CN104296870A - 一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪，包括：依次设置的前置成像系统、线性渐变滤光片、透射式中继成像物镜及探测器；所述前置成像系统实现对目标成像的功能，所述线性渐变滤光片置于所述前置成像系统的一次像面上，实现对空间目标的光谱分割，所述透射式中继成像物镜将光谱分割后的一次像面再次成像于探测器上，所述探测器通过光电效应获取和记录数字信息；其中，所述线性渐变滤光片与所述前置成像系统及透射式中继成像物镜之间的距离不小于预定数值。通过采用本发明公开的多光谱成像仪，能够完全消除光谱混叠对光谱分辨率的影响，同时避免鬼像的形成。

Description

一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光谱成像仪技术领域，尤其涉及一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪。

背景技术

光谱成像技术因能够同时获得目标的空间图像和光谱信息，被广泛应用于资源勘探、环境和灾害监测、刑事物证鉴定等各种领域。根据分光方式的不同，光谱成像技术可划分为棱镜分光型、滤光片分光型、光栅分光型和干涉型。棱镜和光栅色散型光谱成像仪出现较早，技术也最为成熟，绝大多数的光谱成像仪均采用此类分光技术。干涉型光谱成像探测技术是在光路中加入了干涉仪，如迈克尔逊干涉仪或Sagnac(萨格纳克)干涉仪，通过干涉采样结果与光谱特性之间的傅立叶变换关系推算光谱信息。棱镜、光栅色散型光谱成像探测和干涉型光谱成像探测系统的分光器件占用了系统很大一部分空间，无法做到轻量化和小型化，同时大体积色散元件的存在也降低了系统的稳定性。而滤光片分光型的光谱探测系统则能够很好地克服以上三种光谱成像探测系统的缺点。

以滤光片为基础的光谱成像仪是使用光学带通滤光片将来自场景光谱的一个窄波段透射到单个探测器或者整个焦平面探测器阵列上。这种光谱成像仪结构简单，实现容易。该类型的光谱成像仪中分光元件主要有旋转滤光片轮、液晶可调谐滤光片和渐变滤光片等。1)旋转滤光片轮工作时需要转动，对同一目标需要拍照若干次才能获得完整的数据立方体；2)液晶可调谐滤光片是利用液晶单元调谐通光主波长，再通过对同一目标进行若干次拍照实现完整数据立方体的获得。但是，上述两种光谱成像探测方案属于时间调制型探测方案，通过对同一目标的多次成像获得完整的光谱信息，因此不适用于目标信息变化较快的探测场合。

采用线性渐变滤光片作为分光器件的光谱成像探测技术属于时空联合调制型方案，这种光谱成像探测技术适用与机载推扫平台、流水线产品质量检测等领域。

目前已有的线性渐变滤光片光谱成像仪均是采用将滤光片与探测器直接耦合的方式实现分光和探测的过程。但是，其不足之处在于，滤光片与探测器之间的距离对光谱分辨率有很大的影响，光谱混叠现象非常严重；此外，光线容易在滤光片和探测器之间产生干涉现象，同时也会造成鬼像的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪，能够完全消除光谱混叠对光谱分辨率的影响，同时避免鬼像的形成。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪，包括：

依次设置的前置成像系统、线性渐变滤光片、透射式中继成像物镜及探测器；

所述前置成像系统实现对目标成像的功能，所述线性渐变滤光片置于所述前置成像系统的一次像面上，实现对空间目标的光谱分割，所述透射式中继成像物镜将光谱分割后的一次像面再次成像于探测器上，所述探测器通过光电效应获取和记录数字信息；

其中，所述线性渐变滤光片与所述前置成像系统及透射式中继成像物镜之间的距离不小于预定数值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过将线性渐变滤光片与前置成像系统一次像面重合，再利用透射式中继成像物镜将一次像面成像到探测器的靶面位置，从而能够完全消除光谱混叠对光谱分辨率的影响，同时避免鬼像的形成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪的光线传播示意图；

图2为本发明实施例提供的前置成像系统的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的前置成像系统的全色点列图；

图4为本发明实施例提供的前置成像系统全色MTF曲线图。

图5为本发明实施例提供的透射式中继成像镜的原理示意图；

图6为本发明实施例提供的透射式中继成像镜的全色点列图；

图7为本发明实施例提供的透射式中继成像镜的全色MTF曲线图；

图8为本发明实施例所提供一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪的各波长点列图；

图9为本发明实施例所提供的一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪各波长MTF曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例，由探测目标发出的光线经前置成像系统汇聚在一次像面处，同时位于一次像面的线性渐变滤光片通过其分光作用，将该一次像面分割成若干光谱通带；分光之后的一次像面又经过透射式中继成像系统，再次成像于面阵探测器上。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪的结构示意图。如图1所示，该多光谱成像仪主要包括：

