本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光學(xué)儀器的輕巧型焦面掃描機構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種包括上述輕巧型焦面掃描機構(gòu)的光學(xué)儀器。

背景技術(shù)：

掃描技術(shù)是光學(xué)成像、光譜成像、掃描儀等領(lǐng)域的核心技術(shù)，掃描方式的實現(xiàn)形式直接決定著儀器的功能、性能、成本、重量、體積及適應(yīng)性和應(yīng)用范圍。

在光學(xué)成像領(lǐng)域，推掃式成像(push-broom)作為一種先進的掃描成像方式，可以大幅增加儀器的探測范圍、有效提高儀器的空間信噪比。對于空載、星載儀器，推掃成像需要借助平臺的運動，實現(xiàn)對地物目標的推掃成像，對平臺的運動速度和平穩(wěn)性提出了較高的要求；對于地面儀器，推掃成像一般需要借助高精度的轉(zhuǎn)臺或大尺寸、高精度的掃描反射鏡實現(xiàn)對目標的推掃成像，轉(zhuǎn)臺或掃描鏡的精度、重量、體積等因素嚴重影響儀器的適用范圍。

在光譜成像領(lǐng)域，不管是干涉型光譜成像儀，還是色散型光譜成像儀，均只能對狹縫進行空間一維和光譜維的分光測量，而需要通過推掃的掃描方式實現(xiàn)另一維的空間測量，需要與光學(xué)成像類似的高穩(wěn)定性飛行平臺或高精度的掃描轉(zhuǎn)臺。

在掃描儀領(lǐng)域，平板式掃描(flatbedscanner)和滾筒式掃描(drumscanner)是常用的兩種掃描方式，都是通過掃描頭與目標相對運動，實現(xiàn)對目標的掃描測量、成像，大行程、高精度的掃描機構(gòu)是此類儀器的瓶頸技術(shù)之一。

輕小型、內(nèi)置式掃描成像儀的顯著特點是無需穩(wěn)定的飛行平臺或高精度的掃描轉(zhuǎn)臺，通過內(nèi)置的輕巧型掃描機構(gòu)實現(xiàn)對目標的掃描測量。在現(xiàn)有技術(shù)中，輕小型、內(nèi)置式掃描成像儀實現(xiàn)了掃描光學(xué)儀器的內(nèi)置式掃描，但缺點是需要前置物鏡與能量接收系統(tǒng)之間有相對運動，而儀器主體結(jié)構(gòu)的運動式設(shè)計將大大降低儀器的結(jié)構(gòu)剛度，也對驅(qū)動機構(gòu)提出了較高的要求；并且，前置物鏡和能量接收系統(tǒng)的重量和體積往往較大，無論驅(qū)動前置物鏡運動還是驅(qū)動能量接收系統(tǒng)運動均比較耗能、麻煩，對驅(qū)動平臺的要求與外置式掃描無異，在重量、體積以及復(fù)雜性方面不具有優(yōu)勢，而且驅(qū)動大體積大重量的物體往往造成驅(qū)動機構(gòu)及整體重量和體積的增加，驅(qū)動困難直接造成掃描精度低等問題。

因此，如何解決常規(guī)成像方式在成像時需要驅(qū)動前置物鏡或能量接收系統(tǒng)大質(zhì)量大體積部件從而與目標形成相對運動的缺點，提高成像掃描精度，降低體積、重量和復(fù)雜度，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)儀器的輕巧型焦面掃描機構(gòu)，在掃描成像時無需要驅(qū)動前置物鏡或能量接收系統(tǒng)等大質(zhì)量大體積部件與待測目標形成相對運動，同時提高成像掃描精度，降低光學(xué)儀器的體積、重量和復(fù)雜度。本發(fā)明還提供一種包括上述輕巧型焦面掃描機構(gòu)的光學(xué)儀器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種光學(xué)儀器的輕巧型焦面掃描機構(gòu)，包括用于對待測目標進行成像的前置物鏡和用于成像輸出的能量接收系統(tǒng)，還包括入射狹縫、準直鏡、反射鏡和匯聚鏡；

