CN105258796A

CN105258796A - 一种共光路小型化多光谱成像系统

Info

Publication number: CN105258796A
Application number: CN201510670422.4A
Authority: CN
Inventors: 张芳; 高教波; 郑雅卫; 陈慧玲; 张磊; 成娟; 高飞
Original assignee: Xian institute of Applied Optics
Current assignee: Xian institute of Applied Optics
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明提出一种共光路小型化多光谱成像系统，包括成像物镜、棱镜分光系统、多光谱滤光片组合系统、探测器系统以及信号处理系统；棱镜分光系统包括三个分光棱镜；探测器系统包括四个探测器；多光谱滤光片组合系统包括四组滤光片组。本发明四个光谱通道共用同一个成像镜头，与采用四个相对独立成像子系统的现有技术相比，可降低机械结构设计和整个系统的装调难度，无需考虑系统光轴一致性对最终获取图像信息的影响。而且四个相同探测器共用一个信号处理系统，探测器与信号处理电路模块通过排线连接，不同光谱通道通过分光棱镜进行折转光路实现，与采用四个相对独立成像子系统的现有技术相比，本发明整个系统体积可缩小。

Description

一种共光路小型化多光谱成像系统

技术领域

本发明属于多光谱成像领域，特别是涉及一种滤光片分光式共光路小型化多光谱成像系统。

背景技术

多光谱成像系统能够同时获取目标的光谱信息和空间信息，在军事侦察中，可根据目标的反射或辐射光谱信息发现传统照相侦察系统无法发现的目标。滤光片分光式多光谱成像系统是指采用具有滤光作用的器件，如窄带滤光片、线性渐变滤光片LVF、声光可调谐滤光片AOTF等,每当滤光器件获得一帧准单色图，光谱成像系统利用推扫，及改变通光参数得到特定目标或场景的光谱和空间信息。

国外期刊SPIEVol.5787发表的一篇论文《Missionadaptablenarrowbandtunableimagingspectrometer(MANTIS):tacticalspectralsensing》中介绍的一种多光谱成像仪，该系统采用四个相同的相机作为图像接受器件，每个相机前面安装一个成像镜头，四个成像镜头完全相同，镜头前方设计有专门的滤光片接口螺纹用于与滤光片连接，系统具有多与4种不同波段的滤光片，可根据不同的工作需要进行组合选用。该多光谱成像仪的主要缺点是：每个光谱通道对应的成像镜头和相机系统构成的成像子系统相对独立，机械装调时对四个成像子系统之间的光轴一致性要求很高，一旦四个成像子系统之间的光轴存在偏差，将导致各光谱通道获得的图像无法融合。

南京理工大学申请了一个中国专利《多光谱光场相机》，该系统首先在成像主透镜的光瞳面上放置滤光片阵列，采用孔径分割的方法引入目标各个光谱段的信息；其次利用位于成像主透镜像面上的微透镜阵列对多光谱信息进行空间上的分离；并引入组合副透镜将微透镜焦平面二次转移到探测器光敏面上；最后信号处理系统对探测器得到的数据进行计算，提取得到不同波段光谱图像。该多光谱光场相机的主要缺点是：(1)整个系统结构复杂，且对探测器面阵大小有一定的要求；(2)光学器件过多，光学透过率下降，能量利用率低。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种共光路小型化多光谱成像系统。

本发明的技术方案为：

所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：包括成像物镜、棱镜分光系统、多光谱滤光片组合系统、探测器系统以及信号处理系统；棱镜分光系统包括三个分光棱镜；探测器系统包括四个探测器；多光谱滤光片组合系统包括四组滤光片组；

