CN113447119B - 一种线光谱共焦传感器 - Google Patents

Abstract

一种线光谱共焦传感器，包括：光源、光源光纤、色散物镜、光谱仪光纤以及光谱仪，其中，色散物镜包括沿色散物镜物方至色散物镜像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组用于控制物方远心并对调制侦测光进行初步色散，第二透镜组用于控制像方远心并对调制侦测光进行进一步色散，经由第一透镜组的长焦距与第二透镜组的短焦距配合用于色散物镜物方与色散物镜像方之间的缩放倍率控制，光谱仪用于区分回波的波长，在相机上不同像元位置产生图像。该线光谱共焦传感器系统将色散物镜设计为双远心结构，可有效保证投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性。

Description

一种线光谱共焦传感器

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种线光谱共焦传感器。

背景技术

随着精密和超精密制造业的迅速发展，对高精密的检测需求也越来越高，因此高精密的位移传感器也应运而生。超精密的位移传感器精度可达到微米级别；传统的接触式测量虽然也有较高的精度，但是由于其可能会划伤被测物体表面，而且当被测物体为弱刚性或是轻软材料时，接触式测量也会造成弹性形变，引入测量的误差，此外，接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量，基于接触式测量存在的诸多不足，因此非接触式位移传感器受到了更大的关注。

光谱共焦传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1所示，光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在像面上形成沿着光轴方向不同波长连续分布的单色光焦点，且每个波长的单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有特定波长的光在被测面上是聚焦状态，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分其余波长的光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到回波光强最大处的波长值，从而测得被测物对应的距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法具有良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和环境杂光不敏感。

但是，目前线光谱共焦传感器系统还存在以下设计难点：

(1)非中心位置的光通道的一致性问题，即多个光通道的光斑尺寸、亮度等属性的一致性的问题。光通道的光斑包括色散物镜投射至被测物上的测量光斑、被测物上反射光投射至光纤中的光斑以及光谱仪投射至相机上的光斑，若各光通道的光斑不一致，则各光通道获取的检测数据无法统一，整个线光谱共焦传感器系统的测量可靠性得不到保证。

对点光谱共焦系统来说，只设置一根光纤，形成一个光通道，光通道(光纤)的位置在光轴位置处，故只需要校正轴上像差，没有一致性的要求。但对于线光谱共焦系统而言，其包括百个以上的光通道，各光通道需要在一定范围内都产生色散，由于光通道数量众多，位于非光轴处的光通道距离光轴距离较远，在进行色散及解码时，除需要校正轴上像差外，还需要对慧差、场曲、像散、畸变等轴外像差进行校正，以确保各个光通道亮度、光斑尺寸等尽量保持一致，故如何设计光路，尤其是色散物镜以及光谱仪的光路，以保证数百个光通道的亮度均匀性和精度一致性需要重点关注。

(2)线光谱共焦传感器系统的线长长度大小与测量光斑分辨率大小之间存在矛盾，对于线光谱共焦传感器系统而言，线长长度越长越好，投射的线长决定着一次可以扫描的长度，在确定被测物扫描面积的情况下，线长越长，一次扫描的面积就越大，相应完成扫描的速度就越快，工作效率相应提高；每个光通道都在物体表面上的一个点成像，即形成一个测量光斑，测量光斑越小，系统分辨率和精度越高，即可分辨的被测物尺寸越小，适用的被测物尺寸范围也越大。

其中，各色散物镜投射至被测物上的各测量光斑大小与光通道的通光尺寸相关，通光尺寸越小，则测量光斑越小，分辨率越高，而相同数量的光纤下，光纤直径R越小(对应通光尺寸一般也越小)，对应的线长L＝n*R却越短。通常可通过增加光通道数量以解决上述问题，但是若单纯的增加光通道数量，并不能实际解决线长和分辨率矛盾，因为光通道(光纤)数量增加，又会引入上述非中心位置的光通道的一致性问题，导致光路设计难点过大，同时，还存在成本高、体积与重量过大的问题。