所述入射狹縫同時位于所述前置物鏡和準直鏡的像面上；

所述反射鏡用于將所述準直鏡的出射光線反射并垂直入射到所述匯聚鏡上；

所述匯聚鏡的像面處于所述能量接收系統(tǒng)的感光面上；

所述入射狹縫和準直鏡均可沿垂直于所述準直鏡的視軸方向同步平移，所述反射鏡可沿平行于所述匯聚鏡的視軸方向運動，且所述準直鏡的位移量與所述反射鏡的位移量滿足：

l2＝l1×sin2θ；

其中，l2為所述準直鏡的位移量，l1為所述反射鏡的位移量，θ為所述反射鏡的反射光線的反射角。

優(yōu)選地，還包括用于驅(qū)動所述入射狹縫和準直鏡沿垂直于所述準直鏡的視軸方向同步平移的第一驅(qū)動機構(gòu)，以及用于驅(qū)動所述反射鏡沿平行于所述匯聚鏡的視軸方向運動的第二驅(qū)動機構(gòu)。

優(yōu)選地，所述第一驅(qū)動機構(gòu)包括直線導(dǎo)軌和可滑動地設(shè)置于其上的移動平臺，所述入射狹縫和準直鏡均設(shè)置于所述移動平臺上，且所述直線導(dǎo)軌的長度方向垂直于所述準直鏡的視軸方向。

優(yōu)選地，所述直線導(dǎo)軌的長度與所述前置物鏡的像面寬度相等。

優(yōu)選地，所述第二驅(qū)動機構(gòu)具體為用于帶動所述反射鏡運動的直線電機或者絲杠導(dǎo)軌機構(gòu)。

優(yōu)選地，所述準直鏡和/或匯聚鏡具體為柱面鏡。

優(yōu)選地，所述反射鏡具體為平面鏡。

優(yōu)選地，所述能量接收系統(tǒng)具體為線陣列探測器、面陣列探測器或光譜儀系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種光學(xué)儀器，包括機身和設(shè)置于所述機身內(nèi)的輕巧型焦面掃描機構(gòu)，其中，所述輕巧型焦面掃描機構(gòu)具體為上述任一項所述的輕巧型焦面掃描機構(gòu)。

本發(fā)明所提供的光學(xué)儀器的輕巧型焦面掃描機構(gòu)，主要包括前置物鏡、能量接收系統(tǒng)、入射狹縫、準直鏡、反射鏡和匯聚鏡。其中，前置物鏡與待測目標相鄰，主要用于對待測目標進行成像，而能量接收系統(tǒng)主要用于末端接收光線，進行成像掃描輸出和圖像處理等。入射狹縫位于前置物鏡的像面上，并且同時位于準直鏡的焦面上，如此，準直鏡即可通過入射狹縫的光線掃描前置物鏡對待測目標所成的像，并將其轉(zhuǎn)化為平行光。

反射鏡主要用于將準直鏡的出射光線反射到匯聚鏡上，并且反射鏡的反射光線垂直入射到匯聚鏡上。匯聚鏡主要用于將平行光聚集到像面上，而其像面處于能量接收系統(tǒng)的感光面上。如此，前置物鏡對待測目標成像后，即可依次通過入射狹縫、準直鏡、反射鏡和匯聚鏡達到能量接收系統(tǒng)。重要的是，入射狹縫和準直鏡均可沿著垂直于準直鏡的視軸方向同步平移，同時反射鏡可沿著平行于匯聚鏡的視軸方向運動，并且準直鏡的位移量與反射鏡的位移量滿足關(guān)系式：l2＝l1×sin2θ。如此，入射狹縫、準直鏡和反射鏡在進行各自移動時，準直鏡將逐漸完成對前置物鏡的像面的完整掃描，而且由于反射鏡的運動，反射光線始終垂直入射匯聚鏡，因此在三者同步平移的過程中，匯聚鏡的像面也始終固定，變化的僅是反射鏡的平行反射光線的光程長度。因此，本發(fā)明能夠在掃描成像時無需要驅(qū)動前置物鏡或能量接收系統(tǒng)等大質(zhì)量大體積部件與待測目標形成相對運動，只需驅(qū)動入射狹縫、準直鏡和反射鏡三者重量體積較輕較小的部件，即可實現(xiàn)對待測目標的完整掃描成像，相應(yīng)地提高了成像掃描精度，降低了光學(xué)儀器的體積、重量和復(fù)雜度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的θ等于90°時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式在光學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖；

圖4為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式在光譜成像領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。

其中，圖1—圖4中：

待測目標—1，前置物鏡—2，能量接收系統(tǒng)—3，入射狹縫—4，準直鏡—5，反射鏡—6，匯聚鏡—7，第一驅(qū)動機構(gòu)—8，直線導(dǎo)軌—801，移動平臺—802，第二驅(qū)動機構(gòu)—9。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參考圖1，圖1為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖(圖中的箭頭為運動方向，其余附圖均同)。