目标光束经过成像物镜入射，成像物镜的出射光束被第一分光棱镜分成第一反射光和第一透射光；第一反射光被第二分光棱镜分成第二反射光和第二透射光；第一透射光被第三分光棱镜分成第三反射光和第三透射光；第二透射光经过第一滤光片组中的某一滤光片后到达第一探测器；第二反射光经过第二滤光片组中的某一滤光片后到达第二探测器；第三透射光经过第三滤光片组中的某一滤光片后到达第三探测器；第三反射光经过第四滤光片组中的某一滤光片后到达第四探测器；四个探测器实现四路光谱信号的同时获取和记录，并将信号传输给信号处理系统，信号处理系统对探测器获取的信号进行处理和显示。

进一步的优选方案，所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：第一分光棱镜所镀膜层为0.4～0.6μm高通、0.6～0.8μm高反膜层；第二分光棱镜所镀膜层为0.6～0.7μm高通，0.7～0.8μm高反膜层；第三分光棱镜所镀膜层为0.4～0.5μm高通，0.5～0.6μm高反膜层。

进一步的优选方案，所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：多光谱滤光片组合系统包括12个不同中心波长的滤光片，各中心波长分别为482nm、490nm、500nm、532nm、546nm、560nm、650nm、670nm、680nm、710nm、730nm、760nm，其中第一滤光片组中三个滤光片中心波长为650nm、670nm、680nm，第二滤光片组中三个滤光片中心波长为710nm、730nm、760nm，第三滤光片组中三个滤光片中心波长为482nm、490nm、500nm，第四滤光片组中三个滤光片中心波长为532nm、546nm、560nm。

进一步的优选方案，所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：成像物镜焦距102mm，后截距110.39mm，F#为5.6，视场4°；成像物镜在0.4～0.8μm整个波段范围内，均方根弥散圆在三个视场均小于一个像元，在探测器像元对应的83线对处MTF均大于0.5，三个视场的畸变小于0.01％，所述三个视场为0视场、0.7视场和1视场。

进一步的优选方案，所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：四个探测器均为754×480CMOS相机，像素大小为6μm×6μm，探测器外形尺寸为28×19×5mm。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。

(一)本发明的共光路小型化多光谱成像系统，四个光谱通道共用同一个成像镜头，与采用四个相对独立成像子系统的现有技术相比，本发明可降低机械结构设计和整个系统的装调难度，无需考虑系统光轴一致性对最终获取图像信息的影响。

(二)本发明的共光路小型化多光谱成像系统，四个相同探测器共用一个信号处理系统，探测器与信号处理电路模块通过排线连接，不同光谱通道通过分光棱镜进行折转光路实现，与采用四个相对独立成像子系统的现有技术相比，本发明整个系统体积可缩小；与采用孔径分割的方法的现有技术相比，本发明整个系统结构简单，且对探测器的面阵大小降低了要求，同时，降低了光学系统的设计难度。

(三)本发明的共光路小型化多光谱成像系统，第一分光棱镜所镀膜层为0.4～0.6μm高通，0.6～0.8μm高反；第二分光棱镜所镀膜层为0.6～0.7μm高通，0.7～0.8μm高反；第三分光棱镜所镀膜层为0.4～0.5μm高通，0.5～0.6μm高反。以上高通膜层的透过率可达到90％以上，高反膜层的反射率也可达到90％以上。与采用孔径分割的方法的现有技术相比，本发明提高了光学能量利用率。

附图说明

图1是本发明共光路小型化多光谱成像系统的原理组成示意图。

图2是本发明中探测器系统和信号处理系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明包括成像物镜1、棱镜分光系统2、多光谱滤光片组合系统3、探测器系统4，以及信号处理系统5。成像物镜1将无穷远处目标成像于探测器的焦平面上，在满足成像物镜1与探测器4之间放置棱镜分光系统2和多光谱滤光片组合系统3的前提下，为使整个系统小型化，本发明优选实施例中，成像物镜1的后截距为110.4mm；为使整个系统在0.4～0.8μm波段范围内像质清晰，本优选例中，成像物镜1在0.4～0.8μm整个波段范围内，均方根弥散圆在三个视场(0视场、0.7视场和1视场)均小于一个像元，在探测器像元对应的83线对处MTF均大于0.5，三个视场的畸变小于0.01％。

