專利名稱：基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置及方法
技術領域：
本發明是關于成像光譜技術領域的裝置及方法，尤其涉及一種基于Nipkow 盤的衍射多光譜成像裝置及方法。
背景技術：
成像光譜技術將成像技術與光譜技術相結合，利用該技術對被測目標進行一 次觀測就可同時得到目標的二維圖像信息與光譜信息，該技術目前己被廣泛應用 于遙感、目標識別等領域。目前，人們已經采用多種技術手段實現了該技術，基 于衍射透鏡的光譜成像技術就屬于其中之一。
1995年，SP正第2480巻，123~131頁"Image Spectrometry with a Diffractive Optic"首次公開一種由衍射光學元件和探測器組成的成像光譜儀裝置。美國專 利公開號5479258，
公開日1995年12月26日，發明名稱為ImageMultispectral Sensing，該專利公開了由衍射光學元件和探測器組成的成像光譜儀方案。中國專 利申請號200810065751.6，申請日2008年2月29日，發明名稱為橫向放大率恒定 的衍射光學成像光譜儀的成像結構及其使用方法，該申請案公開了由衍射光學元 件、探測器及消像差透鏡組成的成像光譜儀方案。上述方案或裝置的不足之處在 于若想得到某個單一波長入射光的圖像與光譜信息，上述裝置的探測器必須掃描 并記錄所有波長入射光的焦平面，然后利用計算機層析技術進行圖像處理，去除 各個波長準焦面上的其它波長入射光的離焦光斑，才能獲得該單一波長入射光的 圖像與光譜數據，這樣就不能實時提取單一波長入射光的圖像及光譜信息。
發明內容
本發明克服了現有技術中的不足，提供了一種基于Nipkow盤的衍射多光譜 成像裝置及方法。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的
本發明所述的基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置，包括衍射透鏡、衍射
透鏡直線驅動器、基座、探測器、殼體、殼體直線驅動器，該裝置還包括由帶有 一條螺旋線形透光槽的擋光板、具有多條按螺旋線排列的不同直徑針孔的Nipkow
盤以及帶有一條微透鏡陣列按螺旋線排列的微透鏡陣列盤組成的層析及成像系 統。在殼體的內表面上配裝相對位置固定機構，由擋光板、Nipkow盤和微透鏡 陣列盤組成的層析及成像系統配裝在相對位置固定機構內。第二旋轉驅動器固定 于殼體上側的內表面上，第二驅動軸兩端分別與第二旋轉驅動器及微透鏡陣列盤固接。第一旋轉驅動器固定于殼體的直立內表面上，第一驅動軸兩端分別固接第 一旋轉驅動器及Nipkow盤。Nipkow盤位于擋光板及微透鏡陣列盤之間，擋光板 位于衍射透鏡一側。擋光板、Nipkow盤及微透鏡陣列盤相互平行，且中心位于 同一個軸上。擋光板的透光槽與微透鏡陣列盤的微透鏡陣列相對應，且兩者間的 相對位置固定不變。擋光板上的透光槽的螺旋線形狀及微透鏡陣列盤上的微透鏡 陣列的螺旋線形狀與Nipkow盤上的針孔的螺旋線形狀相同。Nipkow盤上位于同 一條螺旋線上的針孔的直徑由Nipkow盤的中心向外逐漸變大，不同螺旋線上的 針孔直徑不同。Nipkow盤3上的螺旋線條數由所設計的成像光譜儀的光譜段數 決定。
本發明所述的基于Nipkow盤的衍射多光譜成像方法包括以下步驟
① 要探測某一波長入射光圖像及光譜信息時，相對位置固定機構解鎖，用 第二旋轉驅動器經第二驅動軸轉動微透鏡陣列盤，通過相對位置固定機構帶動擋
光板一并轉動，使透光槽與微透鏡陣列處于探測器視場之外；相對于擋光板與微 透鏡陣列盤轉動Nipkow盤，根據設計時已經計算出的該波長光在其焦平面上的 光斑大小，使直徑與該光斑大小匹配的一條螺旋線針孔與透光槽和微透鏡陣列相 對應，相對位置固定機構鎖緊；
② 殼體直線驅動器將包含擋光板、Nipkow盤、微透鏡陣列盤及探測器的殼 體整體驅動到該焦平面處，且使Ni沐ow盤位于該波長入射光的焦平面上；