(3)线光谱共焦传感器系统的角度适应性；角度适应性是指可测量样品的最大倾角，若角度特性差会导致众多异形位置无法正常测量。故线光谱共焦传感器系统还需要有足够的测量角度。

发明内容

本发明的目的是提供一种线光谱共焦传感器，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种线光谱共焦传感器，包括：光源、光源光纤、探测光路、色散物镜、光谱仪，所述光源用于产生侦测光；所述光源光纤用于将所述侦测光转换为调制侦测光，所述光源光纤包括与所述光源耦合的第一入光端以及与所述色散物镜耦合的第一出光端；所述色散物镜用于对所述调制侦测光进行轴向色散，所述色散物镜包括沿色散物镜物方至色散物镜像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对所述调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行进一步色散，且经由所述第一透镜组的长焦距f1与所述第二透镜组的短焦距f2配合用于所述色散物镜物方与所述色散物镜像方之间的缩放倍率控制，其中，所述色散物镜物方为所述第一出光端的光纤阵列，所述色散物镜像方为线光谱共焦传感器系统的投出光斑；所述光谱仪光纤用于将被测物的反射光一一对应转入至光谱仪，所述光谱仪光纤包括与色散物镜耦合的第二入光端以及与所述光谱仪耦合的第二出光端；所述光谱仪用于区分回波的波长，在相机上不同像元位置产生图像。

优选的，所述色散物镜物方与所述色散物镜像方之间的缩放倍率为0.04至0.5。

优选的，所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，其中，所述第一透镜用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制色散物镜的物方远心，所述第二透镜用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩光束，产生部分色散；所述第三透镜用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，控制色散物镜的物方远心，并与所述第一透镜、第二透镜配合控制所述第一透镜组的焦距为长焦距。

优选的，所述第二透镜组包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元；所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组的焦距，控制像方远心；第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。

进一步的，所述第一透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜为负小焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至18mm；所述第一透镜单元包括第四透镜，所述第四透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第五透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为150mm至200mm；所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜以及第九透镜；所述第八透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm。

更进一步的，所述第一透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置，所述第二透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置，所述第三透镜为负弯月透镜、朝向色散物镜物方设置；所述第四透镜为双凹透镜；所述第五透镜为正弯月透镜、朝向第一像方设置，所述第六透镜为双凸透镜，第七透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置；所述第八透镜为正弯月透镜，朝向色散物镜物方设置，所述第九透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置。

优选的，所述光谱仪包括第三透镜组、色散组件以及第四透镜组，其中所述第三透镜组用于所述反射光的平行，所述色散组件用于所述反射光的色散；所述第四透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由所述第三透镜组焦距f3和所述第四透镜组焦距f4配合进行所述光谱仪像方与所述光谱仪物方的缩放倍率控制，其中，所述光谱仪像方为所述第二出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像。

进一步的，所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8。

进一步的，所述第三透镜组包括同轴设置的第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜以及第十四透镜；其中所述第十一透镜用于平衡所述反射光的畸变和场曲，压缩所述反射光的光束直径；所述第十二透镜用于平衡所述反射光的场曲和畸变，并进一步压缩所述反射光的光束直径；所述第十三透镜和所述第十二透镜形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第十四透镜和所述第十一透镜形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，并与所述第十三透镜和所述第十二透镜配合以形成大视场；

和/或，所述第四透镜组用于色散后的所述反射光会聚，所述第四透镜组包括同轴设置的第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜、第十八透镜、第十九透镜以及第二十透镜；所述第十五透镜用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第十六透镜用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第十七透镜用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第十八透镜用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第十九透镜和第二十透镜用于消除所述反射光色差。

更进一步的，所述第三透镜组中，所述第十一透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十二透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第十三透镜为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第十四透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm；

