CN102103265B

CN102103265B - 一种单镜头多光谱成像光学系统

Info

Publication number: CN102103265B
Application number: CN2010106143763A
Authority: CN
Inventors: 王茜蒨; 彭中; 林幼娜
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102103265A

Abstract

本发明涉及一种单镜头多光谱成像光学系统，属于遥感探测技术领域。具体包括多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜、可见光面阵探测器、红外面阵探测器和激光面阵探测器。其中第一分束镜反射可见光、透射红外和激光；第二分束镜反射激光、透射红外；多光谱复消色差镜头、第一分束镜和第二分束镜采用具有从可见光到长波红外波段高透过率性能的材料制成，优选为化学气相沉积硫化锌。本发明实现了用一个单镜头进行多光谱成像的功能，可以得到从可见光到长波红外波段的图像，成像性能优越；光谱覆盖范围大；可广泛用于航空摄影，以及农林、地质地理、水文海洋等领域的遥感探测。

Description

一种单镜头多光谱成像光学系统

技术领域

本发明涉及一种单镜头多光谱成像光学系统，属于遥感探测技术领域。

背景技术

多光谱相机是采用对所成像波段透过率高的材料制作成成像物镜，与滤光片、分束镜等组成光学系统，将同一景物的辐射及反射光束，按不同的波长分成若干波段，分别同时记录下来，得到一组同一景物不同光谱段内的图像。

多光谱相机多用于航空摄影，是农林、地质地理、水文海洋等领域中的一种重要研究手段，也是军事侦察的一种重要手段，是一种极为重要的遥感技术。多光谱成像光学系统是多光谱相机中的重要组成部分，其作用是将所拍摄景物的图像信息按不同的光谱波段分开，分别成像在相应的感光材料上，从而得到同一景物不同光谱波段内的图像。多光谱相机成像质量的好坏主要取决于多光谱成像光学系统的性能。

现有的多光谱相机的成像光学系统大体可分以下三大类：

1.多照相机型：采用几架照相机组装而成的方法，每架照相机配有不同的滤光片和胶片组合，其优点是照相机的数量、滤光片和胶片的种类可按不同的目的和要求自由选择，缺点是结构庞大复杂。

2.多镜头型：是用一台照相机，把n个镜头和滤光片、分束镜配合起来，在一张胶片上拍摄各种谱段的黑白照片。它的优点是，在一张胶片上同步拍摄到不同谱段的影像，同时显示处理便于保存。

3，一个镜头、光束分离型：它是通过一个镜头，经过照相机内的二向色分光镜，分成几个谱段，拍出各谱段的黑白照片。这种系统利用组合棱镜分光，结构复杂，体积庞大，制作和使用复杂。现在通常使用的是一种四个谱段照相机，四个波段多为红、蓝、绿和近红外。光谱范围窄，只能从可见光到近红外。

以上三种类型的多光谱成像光学系统的缺点是：a.结构复杂，b.覆盖波段窄，c.体积庞大，d.使用不方便。

发明内容

本发明为解决现有多光谱成像光学系统存在的问题，提出了一种单镜头多光谱成像光学系统。

一种单镜头多光谱成像光学系统，包括多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜、可见光面阵探测器、红外面阵探测器和激光面阵探测器。

各组成部分的连接关系为：多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜和红外面阵探测器按前后顺序依次排列，中心位于同一直线上；第一分束镜和第二分束镜按一定角度倾斜安装，双胶合透镜位于第一分束镜下方，处于第一分束镜和可见光面阵探测器之间；可见光面阵探测器位于双胶合透镜下方的由多光谱复消色差镜头与双胶合透镜组合的可见光消像差光学系统的焦平面上；激光面阵探测器位于第二分束镜上方的焦平面上；红外面阵探测器位于多光谱复消色差镜头的焦平面上。