③ 打開探測器開關，第一旋轉驅動器驅動擋光板、Nipkow盤與微透鏡陣列 盤整體旋轉并掃描焦平面，準確聚焦在焦平面上的波長的入射光透過針孔，經過 微透鏡成像在探測器上，掃描結束后，將三者轉動到探測器視場之外等待下一次 掃描。
本發明的有益效果是
第一，本裝置及方法能實時地提取被觀測光譜范圍內任一波長入射光的圖 像及光譜信息。
第二，本裝置及方法能、最低限度產生并有效阻擋雜散光。
第三，本裝置及方法與普通衍射透鏡成像光譜儀相比，能獲得更高的光譜分 辨率。
圖1是基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置結構示意2是圖像及光譜數據接收系統外觀結構三維示意圖
圖3是擋光板與Nipkow盤和微透鏡陣列盤系統結構示意圖
圖4是實施例的衍射透鏡及入射光參數
圖5是計算光譜分辨率所用符號示意圖
圖6是被觀測的某波長入射光的雜散光貢獻區示意圖
圖7是計算被觀測的某波長入射光的左側雜散光計算示意圖
圖8是計算被觀測的某波長入射光的右側雜散光計算示意圖
圖中l衍射透鏡、2擋光板、3Nipkow盤、4微透鏡陣列盤、5相對位置固 定機構、6第二驅動軸、7第二旋轉驅動器、8第一驅動軸、9第一旋轉驅動器、 10殼體、11殼體直線驅動器、12探測器、13基座、14衍射透鏡直線驅動器、 15透光槽、16針孔、17微透鏡陣列
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明具體實施例進行詳細描述。
本發明具體裝置描述如下
本裝置包括衍射透鏡l、衍射透鏡直線驅動器14、基座13、探測器12、殼 體10、殼體直線驅動器11，該裝置還包括由帶有一條螺旋線形透光槽15的擋光 板2、具有多條按螺旋線排列的不同直徑針孔16的Nipkow盤3以及帶有一條微 透鏡陣列17按螺旋線排列的微透鏡陣列盤4組成的層析及成像系統；在殼體10 的內表面上配裝相對位置固定機構5，由擋光板2、 Nipkow盤3和微透鏡陣列盤 4組成的層析及成像系統配裝在相對位置固定機構5內；第二旋轉驅動器7固定 于殼體10上側的內表面上，第二驅動軸6兩端分別與第二旋轉驅動器7及微透 鏡陣列盤4固接；第一旋轉驅動器9固定于殼體10的直立內表面上，第一驅動 軸8兩端分別固接第一旋轉驅動器9及Nipkow盤3; Nipkow盤3位于擋光板2 及微透鏡陣列盤4之間，擋光板2位于衍射透鏡1一側；擋光板2、 Nipkow盤3 及微透鏡陣列盤4相互平行，且中心位于同一個軸上；擋光板2的透光槽15與 微透鏡陣列盤4的微透鏡陣列17相對應，且兩者間的相對位置固定不變；擋光 板2上的透光槽15的螺旋線形狀及微透鏡陣列盤4上的微透鏡陣列17的螺旋線 形狀與Nipkow盤3上的針孔16的螺旋線形狀相同；Nipkow盤3上位于同一條 螺旋線上的針孔16的直徑由Nipkow盤3的中心向外逐漸變大，不同螺旋線上的 針孔16直徑不同。Nipkow盤3上的螺旋線條數由所設計的成像光譜儀的光譜段數決定。相對位置固定機構5解鎖后，旋轉驅動器7通過驅動軸6帶動擋光板2 與微透鏡陣列4 一同轉動，旋轉驅動器9通過驅動軸8帶動Nipkow盤3轉動。 相對位置固定機構5鎖緊后，旋轉驅動器9通過驅動軸8帶動Nipkow盤3、擋 光板2及微透鏡陣列盤4 一同轉動。Nipkow盤上位于同一條螺旋線上的針孔的 直徑由Nipkow盤的中心向外逐漸變大，以適應衍射透鏡1徑向放大率不同而導 致的徑向光斑由光軸沿徑向增大的特點。Nipkow盤上不同螺旋線上的針孔直徑 不同，以適應衍射透鏡1軸向放大率不同而導致的軸向光斑沿遠離衍射透鏡1方 向增大的特點。殼體直線驅動器11可讓殼體及其內部元件沿衍射透鏡1的光軸 移動。
本裝置工作步驟如下-
① 要獲得某一波長入射光的二維圖像與光譜信息時，相對位置固定機構5 鎖緊，旋轉驅動器9轉動擋光板2、 Nipkow盤3與微透鏡陣列4，使擋光板2的 透光槽15與微透鏡陣列17處于探測器12的視場之外。相對位置固定機構5解 鎖，旋轉驅動器9轉動Nipkow盤3，根據設計時已經計算出的該波長光在其焦 平面上的光斑大小，使直徑與該光斑大小匹配的一條螺旋線針孔16與透光槽15 和微透鏡陣列17相對應，相對位置固定機構5鎖緊，做好掃描準備。