所述第四透镜组中，所述第十五透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第十六透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十七透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第十八透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第十九透镜和所述第二十透镜为组成胶合镜，其中，所述第十九透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第二十透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm。

更进一步的，所述第三透镜组中，所述第十一透镜为平凸透镜；所述第十二透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第十三透镜为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置；所述第十四透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第十五透镜为双凹透镜；所述第十六透镜为平凸透镜；所述第十七透镜为双凸透镜；所述第十八透镜为双凸透镜；所述第组成胶合镜的焦距取值范围为-100mm至-50mm。

优选的，所述色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第三透镜组的准直后的反射光的进行色散，经色散后的反射光入射至第四透镜组；

进一步的，所述反射式光栅或透射式光栅倾斜设置，其中倾斜角度范围为10°±10°。

优选的，所述光源光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm；

优选的，所述光谱仪光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm；

优选的，所述线光谱共焦传感器系统还包括均光组件，所述均光组件位于所述光源与光源光纤之间，用于均匀所述侦测光并投射至所述光源光纤中。

本发明所示的一种线光谱共焦传感器中，光源用于发出产生侦测光，光源光纤用于调制所述侦测光并产生百个均匀点光源，光源光纤的多个点光源(即第一出光端)作为色散物镜物方，经过色散物镜的第一透镜组和第二透镜组的配合实现缩放，在像面上形成缩小的线，其中具体的缩放倍率为f2/f1，由于色散物镜使用双远心光路产生色散，物方远心即对边缘非共轴的光路来说，主光线和轴上光线一样同光轴平行，保证了数据点之间的亮度一致；像方远心使得边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行，保证了到达目标点的光的锥角的轴线是相互平行的，从而保证了投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性。色散物镜所形成线状的、经过色散的、均匀的测量光斑投射到被测物上后，配合垂直于线、平行于线的运动台，可实现较大物体的高精度三维扫描和模型重建。

附图说明

图1为光谱共焦传感器的工作原理示意图；

图2为本发明谱共焦传感器一实施例的结构示意图；

图3为色散物镜一实施例的光路结构示意图；

图4为光谱仪一实施例的光路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而非以任何方式限制本发明的保护范围。

在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列相目中的一个或多个的任何和全部组合。在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。

如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图2所示，本发明提供了一种线光谱共焦传感器，包括：光源10、光源光纤20、色散物镜30、光谱仪光纤40、光谱仪50；所述光源10用于产生侦测光；所述光源光纤20包括与所述光源耦合的第一入光端21以及与所述色散物镜30耦合的第一出光端22，光源光纤20用于将所述侦测光转换为调制侦测光；色散物镜30用于对所述调制侦测光进行轴向色散；其中，如图3所示，所述色散物镜30包括沿色散物镜物方至色散物镜像方依次排列的第一透镜组31和第二透镜组32，所述第一透镜组31用于控制物方远心并对所述调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组32用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行进一步色散，经由所述第一透镜组31的长焦距f1与所述第二透镜组的短焦距f2配合用于所述色散物镜物方与所述色散物镜像方之间的缩放倍率控制，其中，所述色散物镜物方为所述第一出光端22的光纤阵列，所述色散物镜像方为线光谱共焦传感器系统的投出光斑；所述光谱仪光纤40包括与色散物镜30耦合的第二入光端41以及与所述光谱仪50耦合的第二出光端42，分光镜60将被测物的反射光投射转入至所述光谱仪光纤40后，所述光谱仪光纤40用于将所述反射光一一对应转入至光谱仪50，所述光谱仪50用于区分回波的波长，在相机上不同像元位置产生图像。