在本發(fā)明所提供的一種具體實施方式中，光學(xué)儀器的輕巧型焦面掃描機構(gòu)主要包括前置物鏡2、能量接收系統(tǒng)3、入射狹縫4、準直鏡5、反射鏡6和匯聚鏡7。

其中，前置物鏡2與待測目標1相鄰，主要用于對待測目標1進行成像，而能量接收系統(tǒng)3主要用于末端接收光線，進行成像掃描輸出和圖像處理等。

入射狹縫4位于前置物鏡2和準直鏡5的像面上，如此，準直鏡5即可通過入射狹縫4的光線掃描前置物鏡2對待測目標1所成的像，并將其轉(zhuǎn)化為平行光。

反射鏡6主要用于將準直鏡5的出射光線反射到匯聚鏡7上，并且反射鏡6所反射的平行反射光線垂直入射到匯聚鏡7上。匯聚鏡7主要用于將平行光聚集到焦面上，而其焦面處于能量接收系統(tǒng)3的感光面上。如此，前置物鏡2對待測目標1成像后，即可依次通過入射狹縫4、準直鏡5、反射鏡6和匯聚鏡7達到能量接收系統(tǒng)3。

重要的是，入射狹縫4和準直鏡5均可沿著垂直于準直鏡的視軸方向同步平移，同時反射鏡6可沿著平行于匯聚鏡7的視軸方向運動，并且準直鏡5的位移量與反射鏡6的位移量滿足關(guān)系式：l2＝l1×sin2θ，其中，l2為準直鏡5的位移量，l1為反射鏡6的位移量，θ為反射鏡6的反射光線的反射角。如此，入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6在分別進行移動時，準直鏡5將逐漸完成對前置物鏡2的像面的完整掃描，而且由于反射鏡6反射光線始終垂直入射匯聚鏡7，因此在三者同步平移的過程中，匯聚鏡7的像面也始終固定，變化的僅是反射鏡6的平行反射光線的光程長度。

因此，本實施例所提供的輕巧型焦面掃描機構(gòu)，能夠在掃描成像時無需要驅(qū)動前置物鏡2或能量接收系統(tǒng)3等大質(zhì)量大體積部件與待測目標1形成相對運動，只需驅(qū)動入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者重量體積較輕較小的部件，即可實現(xiàn)對待測目標1的完整掃描成像，相應(yīng)地提高了成像掃描精度，降低了光學(xué)儀器的體積、重量和復(fù)雜度。

為方便入射狹縫4和準直鏡5的同步平移運動，本實施例中增設(shè)了第一驅(qū)動機構(gòu)8。該第一驅(qū)動機構(gòu)8主要用于同時驅(qū)動入射狹縫4和準直鏡5進行同步直線運動，當然，其運動方向垂直于準直鏡5的視軸。

具體的，第一驅(qū)動機構(gòu)8具體包括直線導(dǎo)軌801和移動平臺802。其中，直線導(dǎo)軌801為預(yù)設(shè)軌道，其長度方向垂直于準直鏡的視軸方向。移動平臺802設(shè)置在直線導(dǎo)軌801上，并可在其上自由滑動。同時，入射狹縫4和準直鏡5均設(shè)置在移動平臺802上，隨其運動而同步運動，當然入射狹縫4和準直鏡5兩者的相對位置始終保持不變。

當然，驅(qū)動機構(gòu)8的具體結(jié)構(gòu)并不僅限于上述直線導(dǎo)軌801和移動平臺802，其余比如包括直線電機和滾輪板，齒輪齒條傳動機構(gòu)等均可以采用。

進一步的，直線導(dǎo)軌801的長度可與前置物鏡2的像面寬度相等。如此設(shè)置，入射狹縫4和準直鏡5兩者在直線導(dǎo)軌801往復(fù)運動時，每一個來回的往復(fù)運動都可以保證剛好完成對前置物鏡2所成的像的完整掃描，而多次往復(fù)運動可實現(xiàn)對待測目標1的高幀頻掃描成像。當然，直線導(dǎo)軌801的整體長度可以大于前置物鏡2的像面寬度。