② 入射光經衍射透鏡1聚焦于像方焦平面上，根據設計時已經計算出的該 波長光在光軸上的焦平面的位置，用殼體直線驅動器11將殼體10沿衍射透鏡1 的光軸向該焦平面處移動，使Nipkow盤3處于該焦平面上。
③ 該波長準焦光經過Nipkow盤3上的針孔16成為點光源，再經過微透鏡 陣列17成像在探測器12上，準焦面上其它波長的離焦光被擋光板2及Nipkow 盤3阻擋。開啟探測器12的電源，旋轉驅動器9通過驅動軸8帶動擋光板2、 Nipkow盤3及微透鏡陣列盤4轉動，完成一次對準焦光的掃描；若想得到該波 長入射光的連續視頻圖像，只需讓旋轉驅動器9連續驅動擋光板2、 Nipkow盤3 及微透鏡陣列盤4掃描焦平面。
④ 掃描完成后，關閉探測器12的電源；旋轉驅動器9驅動擋光板2、 Nipkow 盤3及微透鏡陣列盤4至探測器12的視場之外。
本發明的實施例如下
衍射透鏡及入射光參數如圖4所示，波長分別為5微米、4微米、3微米， 分別聚焦于距衍射透鏡82毫米、102毫米、127毫米的光軸上。
計算光譜分辨率所用符號如圖5所示4:被探測波長，^所在平面為準焦面；
4 :聚焦于&左側且光能量100%通過Nipkow盤3上的針孔16的波長; 4:聚焦于^右側且光能量100。/。通過Nipkow盤3上的針孔16的波長; i :衍射透鏡l的半徑；
r: Nipk0W盤3上的處于光軸附近的針孔的半徑； P: ^焦點到A焦點的距離；
《A焦點到;i3焦點的距離；
Z :系統所能探測的光譜范圍中波長最大的光的焦點距衍射透鏡的距離;
^焦點到系統所能探測的光譜范圍中波長最大的光的焦點的距離； /: ^焦點到衍射透鏡的距離； ^處軸上光譜分辨率
按照圖1的情況，11=20111111，設尸10//附，4//附處的分辨率光譜分辨率為0.1%。 將能量100%透過針孔的波長區間定義為光譜分辨率區，所以該區域之外的
光都被視為雜散光區，并分為左右兩個區域。左區為光線聚焦后發散，發散光的 一部分透過圓孔成為雜散光，右側為光線在會聚之前被圓孔擋住，會聚光的一部 分透過圓孔成為雜散光。下面分別分左右兩個區域分別計算。
被觀測波長入射光的雜散光貢獻區如圖6所示，計算觀測波長入射光的左側 雜散光如圖7所示，左側雜散光區域貢獻的總能量為-
及衍射透鏡l的半徑;
r: Nipk0W盤3上的處于光軸附近的針孔的半徑;
A:雜散光聚焦后發散，被圓孔盤遮擋的半徑;
丄光譜儀系統所能探測的最大波長的焦距;"雜散光貢獻區內某一波長距最大波長的軸向距離
被研究波長距最大波長的軸向距離；
左側雜散光區的右邊界； ￡'為每個波長入射光的能量；
計算觀測波長入射光的右側雜散光如圖7所示，右側雜散光區域貢獻的總能
<formula>formula see original document page 9</formula>
及衍射透鏡l的半徑；
Nipk0W盤3上的處于光軸附近^]針孔的半徑； ^雜散光聚焦，被圓孔盤遮擋的半徑； Z-光譜儀系統所能探測的最大波長的焦距； y:被研究波長距最大波長的軸向距離； g:右側雜散光區的左邊界；
m :右雜散光貢獻區內某波長光距右雜散光貢獻區左邊界的軸向距離； y:被研究波長距最短波長距圓孔盤的軸向距離；
考慮變直徑針孔對能量透過的不同，設光譜儀系統所能探測的最大波長A^ 使用的針孔直徑為d，則其它波長義'應使用的圓孔直徑為<formula>formula see original document page 9</formula>
/Q: ^對應的焦距； A:設計波長； Z。物距；
/d:設計波長對應的焦距； \ z:高斯像距；
使用變直徑針孔后，光軸上光譜分辨率為
<formula>formula see original document page 9</formula>義_:系統探測的光譜范圍中最大的波長值；A^使用的針孔直徑;
<formula>formula see original document page 10</formula>
每個波長的光通過衍射透鏡1后的用于聚焦成像的衍射級次包含的