本发明所示的一种线光谱共焦传感器中，光源用于发出产生侦测光，光源光纤20用于调制所述侦测光并产生数百个均匀点光源，光源光纤20的多个点光源(即第一出光端22)作为色散物镜30物方，经过色散物镜30的第一透镜组31和第二透镜组32的配合实现缩放，在像面上形成缩小的线，其中具体的缩放倍率为f2/f1(f1为所述第一透镜组31的焦距，f2为所述第二透镜组32的焦距)，由于色散物镜30使用双远心光路产生色散，物方远心即对边缘非共轴的光路来说，主光线和轴上光线一样同光轴平行，保证了数据点之间的亮度一致；像方远心使得边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行，保证了到达目标点的光的锥角的轴线是相互平行的，从而保证了投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性。色散物镜30所形成线状的、经过色散的、均匀的测量光斑投射到被测物上后，配合垂直于线、平行于线的运动台，可实现较大物体的高精度三维扫描和模型重建。调制侦测光在经过色散物镜30投射到被测物上，不同高度上聚焦光斑的光波长不同，再次经由色散物镜30按原光路返回，经过光谱仪光纤40传输到光谱仪中，以在相机上形成可以判断回波波长的图像，从而可根据波长解算出被测物对应位置处的高度。

线光谱共焦传感器系统中，光源类型主要有白炽灯、卤素灯、荧光灯、气体放电灯(如水银灯、钠灯、氙灯)、LED，其中光源亮度与光源寿命是线光谱共焦传感器系统光源选择的关键考量因素，亮度为测量不同反射率表面的要求，当测量较低反射率的被测物时，如果光源亮度不足，只能靠探测器延长曝光时间或提高增益，这种处理会显著降低探测器的帧率和信噪比；光源寿命短会显著增加光源更换和设备维护成本。本实施例中，作为一优选方案，光源为LED光源，兼顾了亮度、稳定性、寿命和光斑均匀性，且对接光纤耦合效率高，透射光通量大。

如前所述，线光谱共焦传感器系统中，光纤数量(光通道)越多，系统投射的线长越长，系统检测效率也越高，但是光纤数量越多，光学器件的对应尺寸也会越大，对应的光学设计难度过高，故现有的线光谱共焦传感器系统中，光纤阵列的长度通常不大于20mm。作为一优选方案，本发明所示的一种线光谱共焦传感器中，在色散物镜30结构设计基础之上，将光源光纤20的长度设置为25mm至85mm，将色散物镜30物方与所述色散物镜30像方缩放倍率为0.04至0.5之间，以在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度。在其中一实施例中，第一透镜组31焦距f1取值范围为500mm-800mm，第二透镜组32焦距f2取值范围为32mm到250mm。当然，毫无疑问的，本发明所示的线光谱共焦传感器系统中，光纤阵列也可设置为25mm以下，如常规的20mm。

此外，作为一优选方案，本实施例中，在光源与光源光纤20之间还设置了均光组件70，均光组件70用于将光源发出的侦测光均匀处理后进入光源光纤20的第一入光端21。本实施例中，光源光纤20的光通道数量超出常规数量设置，光纤阵列长度大，为确保光源所提供的侦测光能有效覆盖整个光源光纤20，故在光源与光源光纤20之间还设置了均光组件70，以将光源所提供的侦测光扩大且均匀处理后以匹配光纤阵列尺寸，使得侦测光全面覆盖光源光纤20的第一入光端21处，其中，均光组件70可为实心、空心均光棒。

侦测光经光源光纤20调制分光后，光源光纤20第一出光端22处的多个点光源所形成的调制侦测光到达色散物镜30，由色散物镜30对调制侦测光产生色散，使得调制侦测光在被测物上形成一个方向的扩展的、线状的、经过色散的、亮度均匀的测量光斑投射到被测物上。

本实施例中，色散物镜30使用不同的曲率、厚度和材质的透镜组合，以在尽量拉大色散的基础上控制单色像差，包括不限于球差、慧差、场曲、像散、畸变等像差，使系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，对光源光谱中的不同波长均有完善的成像效果，且色散物镜30不使用光栅等色散器件，实现了同轴光路下的色散，发射和接收同光路。

