CN103412407A - 多谱段图像采集系统 - Google Patents

Abstract

多谱段图像采集系统，包括第一分光镜、第二分光镜、热红外波段成像系统、日盲紫外波段成像系统和可见光波段成像系统，所述热红外波段成像系统的成像波段为7.5μm—14μm，所述日盲紫外波段成像系统的成像波段为190nm—285nm，所述可见光波段成像系统的成像波段为400nm—700nm；所述第一分光镜与光轴成45°夹角放置，将目标光束中波长为7.5μm—14μm的光透射至所述热红外波段成像系统，将目标光束中含有日盲紫外波段和可见光波段的光信号的部分反射至所述第二分光镜中；所述第二分光镜与第一分光镜平行，第二分光镜将所述目标光束中余下部分的光束中波长为400nm—700nm的可见光透射或反射至可见光波段成像系统，将光束波长为190nm—285nm的日盲紫外光反射或透射至日盲紫外波段成像系统。

Description

多谱段图像采集系统

技术领域

本发明涉及一种图像采集系统，尤其是一种基于日盲紫外、热红外以及可见光/微光的多谱段图像采集系统。

背景技术

目前，很多领域的监测工作都是以光学手段为基础进行的。基于光学手段，可以进行从紫外到可见光再到红外波段的很大波长范围的探测，可以用来监测多种问题。

现有技术中单一波段成像技术，如可见光成像技术、微光成像技术、热红外成像技术、日盲紫外成像技术等，都有其各自特殊的应用方向，分别具有其他成像手段不可替代的优点。其中日盲紫外成像技术作为一种新兴的高科技技术，可以对波长范围为190nm—285nm波段的日盲紫外光成像而完全不受太阳光背景、雨雾等恶劣天气环境的影响，并且可探测距离长、探测灵敏度高，在很多领域的应用中优势极为明显。如在电网安全故障监测中：可通过日盲紫外成像技术来监测故障区域因电晕放电所产生的日盲紫外光，并以此来辨别故障问题。用日盲紫外监测可以发现设备早期故障，便于及时维护；红外监测主要通过监测电力设备的温度变化判别其工作正常与否，但红外背景复杂，且检测到的故障属于中晚期；可见光监测则通过常见的安全监控产品（如普通摄像机）成像画面发现设备的表面缺陷及污损，通常情况下，由可见光发现的设备故障都属晚期故障。而这三种光学监测方法几乎覆盖了所有电网光学监测手段，若能将其同步到同一个监测系统中，组合成一个多谱段成像系统，将能最大限度的捕捉电网安全故障的光学特征，全面诊断电网故障点，满足电网实际需求。

目前应用多波段成像技术（尤其是热红外与其他波段）同时对同一目标场景进行成像时，由于不同波段的光成像时对光学成像系统的要求（如探测器种类、光学材料等）差异很大，若设计一个光学系统，其工作波段同时覆盖热红外波段、日盲紫外波段和可见光波段，并且要使得成像无视差，不仅耗费成本，在技术上甚至难以实现。因而现行技术中对同一场景进行多个波段同时成像时，往往是将不同种类的成像通道对准目标场景进行单独成像，但这样各自得到的图像会因视差而不便直接合成。因此如何设计一个光学系统可以同时对同一个场景无视差的多波段图像、并合成输出，一直以来都是一个技术难题。

中国发明专利说明书CN 102323670 A公开了一种紫外、可见光和近红外三波段光学成像系统。其工作波段分别为：紫外波段的0.30—0.38μm；可见光波段的0.40—0.65μm；近红外波段的0.76—1.0μm。该系统包括玻璃窗口、三波段分光棱镜、紫外波段系统、可见光波段系统和近红外波段系统。其工作时，目标光束经玻璃窗口透射至三波段分光棱镜，所述三波段分光棱镜的第一胶合面反射紫外光束，透射可见光光束和近红外光束，该反射的紫外光束入射至紫外波段系统，形成紫外波段图像；透射的可见光光束和近红外光束入射至三波段分光棱镜的第二胶合面，所述第二胶合面反射可见光光束，透射近红外光束，该反射的可见光光束入射至可见光波段系统，形成可见光波段图像，而透射的近红外光束入射至近红外波段系统，形成近红外波段图像。

