CN108983419B - 一种基于多光谱成像的光学系统 - Google Patents

一种基于多光谱成像的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多光谱成像的光学系统，包括白光成像CCD(15)、激光成像CCD(16)、激光探测器(17)、次反射镜(3)、主反射镜(2)、第一胶合透镜组和摆镜(7)，所述主反射镜(2)中部设有与所述次反射镜(3)相匹配的孔洞，经所述摆镜反射后的光路上设有第一分光棱镜(8)，经过所述第一分光棱镜(8)后的光路一分为二，一路被所述白光成像CCD(15)接收，另一路的光路上设有反射镜(12)，反射镜(12)之后设有第二分光棱镜(14)，所述激光成像CCD(16)和激光探测器(17)分别设于所述第二分光棱镜(14)的分光后的两光路上。本发明的基于多光谱成像的光学系统，兼顾白光成像、激光成像和激光探测，且保证较高的成像质量。

Description

一种基于多光谱成像的光学系统
技术领域
本发明属于光电设备技术领域，更具体地，涉及一种基于多光谱成像的光学系统。
背景技术
多光谱成像技术是上世纪60年代初期出现的一种遥感技术，其波段范围及波段数的选择与应用目标直接相关，通过对特定谱段信息和全色信息的获取，对揭示目标的各种物化性质、提高目标识别能力具有重要意义。多光谱电视成像技术广泛应用于电视制导、光电侦察，对目标进行观察和跟踪时可以显示可见光经过光学系统所生成的图像，同时也可以在同一时间内对激光进行探测和成像，人们现在对光学系统的高功能密度和实时性提高了要求。为了保证在电视制导及光电侦察等作战行动中，对一定范围内对不同大小的目标实现有效及时的高清成像，提出一种能够应用于光电侦察等行动中的多光谱成像的设计显得尤为重要。
按照光谱获取方式的不同，大致可分为多相机式、单镜头多路分光式、以及滤光片式。滤光片式又分为滤光片轮式、可调谐滤光片式、线性渐变滤光片和楔形滤光片式。
现有技术中单一光谱成像的镜头，它不能随大众需求满足多功能需求；多相机式由多个相机组成，每个相机前配置不同通带滤光片，分别获取对应波段信息，这种形式的多光谱相机能够实现图谱合一，但是，不同光轴的相机之间具有视角上的偏差，这在后续的数据处理中需要对多路图像进行视角校正和匹配；滤光片式多光谱切换的镜头，解决了多相机的问题，但是它不能让多光谱镜头同时工作，切换过程中可能会丢失重要监控信息，不能对监控环境实时显示；单镜头多路分光式，采用单镜头加上分光棱镜分光，将光线分成多路，专利CN201010614376公开了一种单镜头多光谱成像光学系统，虽然解决了多相机和切换导致重要监控信息丢失的问题，单成像质量不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于多光谱成像的光学系统，利用主反射镜和次反射镜组合成像，保证后面系统的成像质量；于主反射镜和次反射镜之后设置第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜，用于补偿主反射镜和次反射镜的剩余像差，并通过调焦电机实现个胶合透镜的移动实现微调焦，为镜头提供稳定的图像；第三胶合透镜之后设置摆镜，一方面对光路进行折转，另一方面补偿第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜带来的角度偏差，保证最后成像质量；设置多个分光镜来实现多次分光，并在光路末端分别设置白光成像CCD、激光成像CCD和激光探测器，在一个系统内兼顾白光成像、激光成像和激光探测，不仅提高光学系统的高功能密度，而且避免了对不同大小目标进行实时跟踪搜索切换时出现丢失目标的情况。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于多光谱成像的光学系统，包括白光成像CCD、激光成像CCD和激光探测器，还包括共轴且沿光路方向依次设置的次反射镜、主反射镜、第一胶合透镜组和摆镜；
所述次反射镜正对所述主反射镜的一侧为凸的非球面双曲面，所述主反射镜的正对所述次反射镜的一侧为凹的非球面抛物面，且其中部设有与所述次反射镜相匹配的孔洞，以折叠光路结构缩短所述光学系统长度；