具体而言，如图3所示，色散物镜30包括用于控制物方远心第一透镜组31以及用于控制像方远心的第二透镜组32，其中，所述色散物镜30物方为所述第一出光端22的光纤阵列，所述色散物镜30像方为线光谱共焦传感器系统的投射光斑。

所述第一透镜组31包括同轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3，其中，所述第一透镜L1用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制物方远心，第一出光端22中多根光纤发出的光被转换为空间光后到达第一透镜L1，第一透镜L1将各光线口径初步压缩后到达第二透镜L2，所述第二透镜L2用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩所述调制侦测光的光束口径，产生部分色散；经过第一透镜L1与第二透镜L2调至的光束到达第三透镜L3后，所述第三透镜L3用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，控制物方远心，控制所述第一透镜组31的焦距为长焦距。

其中，通过调整第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3相关参数，实现第一透镜组31的焦距调整；且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。本实施例中，所述第一透镜L1为正长焦距透镜，焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜L2为正长焦距透镜，焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜L3为负小焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至18mm；更进一步的，本实施例中，第一透镜L1为正弯月透镜、朝向色散镜物方设置，第二透镜L2也为正弯月透镜、朝向色散镜物方设置，第三透镜L3为负弯月透镜、朝向色散物镜30物方设置。

所述第二透镜组32包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元；所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组32的焦距，控制像方远心，本实施例中，所述第一透镜单元包括第四透镜L4，经过第一透镜组31处理的调制侦测光通过第四透镜L4后消除所述调制侦测光的球差；第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；本实施例中，所述第二透镜单元包括同轴设置的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。本实施例中，所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜L8以及第九透镜L9。

其中，通过调整第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8以及第九透镜L9的相关参数，实现第二透镜组32的焦距调整；且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。进一步的所述第四透镜L4为负中焦距透镜，焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7，所述第五透镜L5为正长焦距透镜，焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜L6为正长焦距透镜，焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜L7为正长焦距透镜，焦距取值范围为150mm至200mm；所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜L8以及第九透镜L9；所述第八透镜L8为正长焦距透镜，焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜L9为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm。

更进一步的，所述第四透镜L4为双凹透镜，所述第五透镜L5为正弯月透镜、朝向色散物镜30像方设置，所述第六透镜L6为双凸透镜，第七透镜L7为正弯月透镜、朝向色散物镜30物方设置，所述第八透镜L8为正弯月透镜、朝向色散物镜30物方设置，所述第九透镜L9为正弯月透镜、朝向色散物镜30物方设置。

上述色散物镜30通过双远心结构设置，分别控制物方远心和像方远心，可对大范围内的线光源都等效，从而产生均匀线光源的色散，保证测量光斑亮度和精度一致性，并经由第一透镜组31焦距f1和第二透镜组32焦距f2配合形成了缩放，可通过调整第f1与f2的比值，确认色散物镜30缩放倍率β，以根据实际需要，实现系统线长大小的控制。

同时该色散物镜30配合光源光纤20设置，还有效的提高系统的角度适应性，角度大小与缩放倍率β、物方数值孔径NA₁有关，缩放倍率β越小、物方数值孔径NA₁越大，像方数值孔径NA₂就越大，即角度适应性越好。

如上述公式所示，像方的大角度适应性实现主要有两个方面决定，一方面是在小于光纤数值孔径的范围内增大物方孔径NA₁数值，同时这样可以提高光源的效率，但对应的会大大增加光学设计难度和复杂度，且轴上和轴外像差都比较难消除；另一方面由整个色散镜的缩放倍率决定，缩放倍率越小，在物方数值孔径一定的情况下像方数值孔径越大，但缩放倍率还受到色散镜横向分辨率的约束，限制较大，一般不做变化。