上述说明书公开的系统能够获得同一时刻的目标在0.3—1.0μm波长范围内三个波段的图像信息。但是其成像时采用0.76—1.0μm的近红外波段和0.30—0.38μm的紫外波段往往不能满足实际需求，因为近红外波段成像无法灵敏探测热源位置。并且0.30—0.38μm的紫外成像受太阳背景等影响较大，不利于在白天阳光强烈的的情况下使用，而日盲紫外波段成像则可以克服这些缺点。因此该系统所描述的结构并不能实现一种日盲紫外波段、可见光波段和热红外波段的多谱段成像系统，且其所有组件都需要自行设计，不仅实现困难而且成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三通道无视差的图像采集系统，具体的说，是一种基于日盲紫外、热红外以及可见光或微光的多谱段图像采集系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

多谱段图像采集系统，包括第一分光镜、第二分光镜、热红外波段成像系统、日盲紫外波段成像系统和可见光波段成像系统，所述热红外波段成像系统的成像波段为7.5μm—14μm、所述日盲紫外波段成像系统的成像波段为190nm—285nm、所述可见光波段成像系统的成像波段为400nm—700nm；所述第一分光镜与光轴成45°夹角放置，将目标光束中含有波长为7.5μm—14μm 的热红外光透射至所述热红外波段成像系统，将目标光束中含有日盲紫外和可见光波段部分的光束反射至所述第二分光镜中；所述第二分光镜与所述第一分光镜平行，所述第二分光镜与第一分光镜平行，第二分光镜将所述目标光束中余下部分的光束中波长为400nm —700nm的可见光透射或反射至可见光波段成像系统，将波长为190nm—285nm的日盲紫外光反射或透射至日盲紫外波段成像系统。

所述热红外波段成像系统由热红外光学镜头和热红外成像器件组成，所述热红外光学镜头对波长范围为7.5μm—14μm以内的热红外光信号聚焦成像。

所述日盲紫外波段成像系统由日盲紫外光学镜头、日盲紫外滤光片和日盲紫外成像器件组成，所述日盲紫外光学镜头对190nm-285nm范围以内的日盲紫外光信号聚焦成像，所述日盲紫外滤光片透射波段在190nm—285nm的日盲紫外波段中，而完全抑制日盲紫外波段以外的光信号；所述日盲紫外成像器件为AlGaN、SiC或日盲型ICCD等对日盲紫外波段灵敏探测的成像器件；日盲紫外滤光片放置在日盲紫外光学镜头之前或之后。

所述可见光波段成像系统由可见光光学镜头和可见光成像器件组成，其工作波长在400nm—700nm的可见光波段以内。

所述第一分光镜选用硅或锗等热红外光学材料，入射面覆有镀膜层，以反射波长范围在700nm以下的光，因而使得第一分光镜可以对波长范围为7.5-14μm 的光透射率达到90%以上，而对波长范围为190nm—700nm的光反射率很高。

所述第二分光镜的入射面或后表面覆有镀膜层，使得所述第二分光镜对波长范围为190nm—285nm的日盲紫外光反射率高，对于波长范围为400nm—700nm的可见光透射率高。或者是，所述第二分光镜的入射面或后表面覆有镀膜层，使得所述第二分光镜对波长范围为190nm—285nm的日盲紫外光透射率高，对于波长范围为400nm—700nm的可见光反射率高。

作为本发明的进一步改进，所述第一、第二分光镜之间还设有用于聚焦的光学镜头。所述光学镜头的材料为熔融石英、氟化钙或氟化镁等日盲紫外波段的光学材料，其对日盲紫外波段、可见光波段的光具有高透率，对于高纯度的熔融石英，如JGS1牌号的紫外熔融石英，其透过率可达到90%以上。作为本发明的进一步改进，所述第二分光镜和可见光成像系统之间可附加反射镜，所述反射镜和所述第一、第二分光镜相互平行；所述第二分光镜的透视光经所述反射镜进入所述可见光成像系统。该技术方案能够减小系统体积。

作为本发明的进一步改进，所述可见光成像系统中，在可见光光学镜头和可见光成像模块之间可设有可见光滤光片，用于选择工作波段；也可将可见光滤光片放置在可见光镜头之前。

作为本发明的进一步改进，所述可见光滤光片为多波段滤光片转轮，多波段滤光片转轮上设置多个滤光片，每个滤光片的带通波长范围不同。 

作为本发明的进一步改进，所述可见光成像模块为微光成像系统，该微光成像系统中成像镜头F数较小，用于探测更微弱的光信号，同时探测器为具有图像增强功能的探测器，如ICCD、EMCCD等。

