[发明专利]一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统及其工作方法

说明书

一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜、正柱面镜和感光元件，所述入射光依次穿过平凸透镜的凸面侧和平面侧，所述入射光依次穿过正柱面镜的凸柱面侧和平面侧，所述近红外光最终进入感光元件。用于对1350nm至1550nm波段的近红外光进行光束整形和能量汇聚，该系统采用两片透镜，目的是将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，不但减少光能损失，而且有利于降低系统的整体成本和体积。

技术领域

本发明涉及一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统及其工作方法，属于光学系统的技术领域。

技术背景

传统近红外光谱仪通常只用于实验室内待分析样品的图谱检测，无探测距离，漫反射光纤光谱仪的探测距离也都在厘米数量级；航天遥感常用的成像光谱仪，虽然可以实现大面积远距离同步观测，但其数据获取成本较高，数据精细程度不足，且无室内感知能力。在微型近红外光谱仪的基础上首次发展了一种被动光源近红外光谱感知节点，用于构建新型光谱传感物联网，可实现对局部范围内物质成分的实时动态感知。光谱感知节点拟采用太阳光作为光源，远距离探测地面物体或其它待测物体的漫反射光谱，进而利用化学计量学等算法实现待测物体内在成分的动态感知。随着探测距离的提高，因大气散射和吸收等作用导致到达感光元件的入射光能量降低；此外，在太阳光线较弱的天气条件下，入射光强度也会相应变弱。为此，需要为节点设计专门的入射光学系统：一方面用于光束整形，将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，从而减少光能损失，提高能量利用率，进而提高感知节点的探测距离；另一方面用于限制系统视场范围，提高系统信噪比，减小杂散光对分析结果的影响。目前，具有光束整形和能量汇聚作用的光谱感知节点入射光学系统尚未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统。

本发明还提供上述光学系统的工作方法。

发明概述

一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，用于对1350nm至1550nm波段的近红外光进行光束整形和能量汇聚，该系统采用两片透镜，目的是将入瞳处圆形光束整形为与线列探测器光敏面尺寸相一致的线条型光束，不但减少光能损失，而且有利于降低系统的整体成本和体积。

本发明的技术方案如下：

一种用于近红外光谱感知节点的入射光学系统，包括近红外光光源、沿入射光传播方向依次设置的平凸透镜、正柱面镜和感光元件，所述入射光依次穿过平凸透镜的凸面侧和平面侧，所述入射光依次穿过正柱面镜的凸柱面侧和平面侧，所述近红外光最终进入感光元件。本发明的基本原理为：平凸透镜光焦度为正，具有各向同性的光学特点，对入射光线起到汇聚作用；正柱面镜只在单一方向，图2中竖直方向有光焦度，在水平方向无屈光能力，两片镜片相匹配后竖直方向的屈光能力高于水平方向，这样即可实现将入瞳处的圆形光束整形为光敏元处的线条形光束。

根据本发明优选的，所述近红外光光源为太阳光照射待探测物体后的反射光，具体是波长范围为1350nm至1550nm波段的近红外光。

根据本发明优选的，所述平凸透镜的凸面侧的曲率半径为52.51mm；所述正柱面镜的凸柱面侧的曲率半径为51.85mm。

根据本发明优选的，所述平凸透镜的焦距为101.6mm、中心厚度为4mm，通光孔径为25.4mm。

根据本发明优选的，所述正柱面镜的焦距为100mm、中心厚度为3.16mm，通光孔径为25mm。

优选的，所述平凸透镜和正柱面镜均由H-K9L冕牌玻璃制成。优选的，所述平凸透镜的焦距公差±1％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm；所述正柱面镜的焦距公差±2％，尺寸公差0.0-0.1mm，中心厚度公差±0.1mm。