同時，為了方便反射鏡6的運動，本實施例中增設(shè)了第二驅(qū)動機構(gòu)9。具體的，該第二驅(qū)動機構(gòu)9主要用于帶動反射鏡6沿著平行于匯聚鏡7的視軸方向運動。具體的，該第二驅(qū)動機構(gòu)9可為直線電機，可直接驅(qū)動反射鏡6沿平行于匯聚鏡7的視軸方向的直線往復(fù)運動。當然，第一驅(qū)動機構(gòu)8與第二驅(qū)動機構(gòu)9分別驅(qū)動入射狹縫4及準直鏡5與反射鏡6的驅(qū)動速度成一定比例關(guān)系，具體參照前述準直鏡5與反射鏡6的位移量的比例關(guān)系。另外，當反射鏡6的反射光線的反射角為90°時，如圖2所示，圖2為圖1中的θ等于90°時的結(jié)構(gòu)示意圖；反射鏡6的反射光線和入射光線垂直，此時第一驅(qū)動機構(gòu)8和第二驅(qū)動機構(gòu)9的驅(qū)動方向可同向，即入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6均同向且同步平移運動，其運動方向均平行于匯聚鏡7的視軸。

如此，在第一驅(qū)動機構(gòu)8和第二驅(qū)動機構(gòu)9的共同帶動下，入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者各自進行預(yù)設(shè)軌跡的運動，如圖1所示，當三者運動一段距離后達到圖中的虛線位置，在該位置處，入射狹縫4仍然處于準直鏡5的像面位置，但偏離了前置物鏡2的成像中心位置一定距離，該距離屬于前置物鏡2的像面寬度的一部分。在此時，準直鏡5的出射光線達到反射鏡6后，反射光線仍然垂直入射匯聚鏡7，且匯聚鏡7的像面位置固定不動，因此能量接收系統(tǒng)3也無需運動。依次類推，入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者可沿各自的運動方向往復(fù)運動，只要保證三者間的位移量比例關(guān)系不變，即可實現(xiàn)把前置物鏡2對待測目標1所呈的像進行往復(fù)掃描的效果，大幅提高了掃描成像精度和頻率，并且能量接收系統(tǒng)3可以藉此獲得前置物鏡2對待測目標1所成的像的動態(tài)掃描圖像。在此期間，僅有入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者進行運動，而待測目標1、前置物鏡2和能量接收系統(tǒng)3都保持靜止即可。

在關(guān)于準直鏡5和匯聚鏡7的一種優(yōu)選實施方式中，該準直鏡5和匯聚鏡7具體可為柱面鏡。當然，準直鏡5和匯聚鏡7還可以為類型但同樣滿足準直、匯聚功能的鏡片組件。

在關(guān)于反射鏡6的一種優(yōu)選實施方式中，該反射鏡6具體可為平面鏡。當然，反射鏡6還可以為內(nèi)反射直角棱鏡等。

如圖3所示，圖3為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式在光學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。

具體的，能量接收系統(tǒng)3具體可為線陣列探測器。該線陣列探測器可以根據(jù)入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者的運動速度匹配采樣頻率，并通過后續(xù)處理電路進行圖像采集、轉(zhuǎn)換、輸出，即可在無轉(zhuǎn)臺和掃描鏡的情況下實現(xiàn)對待測目標1的自掃描成像。如此，使用內(nèi)置掃描機構(gòu)與線陣列探測器組合的方式實現(xiàn)目標的掃描成像，可以避免對大面陣列探測器的依賴，這在紅外領(lǐng)域顯得尤為重要，因為大尺寸的紅外面陣列探測器目前為止還是世界級的難題，而線陣列探測器的研制則容易得多。此外，在大視場、高分辨率的可見、近紅外成像光學(xué)儀器中，也可以解決大幅寬、高分辨率、大探測器陣列需求之間的矛盾。

如圖4所示，圖4為本發(fā)明所提供的一種具體實施方式在光譜成像領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。

具體的，能量接收系統(tǒng)3具體還可以為光譜儀系統(tǒng)。同線陣列探測器一樣，光譜儀中的探測器也按照與入射狹縫4、準直鏡5和反射鏡6三者的運動速度匹配的頻率進行采樣，并通過后續(xù)處理電路進行圖像處理，即可在無轉(zhuǎn)臺和掃描鏡的情況下實現(xiàn)對待測目標1的自掃描光譜成像。另外，該光譜儀既可以是棱鏡色散型光譜儀、光柵色散型光譜儀，也可以是干涉型光譜儀、基于線性漸變?yōu)V光片(lvf)等其他類型需要有狹縫、無狹縫或有等效狹縫的光譜儀。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。