其中日盲紫外波段成像系统只对波长范围为190-285nm的波段成像，像源信号单一，所成的图像完全无来自太阳光的背景噪声。

本发明的多谱段图像采集系统可以有两种结构，一种是配置普通可见光波段成像设备，在白天使用；另一种是配置微光波段成像设备，便于在黑夜或光线较暗的情况下使用。

与现行技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明将日盲紫外成像技术与传统红外、可见光/微光成像技术相融合，充分利用各个波段光的特性，增加了本发明系统的性能和在各种平台上的通用性。

2、本发明所述的各个光谱段成像系统的成像图景来源于同一光束，确保在多波段图像融合时整个光学系统的光轴平行度高；

3、各个光谱段的成像系统共用一个光学孔径，三个成像装置成平行放置，极大的减少了系统的体积，满足了实际应用中对体积的要求；

4、将多种成熟的成像方式集成在同一个系统中，节约成本。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例1第一分光镜镀膜层对不同波长范围光的透射率曲线图；

图3是本发明实施例1第二分光镜镀膜层对不同波长范围光的透射率曲线图；

图4是本发明实施例2结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

图1所示为本发明一种日盲紫外、热红外以及可见光的多谱段成像系统。为了减小系统体积、提高共轴精度，本发明多谱段共用同一透镜组，期间利用分光镜使目标光束分别进入各成像设备。采用此三通道光路，不仅成本较低，而且所成图像无视差，便于后续图像合成。其中各成像模块的成像波段分别如下：热红外波段：7.5μm—14μm；日盲紫外波段：190nm—285nm；可见光波段：400nm—700nm。

如图1所示，多谱段图像采集系统，由第一分光镜1、第二分光镜2、反光镜3、热红外波段成像系统4、日盲紫外波段成像系统5和可见光波段成像系统6组成。第一分光镜与光轴成45度夹角放置，含有波长为7.5μm—14μm 的热红外光透射至所述热红外波段成像系统4，将目标光束中含有日盲紫外和可见光波段部分的光束反射至所述第二分光镜2中；第二分光镜2与第一分光镜平行放置，并使得目标光束中余下部分的光束中的波长为的400nm—700nm可见光经第二分光镜透射至可见光波段成像系统6，将波长为190nm—285nm的日盲紫外光反射至日盲紫外成像系统5。参见图1，为了实现热红外、日盲紫外、可见光这三个波段光的无视差成像，多谱段成像系统在工作时，目标光束经第一分光镜1后，一部分经透射进入热红外成像系统4，一部分被反射。被反射的光继而被第二分光镜2分光后，一部分经反射进入日盲紫外成像系统5，另一部分则透射。透射的目标光束经反射镜3，被反射至可见光成像系统6，该反射镜3与第二分光镜2平行放置。

第一分光镜1选用硅、锗等热红外光学材料，且在其入射面覆有镀膜层，镀膜层对不同波长范围光的透射率参见图2。因而第一分光镜1对波长范围为700nm以上的光透过率达到90%。这包括热红外成像波段的7.5μm—14μm，从而使其进入热红外成像系统。同时，第一分光镜1对波长范围为190nm—700nm的光反射率很高，可以使其在损耗较少的情况下入射至第二分光镜2。

在进一步实施例中，第一分光镜1选用硅、锗等热红外光学材料，且在其入射面覆有镀膜层，但是该镀膜层对波长范围为7.5μm以上的光透过率达到90%，而对波长范围在190-700nm的光反射率很高。第二分光镜2的材料选用对可见光透过率高的材料。分光镜2的入射面覆有镀膜层，该镀膜层对不同波长范围光的透射率参见图3。因而经由第一分光镜1入射至第二分光镜2的入射光束中，波长范围为190nm—285nm的日盲紫外光会被第二分光镜2反射至日盲紫外成像系统5；另外波长范围为400nm—700nm的可见光则透过第二分光镜2，入射至反射镜3。

在进一步实施例中，第二分光镜2的材料选用熔融石英等日盲紫外光学材料，其对日盲紫外光具有高透率。同时，在分光镜2的后表面覆有镀膜层，该镀膜层的功能和上述分光镜 2的入射面所覆有的镀膜层的功能相同，能够反射波长范围为190nm—285nm的日盲紫外光。