本发明所示的线光谱共焦系统中，如前所述，本发明所示的色散物镜30的缩放倍率为0.04至0.5之间，在此基础之上尽量增大物方孔径NA₁数值，通过二者配合，实现系统大线长的情况下，保证了线上所有的点在均匀性和精度上一致，同时实现了目标面上较大的角度适应性，即目标在90度±35度的范围内都可以有光线返回原光纤通道；兼顾了大线长、高一致性与大角度特征。

此外，色散物镜30全部采用单组透镜产生色差，校正其余像差，加工方便、生产简单。

被测物体表面反射的反射光通过光谱仪光纤40传输到光谱仪，光谱仪对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪中的透镜组对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系，以用于后续分析。

本实施例中，光谱仪光纤40的长度设置为25mm至85mm，其具体取值与光源光纤取值相同，被测物上反射光经过色散物镜30、分光棱镜60后到达光谱仪光纤40，由于色散物镜30设置，故被测物上反射光投射至光纤中的光斑的一致性也可得到有效保证。

如前所述，光谱仪投射至相机上的光斑一致性好坏影响着非中心位置的光通道的一致性，为有效接收大尺寸的光谱仪光纤40投射的光源，且确保光谱仪投射至相机上的光斑一致性，本实施例中，作为一优选方案，所述光谱仪包括第三透镜组、色散组件以及第四透镜组，其中所述第三透镜组用于所述反射光的准直，所述色散组件用于所述反射光的色散；所述第四透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由第三透镜组焦距f3和第四透镜组焦距f4配合进行光谱仪像方/光谱仪物方的缩放倍率控制，其中，所述光谱仪物方为所述第二出光端42的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像。

一般光谱仪的结构一般为狭缝、准直部件、色散部件、聚焦部件、相机等；狭缝控制输入的光斑大小，光学系统仅针对轴上像差进行校正，视场仅有轴上视场。而线光谱共焦的光谱仪需要同时对几百个通道的光谱进行同时准直、色散、聚焦和测量，同时需要保证各通道的均一性和准确性；

为了实现各个通道之间的一致性，本发明所示的光谱仪采用了双远心设计：即第三透镜组作为长焦距物方远心，压缩光束直径，保证了通过第三透镜组准直之后各通道的均匀性，同时采用对称结构，更容易平衡轴外像差，增大了物方视场；第四透镜组作为短焦像方远心，同第三透镜组配合形成缩放关系，将成像缩放以适配探测器尺寸，同时形成适当的焦距对光谱进行聚焦和探测器适配，像方远心保证了探测器上各个通道的光亮度一致性；自光源起，分别有匀光器件、双远心色散镜、双远心光谱仪等保证最终探测器像面上光通道的亮度一致性。

作为一优选方案，所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8。在其中一实施例中，第三透镜组焦距f3取值范围为150mm-250mm，第四透镜组的焦距f4取值范围为25mm-120mm。

作为一优选方案，如图4所示，所述第三透镜组包括同轴设置的第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13以及第十四透镜L14；其中，所述第十一透镜L11用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；所述第十二透镜L12用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；所述第十三透镜L13和所述第十二透镜L12形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第十四透镜L14和所述第十一透镜L11形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场，且经由第十三透镜L13组和第四透镜组焦距的配合进行光谱仪像方/光谱仪物方的缩放控制。如前所述，光谱仪光纤40的长度设置为25mm至85mm，光谱仪光纤40的光通道数量超出常规数量设置，光纤阵列长度大，故本实施例中通过对称结构，有效实现光谱仪的大视场，从为确保光谱仪光纤传输的反射光能被光谱仪全部有效接收。

其中，可通过调整第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13以及第十四透镜L14的相关参数，实现第三透镜组的焦距调整，且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。进一步的，所述第十一透镜L11为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十二透镜L12为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第十三透镜L13为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第十四透镜L14为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm。

本实施例中，更进一步的，第十一透镜L11为平凸透镜，用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；第十二透镜L12为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置，用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；第十三透镜L13为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置，且和所述第十二透镜L12形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第十四透镜L14为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置，且和所述第十一透镜L11形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场。