依次设置的前置成像系统、线性渐变滤光片、透射式中继成像物镜及探测器；

所述前置成像系统实现对目标成像的功能，所述线性渐变滤光片置于所述前置成像系统的一次像面上，实现对空间目标的光谱分割，所述透射式中继成像物镜将光谱分割后的一次像面再次成像于探测器上，所述探测器通过光电效应获取和记录数字信息；

其中，所述线性渐变滤光片与所述前置成像系统及透射式中继成像物镜之间的距离不小于预定数值(可根据实际情况或者经验来设定)，以便有利于消除杂光和鬼像。

进一步的，所述探测器(例如，面阵探测器)的每一行探测像元接收经所述线性渐变滤光片光谱分割之后的特定谱带能量，整个探测器对应空间目标和若干光谱通带；通过平台推扫或探测目标的运动，来获得场景的完整数据立方体。

本发明实施例中，图1的附图标记中1-4分别表示：前置成像系统、线性渐变滤光片、透射式中继成像物镜及探测器。

示例性的，本发明实施例中，所述线性渐变滤光片的光谱分光范围可以是620-1000nm，线性渐变滤光片玻璃基底厚度可以为1.1mm，光谱维长度可以为13.8mm。面阵探测器像元大小可以为5.5μm×5.5μm，奈奎斯特频率可以为91lp/mm。

所述前置成像系统视场角可以为15.74度，相对孔径可以为1/4，焦距可以为50mm，可采用改进型双高斯结构，该结构是一个全投射式的像方远心光学系统，能够有效矫正球差、像散、色差等在内的七种像差。所述透射式中继成像物镜可以为一个1：1透射式系统，线视场大小可以为14.18mm，为实现光瞳匹配，该透射式中继系统可以是一个物方远心系统，数值孔径可为0.125。

具体来说，所述前置成像系统与透射式中继成像物镜参数分配如表1所示：

为了便于进一步理解本发明，可参见附图2-9。

其中，图2为所述前置成像系统的原理示意图；图3为该前置成像系统的全色点列图；如图3所示，通过ZEMAX光学设计软件计算可知，光斑RMS(均方根)直径最大为1.5um，远小于探测器像元尺寸；图4为该前置成像系统全色MTF曲线图，如图4所示，在奈奎斯特频率(spatial frequency in cycles)91lp/mm处，接近衍射极限，成像质量良好。

图5为该透射式中继成像物镜的原理示意图，最左侧为一次像面，通过透射式中继成像物镜将经线性渐变滤光片光谱分割之后的一次像成像到最终探测器靶面上；图6为该透射式中继成像物镜的全色点列图，如图6所示，光斑RMS直径最大不到3.2um，远小于探测器像元尺寸；图7为该透射式中继成像物镜的全色MTF曲线图，如图7所示，在奈奎斯特频率91lp/mm处，接近衍射极限，成像质量良好.

图8为本发明实施例所提供一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪的各波长点列图，四组图对应波长分别为620/700/800/1000nm，如图8所示，通过ZEMAX光学设计软件计算可知，光斑最大值位于全视场短波620nm处，全波长光斑尺寸满足成像质量要求；图9为本发明实施例所提供的一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪各波长MTF曲线图，四组图对应波长分别为620/700/800/1000nm，如图9所示，通过ZEMAX光学设计软件计算可知，在乃奎斯特频率91lp/mm处，成像质量良好，满足使用要求。

本发明实时所提供的方案与现有技术的方案相比，主要存在如下优点：

1)线性渐变滤光片的分光面位于前置望远系统的一次像面处，能够完全消除光谱混叠的影响；

2)前置成像系统构成像方远心光路，光阑位于透镜焦平面上，减少了后置场镜匹配所带来的一系列问题。

3)线性渐变滤光片和前置成像系统最后一块镜片、线性渐变滤光片和线性渐变滤光片的第一块镜片之间留有较大长度，有利于消除杂光和鬼像；

4)整个多光谱成像仪进行了一体化的优化设计，提高了系统设计过程中的精度。

本发明实施例通过将线性渐变滤光片的面放置于前置成像系统的一次像面处，再利用透射式中继成像物镜将一次像面成像到探测器的靶面位置，从而能够完全消除光谱混叠对光谱分辨率的影响，同时避免鬼像的形成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于二次成像的线性渐变滤光片型多光谱成像仪，其特征在于，包括：

依次设置的前置成像系统、线性渐变滤光片、透射式中继成像物镜及探测器；

所述前置成像系统实现对目标成像的功能，所述线性渐变滤光片置于所述前置成像系统的一次像面上，实现对空间目标的光谱分割，所述透射式中继成像物镜将光谱分割后的一次像面再次成像于探测器上，所述探测器通过光电效应获取和记录数字信息；

其中，所述线性渐变滤光片与所述前置成像系统及透射式中继成像物镜之间的距离不小于预定数值。

2.根据权利要求1所述的多光谱成像仪，其特征在于，

所述探测器的每一行探测像元接收经所述线性渐变滤光片光谱分割之后的特定谱带能量；

通过推扫平台或探测目标的运动，来获得场景的完整数据立方体。