在另一个进一步实施例中，第二分光镜2的材料选用熔融石英等日盲紫外光学材料，其对日盲紫外光具有高透率。在分光镜2的入射面或者后表面覆有镀膜层，该镀膜层对波长范围为285nm以下的光具有高透过率，而对波长范围为400nm—700nm的可见光具有高反射率。这样，就需要将日盲紫外波段成像系统5和可见光波段成像系统6的位置互换，也就是经由第一分光镜1入射至第二分光镜2的入射光束中，波长范围为285nm以上的可见光被反射至可见光波段成像系统6，另外波长范围为285nm以下的日盲紫外光泽透过第二分光镜，进入日盲紫外波段成像系统5。反射镜3为普通平面镜，用以反射经由第二分光镜2入射的可见光，使其进入可见光成像系统6。在进一步实施例中，也可不需要反射镜3，可见光透过分光镜2后直接进入可见光成像系统6。只是这样的结构的成像系统的体积大。

参见图1，热红外成像系统4包含热红外光学镜头41和热红外成像器件42。热红外光学镜头41的材料可以选用硅、锗、硫化锌等热红外光学材料，其对波长范围为7.5μm—14μm以内的热红外光信号聚焦成像。。该光学成像系统根据物体热辐射能量的大小和物体表面温度相关的特点，对其进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工艺生产、节约能源、保护环境等方面提供了重要的监测和诊断手段。特别是在电网监测中，其可以监测到绝缘子发热、电线局部老化发热等现象，这是近红外成像所不能做到的。

参见图1，日盲紫外成像系统5包括日盲紫外光学镜头51、日盲紫外滤光片52和日盲紫外成像器件53。日盲紫外成像系统5只对波长范围为190nm—285nm的 日盲紫外光信号敏感，像源信号单一，完全无背景噪声，且后续图像易于处理。日盲紫外光学镜头的材料选用熔融石英、氟化钙、氟化镁等紫外光学材料，其对190nm-285nm范围以内的日盲紫外光信号聚焦成像；考虑到日盲紫外光所存在的环境中还会有其它波段的紫外光，因此，采用日盲紫外滤光片52过滤掉背景中的紫外光，该日盲紫外滤光片透射波段在190nm—285nm的日盲紫外波段中，而完全抑制日盲紫外波段以外的光信号，该日盲紫外滤光片放置在日盲紫外光学镜头之前或之后；所述日盲紫外成像器件为AlGaN、SiC、日盲型ICCD等对日盲紫外波段灵敏探测的成像器件。

参见图1，可见光成像系统6包含可见光光学镜头61、可见光滤光片62和可见光成像器件63。可见光滤光片62可以放置在可见光光学镜头之前或之后。在进一步实施例中，可见光滤光片62可选用多波段滤光片转轮，转轮上设置多个滤光片，每个滤光片的带通波长范围不同。如设置一个4波段滤光片转轮，带通波长分别为450—520nm、530—600nm、630—690nm以及760—900nm。使用时，调节该滤光片的转轮即可对同一场景有多个光谱段的成像画面。该滤光片转轮的选用有很好的实际意义，如针对农作物复合病害叶部不同颜色图像的纹理特点，可以识别诊断病害原因，从而为农作物保护智能化、自动化监测或变量喷药等提供重要的信息。

在进一步实施例中，本发明可见光成像系统6中的可见光成像模块63可以为微光探测器。微光探测器可以突破可见光的限制，为日盲紫外波段成像和热红外波段成像提供光线微弱的环境背景。这使得本发明所述多谱段成像仪在夜晚光线微弱的情况下同样适用。

实施例2：图4所示为本发明另一种日盲紫外、热红外以及可见光的多谱段成像系统。

为了减小系统体积，提高共轴精度，降低产品成本，本实施例依旧共用同一透镜组。本实施例各成像模块的成像波段分别如下：热红外波段：7.5μm—14μm；日盲紫外波段：190nm—285nm；可见光波段：400nm—700nm。

图4所示多谱段图像采集系统主要包含以下器件：第一分光镜1、第二分光镜2、热红外成像系统4、光学镜头7、日盲紫外成像系统5和可见光成像系统6。

目标光束经第一分光镜1后，一部分经透射进入热红外成像系统4，一部分被反射，热红外成像系统4包含热红外光学镜头41和热红外成像器件42。与实施例1不同的是，被反射的光首先会经光学镜头7进行聚焦，随后聚焦光束被第二分光镜2分成两束，一束被反射至日盲紫外成像系统5，并聚焦于日盲紫外成像器件焦平面上。日盲紫外成像系统5由日盲紫外滤光片52和日盲紫外成像器件53组成，另一束透射进入可见光成像系统6，可见光成像系统6由可见光滤光片62和可见光成像器件63组成，光束聚焦于可见光成像器件焦平面上。在本实施例中，因采用了对日盲紫外和可见光波段均可透射聚焦的光学镜头7，故去掉实施例1中可见光通道和日盲紫外通道中的光学镜头。相对于实施例1而言，采用此结构可以使成像系统结构更加紧凑、减小系统体积。并且日盲紫外/可见光双通道镜头目前已有通用商品销售，易于采购，因此可降低整机制造成本。