多个点光源组成的反射光经过第三透镜组的准直后，形成平行光入射到色散组件，色散组件用于所述平行光的色散，本实施例中，色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第三透镜组的准直后的反射光的进行色散，经色散后的反射光入射至第四透镜组。

所述第四透镜组用于色散后的反射光聚焦，其包括同轴设置的第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17、第十八透镜L18、第十九透镜L19以及第二十透镜L20；其中，所述第十五透镜L15用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第十六透镜L16用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第十七透镜L17用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第十八透镜L18用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第十九透镜L19和第二十透镜L20配合用于消除色差。

可通过调整第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13以及第十四透镜L14的相关参数，实现第三透镜组的焦距调整，且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。

进一步的，所述第四透镜组中，所述第十五透镜L15为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第十六透镜L16为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十七透镜L17为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第十八透镜L18为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第十九透镜L19和所述第二十透镜L20为组成胶合镜，其中，所述第十九透镜L19为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第二十透镜L20为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm。

更进一步的，本实施例中，其中第十五透镜L15为双凹透镜，用于平衡反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；第十六透镜L16为平凸透镜，用于补偿反射光的球差、慧差，控制像散；压缩光束发散角；第十七透镜L17为双凸透镜，用于进一步压缩反射光光束的发散角；消除像散和畸变；第十八透镜L18为双凸透镜，为用于控制反射光的球差、慧差，是主要的聚光器件，用于进一步压缩反射光光束的发散角；第十九透镜L19和第二十透镜L20为组成胶合镜，用于消除色差。

此外，本实施例中，光栅倾斜的角度范围10°±10°，以用于消除杂散光。入射光经色散物镜30色散后一般会产生反射光、0级、±1级、±2级…等衍射光，通常为兼顾效率和分辨率，一般使用+1级或-1级光，此时，反射光和其他衍射级的衍射光就成为了杂光。为了提高系统信噪比，本实施例中，将光栅进行倾斜安装，角度为10°±10°，即可讲光栅倾斜一定角度设置，也可将光栅角度设置为0度，以避免反射光反射到光纤端面附近形成杂光，另外本实施例中还将镜筒内侧涂黑处理，以消除其余级次的衍射光。

此外，本发明所示的光谱共焦传感器还考虑到光源光纤20、色散镜、光谱仪光纤40、以及光谱仪的光谱一致性的匹配问题；光源光纤20、光谱仪光纤40由于材料限制存在最佳通光波长，色散镜有设计波长，光谱仪中色散器件也有适应波长的要求，本实施例中，将四者的工作波段相同设置以协作共同使用。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种线光谱共焦传感器，包括：光源、光源光纤、色散物镜、光谱仪、光谱仪光纤，其特征在于：

所述光源用于产生侦测光；

所述光源光纤用于将所述侦测光转换为调制侦测光，所述光源光纤包括与所述光源耦合的第一入光端以及与所述色散物镜耦合的第一出光端；

所述色散物镜用于对所述调制侦测光进行轴向色散，所述色散物镜包括沿色散物镜物方至色散物镜像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对所述调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行进一步色散，且经由所述第一透镜组的长焦距f1与所述第二透镜组的短焦距f2配合用于所述色散物镜物方与所述色散物镜像方之间的缩放倍率控制，其中，所述色散物镜物方为所述第一出光端的光纤阵列，所述色散物镜像方为线光谱共焦传感器系统的投出光斑；

所述光谱仪光纤用于将被测物的反射光一一对应转入至光谱仪，所述光谱仪光纤包括与色散物镜耦合的第二入光端以及与所述光谱仪耦合的第二出光端；

所述光谱仪用于区分回波的波长，在相机上不同像元位置产生图像；

其中，所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜为正长焦距透镜，所述第二透镜为正长焦距透镜，所述第三透镜为负小焦距透镜；

