谱信息。
2. 根据权利要求1所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述扫描单元位于所述 成像镜头单元的后方，所述系统还包括外壳，所述扫描单元、预览成像单元、光谱分光单元 以及探测单元均位于所述外壳内，形成封闭结构。
3. 根据权利要求1所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述扫描单元还包括电 机和控制器，所述控制器通过所述电机对所述摆镜的状态进行控制，当所述系统处于预览 模式时，所述控制器控制所述摆镜处于静止的状态，将所述漫反射光信号反射至所述预览 成像单元，当所述系统处于光谱成像模式时，所述控制器控制所述摆镜处于摆扫的状态，将 所述漫反射光信号反射至光谱分光单元。
4. 根据权利要求3所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述电机为步进电机或 者伺服电机。
5. 根据权利要求1所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述预览成像单元包括 第一反射镜、透镜、第二反射镜； 所述第一反射镜，用于将所述预览成像单元接收的漫反射光信号反射至所述透镜； 所述透镜，用于对漫反射光信号进行聚焦； 所述第二反射镜，用于将所述聚焦后的漫反射光信号反射至所述探测单元的光敏面 上。
6. 根据权利要求1所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述光谱分光单元包括 中继透镜、狭缝、第一球面反射镜、分光结构、第二球面反射镜； 所述中继透镜，用于将所述光谱分光单元接收的漫反射光信号聚焦在所述狭缝处； 所述狭缝，用于限制漫反射光信号的光通量； 所述第一球面反射镜，用于将透过所述狭缝的漫反射光信号聚焦到所述分光结构； 所述分光结构，用于对透过所述狭缝的漫反射光信号进行分光； 所述第二球面反射镜，用于将分光后得到的光信号聚焦至所述探测单元的光敏面上。
7. 根据权利要求1所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述分光结构为凸面光 栅。
8.根据权利要求1至7任一所述的扫描成像光谱仪系统，其特征在于，所述探测单元为 面阵探测器。
【文档编号】G01J3/44GK104155002SQ201410342293
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张红明, 张立福, 吴太夏, 岑奕, 杨杭, 孙雪剑 申请人:中国科学院遥感与数字地球研究所
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