所述的多光谱复消色差镜头由三个采用对可见光、激光以及红外有高透过率的材料制作的透镜排列而成，负责对红外与激光的聚焦成像。

所述的第一分束镜采用对激光和红外有高透过率特性的材料制作，并镀多层介质膜，起到反射可见光、透射红外和激光的作用。

所述的第二分束镜采用对红外有高透过率特性的材料制作，并镀多层介质膜，起到反射激光、透射红外的作用。

所述的双胶合透镜由采用普通光学玻璃制作的一个双胶正透镜和一个双胶负透镜组成；并与多光谱复消色差镜头以及第一分束镜一起构成可见光消像差成像光学系统，负责对景物反射的可见光进行聚焦成像。

所述的可见光面阵探测器采用能响应可见光的成像器件，优选为可见光CCD成像器件，其作用是将成像到其光敏面上的可见光图像转换成电子图像信号。

所述的红外面阵探测器根据相机所要求成像的红外光谱波段不同，采用能响应相应波段红外辐射的成像器件，优选为锑化铟(InSb，针对3～5μm红外光谱波段)或碲镉汞(HgTeCd，针对8～14μm红外光谱波段)红外成像器件；其作用是将成像到其光敏面上的红外图像转换成电子图像信号。

所述的激光面阵探测器根据相机所要求成像的激光波长不同，采用可见光或红外成像器件，其作用是将成像到其光敏面上的激光图像转换成电子图像信号。

本发明的单镜头多光谱成像光学系统的工作过程为：从可见光到长波红外的全波段光辐射入射后，红外光辐射透过多光谱复消色差镜头和两块分束镜，聚焦在多光谱复消色差镜头的焦平面；外界景物辐射的红外图像成像在置于该焦平面的红外面阵探测器的光敏面上，经光电转换与处理后得到景物清晰的红外图像。激光则通过多光谱复消色差镜头后透过第一分束镜，经第二分束镜反射后聚焦在光轴上方的焦平面；外界景物反射的激光图像成像在置于该焦平面的激光面阵探测器的光敏面上，经过光电转换与处理后得到景物清晰的激光图像。来自外界景物的可见光则经由多光谱复消色差镜头、第一分束镜和双胶合透镜组成的光学系统后，成像在第一分束镜下方焦平面处的可见光面阵探测器的光敏面上，经过光电转换与处理后得到景物清晰的可见光图像。

本发明的单镜头多光谱成像光学系统中，第一分束镜的特性也可以是反射红外，透射可见光和激光，此时第二分束镜相应为反射激光，透射可见光，且红外面阵探测器、激光面阵探测器、双胶合透镜和可见光面阵探测器的位置做相应调整为：红外探测器位于第一分束镜下方的焦平面上，激光探测器位于第二分束镜上方的焦平面上，双胶合透镜位于第二分束镜后方，可见光探测器位于可见光消像差成像光学系统的焦平面上。采用这种结构的优点在于：第一分束镜和第二分束镜可以采用普通玻璃镀多层介质膜制成，而不需要采用特殊材料，从而可以降低成本。

有益效果

本发明的单镜头多光谱成像光学系统实现了用一个单镜头进行多光谱成像的功能，可以得到从可见光到长波红外全波段的图像，成像性能优越。利用本发明的多光谱成像光学系统所制作的多光谱相机与现有三种多光谱相机相比有以下优点：

1、与单一镜头分束型且相机波段只能从可见光到近红外1.06μm波长范围的多光谱相机相比，光谱覆盖范围大十几倍；

2、与多照相机，多镜头型多光谱相机相比，在结构与光学镜头上都是用一套代替多套；

3、操作方便，光电成像器件装调好后，可重复使用，所生成的目标场景的电子图像可以进行显示和存储，无需每次装放胶卷、冲洗胶卷等复杂过程。

本发明的单镜头多光谱成像光学系统可广泛用于航空摄影，以及农林、地质地理、水文海洋等领域的遥感探测。

附图说明

图1为本发明的单镜头多光谱成像光学系统示意图，其中第一分束镜的特性为反射可见光、透射红外和激光；

图2为本发明的单镜头多光谱成像光学系统示意图，其中第一分束镜的特性为反射红外、透射可见光和激光。

标号说明

1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第一分束镜，5-第二分束镜，6-双胶正透镜，7-双胶负透镜，8-可见光面阵探测器，9-红外面阵探测器，10-激光面阵探测器。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