本实施例光学镜头7的材料为熔融石英、氟化钙、氟化镁等，其对日盲紫外波段、可见光波段的光具有高透率，对于高纯度的熔融石英如JGS1牌号的紫外熔融石英，其在日盲紫外和可见光波段的透过率均可达到90%以上。

本实施例中其它光学部件的选取以及最终图像合成和实施例1中所描述的一致，此处不再另行描述。

应当理解，以上所介绍的仅为本发明专利的一些较佳实施例而已，不能以此来限定本发明专利的权利范围，因此依本发明专利权利要求所做的等同变化，仍属于本发明专利所涵盖的范围。

Claims (10)

1.多谱段图像采集系统，其特征是，该系统包括第一分光镜、第二分光镜、热红外波段成像系统、日盲紫外波段成像系统和可见光波段成像系统，所述热红外波段成像系统的成像波段为7.5μm—14μm，所述日盲紫外波段成像系统的成像波段为190nm—285nm，所述可见光波段成像系统的成像波段为400nm—700nm；所述第一分光镜与光轴成45°夹角放置，将目标光束中含有波长为7.5μm—14μm的热红外波段光透射至所述热红外波段成像系统，将目标光束中含有日盲紫外波段和可见光波段的光信号的部分反射至所述第二分光镜中；所述第二分光镜与第一分光镜平行，第二分光镜将所述目标光束中余下部分的光束中波长为400nm —700nm的可见光透射或反射至可见光波段成像系统，将光束波长为190nm—285nm的日盲紫外光反射或透射至日盲紫外波段成像系统。

2.根据权利要求1所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述热红外波段成像系统由热红外光学镜头和热红外成像器件组成，所述热红外光学镜头透射波长范围为7.5μm—14μm的热红外波段；所述日盲紫外波段成像系统由日盲紫外光学镜头、日盲紫外滤光片和日盲紫外成像器件组成，所述日盲紫外滤光片透射波长在190nm—285nm的日盲紫外波段中，完全抑制日盲紫外波段以外的光信号，所述日盲紫外成像器件为AlGaN、SiC或日盲型ICCD，用于灵敏探测日盲紫外波段的光信号；所述可见光波段成像系统由可见光光学镜头和可见光成像器件组成，其工作波长为400nm—700nm的可见光波段。

3.根据权利要求1所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述第一分光镜选用热红外光学材料，入射面覆有镀膜层，以反射波长范围为700nm以下的光；所述第二分光镜的入射面或后表面覆有镀膜层，以反射波长范围在190nm—285nm的日盲紫外光，透过波长范围在400nm—700nm的可见光。

4.根据权利要求1所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述第一分光镜选用热红外光学材料，入射面覆有镀膜层；以反射波长范围为700nm以下的光；所述第二分光镜的入射面或后表面覆有镀膜层，以透射波长范围在190nm—285nm的日盲紫外光，反射波长范围在400nm—700nm的可见光。

5.根据权利要求1所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述第一、第二分光镜之间还设有用于聚焦的光学镜头，所述光学镜头的材料为熔融石英、氟化钙或氟化镁。

6.根据权利要求1所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述第二分光镜和可见光成像系统之间设有反射镜，所述反射镜和所述第一、第二分光镜相互平行；所述第二分光镜的透视光经所述反射镜进入所述可见光成像系统。

7.根据权利要求2所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述可见光成像系统中，在可见光光学镜头之前或可见光光学镜头和可见光成像模块之间还设有可见光滤光片。

8.根据权利要求5所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述日盲紫外成像系统由日盲紫外滤光片和日盲紫外成像器件组成，可见光成像系统由可见光滤光片和可见光成像器件组成。

9.根据权利要求7或8所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述可见光滤光片为多波段滤光片转轮，多波段滤光片转轮上设置多个滤光片，每个滤光片的带通波长范围不同。

10.根据权利要求7或8所述的多谱段图像采集系统，其特征是，所述可见光成像模块为微光成像系统 ，该微光成像系统中包括成像镜头和具有图像增强功能探测器。

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