正如图1所示，棱镜分光系统包含3个棱镜，本发明优选实施例中，第一棱镜2-1所镀膜层为0.4～0.6μm高通，0.6～0.8μm高反膜层，第一反射光束通过第二棱镜2-2，第一透射光束通过第三棱镜2-3。第二棱镜2-2所镀膜层为0.6～0.7μm高通，0.7～0.8μm高反膜层，第二反射光束通过滤光片3-2到达探测器4-2，第二透射光束通过滤光片3-1到达探测器4-1；第三棱镜2-3所镀膜层为0.4～0.5μm高通，0.5～0.6μm高反膜层，第三反射光束通过滤光片3-4到达探测器4-4，第三透射光束通过滤光片3-3到达探测器4-3。以上高通膜层的透过率可达到90％以上，高反膜层的反射率也可达到90％以上，这样可减少整个系统在0.4～0.8μm波段范围内的光学能量损失。

正如图1所示，多光谱滤光片组合系统包括12个不同中心波长的滤光片，本发明优选实施例中，各中心波长分别为482nm、490nm、500nm、532nm、546nm、560nm、650nm、670nm、680nm、710nm、730nm、760nm，各滤光片的半高宽约为20nm，滤光片3-1可选的中心波长为650nm、670nm、680nm；滤光片3-2可选的中心波长为710nm、730nm、760nm；滤光片3-3可选的中心波长为482nm、490nm、500nm；滤光片3-4可选的中心波长为532nm、546nm、560nm，因此本发明共光路小型化多光谱成像系统最终获取的光谱数据共有81种组合结果。

图2示出了探测器系统和信号处理系统组成模块。本发明优选实施例中，探测器系统包括的4个相同探测器分别通过排线与共用的信号处理系统相连，这样可以在排线长度允许的范围内，合理放置信号处理电路模块，缩小整个系统体积。各探测器均采用754×480CMOS相机，像素大小为6μm×6μm，探测器外形尺寸为28×19×5mm，用于获取和记录前端光路产生的光谱信息。4个探测器共用的信号处理系统，外形尺寸为42×40×21mm，用于实现探测器所获图像信号的处理和显示功能。

Claims

1.一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：包括成像物镜、棱镜分光系统、多光谱滤光片组合系统、探测器系统以及信号处理系统；棱镜分光系统包括三个分光棱镜；探测器系统包括四个探测器；多光谱滤光片组合系统包括四组滤光片组；

2.根据权利要求1所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：第一分光棱镜所镀膜层为0.4～0.6μm高通、0.6～0.8μm高反膜层；第二分光棱镜所镀膜层为0.6～0.7μm高通，0.7～0.8μm高反膜层；第三分光棱镜所镀膜层为0.4～0.5μm高通，0.5～0.6μm高反膜层。

3.根据权利要求2所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：多光谱滤光片组合系统包括12个不同中心波长的滤光片，各中心波长分别为482nm、490nm、500nm、532nm、546nm、560nm、650nm、670nm、680nm、710nm、730nm、760nm，其中第一滤光片组中三个滤光片中心波长为650nm、670nm、680nm，第二滤光片组中三个滤光片中心波长为710nm、730nm、760nm，第三滤光片组中三个滤光片中心波长为482nm、490nm、500nm，第四滤光片组中三个滤光片中心波长为532nm、546nm、560nm。

4.根据权利要求1所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：成像物镜焦距102mm，后截距110.39mm，F#为5.6，视场4°；成像物镜在0.4～0.8μm整个波段范围内，均方根弥散圆在三个视场均小于一个像元，在探测器像元对应的83线对处MTF均大于0.5，三个视场的畸变小于0.01％，所述三个视场为0视场、0.7视场和1视场。

5.根据权利要求1所述一种共光路小型化多光谱成像系统，其特征在于：四个探测器均为754×480CMOS相机，像素大小为6μm×6μm，探测器外形尺寸为28×19×5mm。