本发明的单镜头多光谱成像光学系统包括多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜、可见光面阵探测器、红外面阵探测器和激光面阵探测器，如图1所示。其中多光谱复消色差镜头由第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3组成，三块透镜由化学气相沉积硫化锌材料制作且共轴。三块透镜组与第一分束镜4、第二分束镜5以及红外面阵探测器10的排列顺序为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第一分束镜4、第二分束镜5和红外面阵探测器10；第一分束镜4、第二分束镜5和红外面阵探测器9的中心在并排的三块透镜的光轴上，第一分束镜4和第二分束镜5按一定角度倾斜安装。第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第一分束镜4和第二分束镜5构成红外成像系统和激光成像系统，红外面阵探测器9位于第二分束镜5后方的焦平面上，激光面阵探测器10位于第二分束镜5上方的焦平面上。双胶正透镜6、双胶负透镜7和可见光面阵探测器8位于第一分束镜4下方。第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第一分束镜4、双胶正透镜6和双胶负透镜7构成一个可见光成像系统，可见光面阵探测器8位于该可见光成像系统的焦平面上。

从可见光到长波红外的全波段光辐射入射后，红外光辐射透过三块硫化锌透镜组和两块分束镜后聚焦在红外面阵探测器9的光敏面上；激光则通过三块硫化锌透镜组后透过第一分束镜，经第二块分束镜反射在光轴上方的激光面阵探测器10的光敏面上；可见光则经由三块硫化锌透镜组、第一个分束镜和双胶合透镜组成的光学系统后，在第一分束镜下方可见光面阵探测器8的光敏面上，经过光电转换与处理后得到景物清晰的红外、激光和可见光图像。

本实施例中选用一种新型的光学材料——化学气相沉积硫化锌(CVDZnS)，该材料具有从可见光到长波红外波段高透射性，能够满足多波段复合使用要求。利用CVD ZnS材料制成第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第一分束镜4和第二分束镜5。第一分束镜4和第二分束镜5经真空镀多层介质膜，使第一分束镜4反射可见光、透射激光和红外光(波长范围为0.8～5μm，8～14μm)；使第二分束镜5反射激光，透射红外光(波长范围为3～5μm，8～14μm)。

本实施例的光学系统中第一透镜1与第二透镜2之间的距离为0.5mm，第二透镜2和第三透镜3之间的距离为7.5mm，第三透镜3与第一分束镜4之间的距离为11mm，第一分束镜4与第二分束镜5之间的距离为14mm，第一分束镜4中心与双胶正透镜6之间的距离为11mm。其中第一透镜1直径为28mm，厚度为6mm，焦距为134.065mm；第一透镜2直径为28mm，厚度为6mm，焦距为142.114mm；第三透镜3直径为28mm，厚度为6mm，焦距为1543.5mm；双胶正透镜6直径为12mm，厚度为4mm，焦距为29.89mm；双胶负透镜7直径为12mm，厚度为6.5mm，焦距为-43.6mm。红外成像系统的组合焦距为70.42mm，红外面阵探测器9放置在红外成像系统的组合焦距的焦平面上；激光成像系统的组合焦距为68.78mm，激光面阵探测器10放置在激光成像系统的组合焦距的焦平面上；可见光成像系统的组合焦距为48.7mm，可见光面阵探测器8放置在可见光成像系统的组合焦距的焦平面上，光学系统图如图1所示。