所述第二透镜组包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元，所述第一透镜单元包括第四透镜，所述第四透镜为负中焦距透镜，所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第五透镜为正长焦距透镜，所述第六透镜为正长焦距透镜，第七透镜为正长焦距透镜，所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜以及第九透镜，所述第八透镜为正长焦距透镜，所述第九透镜为正短焦距透镜。

2.根据权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述色散物镜物方与所述色散物镜像方之间的缩放倍率为0.04至0.5。

3.根据权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第一透镜用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制色散物镜的物方远心，所述第二透镜用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩光束，产生部分色散；所述第三透镜用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，控制色散物镜的物方远心，并与所述第一透镜、第二透镜配合控制所述第一透镜组的焦距为长焦距；

所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组的焦距，控制像方远心；第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。

4.根据权利要求3所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于，所述第一透镜的焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜的焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜的焦距取值范围为-40mm至18mm；所述第四透镜的焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第五透镜的焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜的焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜的焦距取值范围为150mm至200mm；所述第八透镜的焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜的焦距取值范围为30mm至60mm。

5.根据权利要求4所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于，所述第一透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置，所述第二透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置，所述第三透镜为负弯月透镜、朝向色散物镜物方设置；所述第四透镜为双凹透镜；所述第五透镜为正弯月透镜、朝向第一像方设置，所述第六透镜为双凸透镜，第七透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置；所述第八透镜为正弯月透镜，朝向色散物镜物方设置，所述第九透镜为正弯月透镜、朝向色散物镜物方设置。

6.根据权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述光谱仪包括第三透镜组、色散组件以及第四透镜组，其中所述第三透镜组用于所述反射光的平行，所述色散组件用于所述反射光的色散；所述第四透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由所述第三透镜组焦距f3和所述第四透镜组焦距f4配合进行所述光谱仪像方与所述光谱仪物方的缩放倍率控制，其中，所述光谱仪物方为所述第二出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像。

7.根据权利要求6所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8。

8.根据权利要求6所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第三透镜组包括同轴设置的第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜以及第十四透镜；其中所述第十一透镜用于平衡所述反射光的畸变和场曲，压缩所述反射光的光束直径；所述第十二透镜用于平衡所述反射光的场曲和畸变，并进一步压缩所述反射光的光束直径；所述第十三透镜和所述第十二透镜形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第十四透镜和所述第十一透镜形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，并与所述第十三透镜和所述第十二透镜配合以形成大视场；

所述第四透镜组用于色散后的所述反射光会聚，所述第四透镜组包括同轴设置的第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜、第十八透镜、第十九透镜以及第二十透镜；所述第十五透镜用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第十六透镜用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第十七透镜用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第十八透镜用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第十九透镜和第二十透镜用于消除所述反射光色差。

9.根据权利要求8所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第三透镜组中，所述第十一透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十二透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第十三透镜为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第十四透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm；

所述第四透镜组中，所述第十五透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第十六透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第十七透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第十八透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第十九透镜和所述第二十透镜为组成胶合镜，其中，所述第十九透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第二十透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm。

10.根据权利要求9所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第三透镜组中，所述第十一透镜为平凸透镜；所述第十二透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第十三透镜为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置；所述第十四透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第十五透镜为双凹透镜；所述第十六透镜为平凸透镜；所述第十七透镜为双凸透镜；所述第十八透镜为双凸透镜；所述组成胶合镜的焦距取值范围为-100mm至-50mm。

11.根据权利要求6所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第三透镜组的准直后的反射光进行色散，经色散后的反射光入射至第四透镜组；

所述反射式光栅或透射式光栅倾斜设置，其中倾斜角度范围为10°±10°。

12.根据权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述光源光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm；

所述光谱仪光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm；

所述线光谱共焦传感器系统还包括均光组件，所述均光组件位于所述光源与光源光纤之间，用于均匀所述侦测光并投射至所述光源光纤中。

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