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為 限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發 明權利要求基礎上進行的改動都是本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置，包括衍射透鏡(1)、衍射透鏡直線驅動器(14)、基座(13)、探測器(12)、殼體(10)、殼體直線驅動器(11)，其特征在于該裝置還包括由帶有一條螺旋線形透光槽(15)的擋光板(2)、具有多條按螺旋線排列的不同直徑針孔(16)的Nipkow盤(3)以及帶有一條微透鏡陣列(17)按螺旋線排列的微透鏡陣列盤(4)組成的層析及成像系統；在殼體(10)的內表面上配裝相對位置固定機構(5)，由擋光板(2)、Nipkow盤(3)和微透鏡陣列盤(4)組成的層析及成像系統配裝在相對位置固定機構(5)內；第二旋轉驅動器(7)固定于殼體(10)上側的內表面上，第二驅動軸(6)兩端分別與第二旋轉驅動器(7)及微透鏡陣列盤(4)固接；第一旋轉驅動器(9)固定于殼體(10)的直立內表面上，第一驅動軸(8)兩端分別固接第一旋轉驅動器(9)及Nipkow盤(3)；Nipkow盤(3)位于擋光板(2)及微透鏡陣列盤(4)之間，擋光板(2)位于衍射透鏡(1)一側；擋光板(2)、Nipkow盤(3)及微透鏡陣列盤(4)相互平行，且中心位于同一個軸上；擋光板(2)的透光槽(15)與微透鏡陣列盤(4)的微透鏡陣列(17)相對應，且兩者間的相對位置固定不變；擋光板(2)上的透光槽(15)的螺旋線形狀及微透鏡陣列盤(4)上的微透鏡陣列(17)的螺旋線形狀與Nipkow盤(3)上的針孔(16)的螺旋線形狀相同；Nipkow盤(3)上位于同一條螺旋線上的針孔(16)的直徑由Nipkow盤(3)的中心向外逐漸變大，不同螺旋線上的針孔(16)直徑不同。
2、 根據權利1所描述的基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置，其特征在于 Nipkow盤(3)上的螺旋線條數由所設計的成像光譜儀的光譜段數決定。
3、 一種基于Nipkow盤的衍射多光譜成像方法，其特征在于其方法包括以下 步驟① 要探測某一波長入射光圖像及光譜信息時，相對位置固定機構解鎖，用 第二旋轉驅動器經第二驅動軸轉動微透鏡陣列盤，通過相對位置固定機構帶動擋 光板一并轉動，使透光槽與微透鏡陣列處于探測器視場之外；相對于擋光板與微 透鏡陣列盤轉動Nipkow盤，根據設計時已經計算出的該波長光在其焦平面上的 光斑大小，使直徑與該光斑大小匹配的一條螺旋線針孔與透光槽和微透鏡陣列相 對應，相對位置固定機構鎖緊；② 殼體直線驅動器將包含擋光板、Nipkow盤、微透鏡陣列盤及探測器的殼 體整體驅動到該焦平面處，且使Nipkow盤位于該波長入射光的焦平面上；③ 打開探測器開關，第一旋轉驅動器驅動擋光板、Nipkow盤與微透鏡陣列 盤整體旋轉并掃描焦平面，準確聚焦在焦平面上的波長的入射光透過針孔，經過微透鏡成像在探測器上，掃描結束后，將三者轉動到探測器視場之外等待下一次 掃描。
全文摘要
基于Nipkow盤的衍射多光譜成像裝置及方法屬于成像光譜技術領域；該裝置包括衍射透鏡、由擋光板、Nipkow盤及微透鏡陣列盤組成的層析及成像系統、探測器、相對位置固定機構、第一及第二旋轉驅動機構、直線驅動器；相對位置固定機構解鎖，第一及第二旋轉驅動機構能夠分別驅動擋光板與微透鏡陣列盤及Nipkow盤旋轉；相對位置固定機構鎖緊，第一驅動機構驅動層析及成像系統掃描入射光像方焦平面直接獲得某單一波長入射光的二維圖像及光譜信息；直線驅動器驅動層析及成像系統沿衍射透鏡光軸掃描即可獲得被探測光譜范圍內所有波長入射光的圖像及光譜信息；本發明具有低雜散光、高光譜分辨率、高空間分辨率的特點。
文檔編號G01J3/12GK101581604SQ20091007168
公開日2009年11月18日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者儉 劉, 濤 劉, 劉忠源, 王偉波, 譚久彬, 趙晨光 申請人:哈爾濱工業大學