作为本发明的第二种实施方式：第一分束镜4采用普通玻璃镀成，具有反红外，透可见光和激光特性，此时第二分束镜5相应也采用普通玻璃镀成，具有反激光，透可见光特性，且红外面阵探测器、激光面阵探测器和可见光面阵探测器的位置相应调整为图2所示：红外面阵探测器9位于第一分束镜4下方的焦平面上，激光面阵探测器10位于第二分束镜5上方的焦平面上，双胶合透镜7位于第二分束镜5后方，可见光面阵探测器8位于由三块化学气相沉积硫化锌透镜组成的多光谱复消色差镜头与双胶合透镜组合而成的可见光消像差光学系统的焦平面上。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：包括多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜、可见光面阵探测器、红外面阵探测器和激光面阵探测器；

上述各组成部分的连接关系为：多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜和红外面阵探测器按前后顺序依次排列，中心位于同一直线上；第一分束镜和第二分束镜按一定角度倾斜安装，双胶合透镜位于第一分束镜下方，处于第一分束镜和可见光面阵探测器之间；可见光面阵探测器位于双胶合透镜下方的由多光谱复消色差镜头、第一分束镜与双胶合透镜组合的可见光消像差光学系统的焦平面上；激光面阵探测器位于第二分束镜上方的焦平面上；红外面阵探测器位于多光谱复消色差镜头的焦平面上；

所述的多光谱复消色差镜头由三个采用具有从可见光到长波红外波段高透射性的化学气相沉积多光谱硫化锌材料制成的透镜排列而成，负责对红外与激光的聚焦成像；

所述的第一分束镜采用对激光和红外有高透过率特性的材料制作，并镀多层介质膜，起反射可见光、透射红外和激光的作用；

所述的第二分束镜采用对红外有高透过率特性的材料制作，并镀多层介质膜，起反射激光、透射红外的作用。

2.根据权利要求1所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的双胶合透镜由采用普通光学玻璃制作的一个双胶正透镜和一个双胶负透镜组成；并与多光谱复消色差镜头以及第一分束镜一起构成对可见光消像差的成像光学系统，负责对景物反射的可见光进行聚焦成像。

3.根据权利要求1所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的可见光面阵探测器采用能响应可见光的成像器件，其作用是将成像到其光敏面上的可见光图像转换成电子图像信号。

4.根据权利要求3所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述可见光面阵探测器采用可见光CCD成像器件。

5.根据权利要求1所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的红外面阵探测器根据相机所要求成像的红外光谱波段不同，采用能响应相应波段红外辐射的成像器件；其作用是将成像到其光敏面上的红外图像转换成电子图像信号。

6.根据权利要求1所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的激光面阵探测器根据相机所要求成像的激光波长不同，采用可见光或红外成像器件，其作用是将成像到其光敏面上的激光图像转换成电子图像信号。

7.根据权利要求1所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的第一分束镜和第二分束镜采用化学气相沉积硫化锌材料制成。

8.根据权利要求5所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的红外面阵探测器优选为锑化铟或碲镉汞红外成像器件；其中锑化铟器件主要用于响应3～5μm红外光谱波段，碲镉汞器件主要用于响应8～14μm红外光谱波段。

9.一种单镜头多光谱成像光学系统，包括多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜、可见光面阵探测器、红外面阵探测器和激光面阵探测器；

上述各组成部分的连接关系为：多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜、双胶合透镜和可见光面阵探测器按前后顺序依次排列；第一分束镜和第二分束镜按一定角度倾斜安装，双胶合透镜位于第二分束镜后方，处于第二分束镜和可见光面阵探测器之间；可见光面阵探测器位于双胶合透镜后方的由多光谱复消色差镜头、第一分束镜、第二分束镜与双胶合透镜组合的可见光消像差光学系统的焦平面上；激光面阵探测器位于第二分束镜上方的焦平面上；红外面阵探测器位于第一分束镜下方的焦平面上；

所述的多光谱复消色差镜头由三个采用具有从可见光到长波红外波段高透射性的化学气相沉积多光谱硫化锌材料制成的透镜排列而成；

所述第一分束镜反射红外，透射可见光和激光；第二分束镜反射激光，透射可见光。

10.根据权利要求9所述的一种单镜头多光谱成像光学系统，其特征在于：所述第一分束镜和第二分束镜采用普通玻璃镀多层介质膜制成。