所述摆镜与所述主反射镜的中轴线形成小于90度的夹角，用于补偿所述第一胶合透镜组的剩余相差，经所述摆镜反射后的光路上设有第一分光棱镜，经过所述第一分光棱镜后的光路一分为二，一路被所述白光成像CCD接收，另一路的光路上设有反射镜，所述反射镜之后设有第二分光棱镜，所述激光成像CCD和激光探测器分别设于所述第二分光棱镜的分光后的两光路上，兼顾实现白光成像、激光成像和激光探测。
进一步地，所述第一分光棱镜和白光成像CCD之间依次设有第二胶合透镜组和滤光镜。
进一步地，所述第一分光棱镜和所述反射镜之间设有第二胶合透镜组。
进一步地，所述第二胶合透镜组包括第七透镜和第四胶合透镜。
进一步地，所述反射镜和第二分光棱镜之间设有衰减片。
进一步地，所述第二分光棱镜和所述反射镜的反射面平行。
进一步地，所述次反射镜远离所述主反射镜的一侧设有保护镜。
进一步地，所述第一胶合透镜组包括依次设置的第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜。
进一步地，所述第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜均与用于微调焦的调节电机相连。
进一步地，所述第一胶合透镜靠近所述主反射镜的一侧为凹面，另一侧为凸面。
进一步地，所述第二胶合透镜靠近所述第一胶合透镜的一侧为凹面，且所述第一胶合透镜的凸面置于所述第二胶合透镜的凹面内但不接触所述第二胶合透镜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供基于多光谱成像的光学系统，利用主反射镜和次反射镜组合成像，保证后面系统的成像质量；于主反射镜和次反射镜之后设置第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜，用于补偿主反射镜和次反射镜的剩余像差，并通过调焦电机实现个胶合透镜的移动实现微调焦，为镜头提供稳定的图像；第三胶合透镜之后设置摆镜，一方面对光路进行折转，另一方面补偿第一胶合透镜、第二胶合透镜和第三胶合透镜带来的角度偏差，保证最后成像质量；设置多个分光镜来实现多次分光，并在光路末端分别设置白光成像CCD、激光成像CCD和激光探测器，在一个系统内兼顾白光成像、激光成像和激光探测，不仅提高光学系统的高功能密度，而且避免了对不同大小目标进行实时跟踪搜索切换时出现丢失目标的情况。
(2)本发明提供基于多光谱成像的光学系统，第一分光棱镜和白光成像CCD之间依次设有第七透镜和第四胶合透镜，用于对白光剩余相差进行补偿，第一分光棱镜和激光成像CCD之间也依次设有第七透镜和第四胶合镜，用于对激光的剩余相差进行补偿，保证成像质量；并在白光成像CCD之前设置滤光镜，用于过滤光路中的激光，保证白光的良好成像质量。
(3)本发明提供基于多光谱成像的光学系统，在第一分光棱镜和第二分光棱镜之间设置反射镜，用于改变光路，使得经第一分光棱镜分光后的两路光成像在一侧，便于观察；第二分光棱镜之前设置衰减片，用于对光路中激光的能量进行衰减，防止激光强大的能量烧坏第二分光棱镜、激光探测器和激光成像CCD。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于多光谱成像的光学系统的结构示意图；
图2为图1局部放大图；
图3为白光系统的弥散斑图；
图4为白光系统的传递函数图；
图5为激光系统的弥散斑图；
图6为激光系统的传递函数图。
所有附图中，同一个附图标记表示相同的结构与零件，其中：1-保护镜、2-主反射镜、3-次反射镜、4-第一胶合透镜、5-第二胶合透镜、6-第三胶合透镜、7-摆镜、8-第一分光棱镜、9-第七透镜、10-第四胶合透镜、11-滤光镜、12-反光镜、13-衰减片、14-第二分光棱镜、15-白光成像CCD、16-激光成像CCD、17-激光探测器。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例一种基于多光谱成像的光学系统的结构示意图。如图1所示，基于多光谱成像的光学系统包括主反射镜2、次反射镜3、第一胶合透镜4、第二胶合透镜5、第三胶合透镜6、摆镜7、第一分光棱镜8、第七透镜9、第四胶合透镜10、滤光镜11、反光镜12、衰减片13、第二分光棱镜14、白光成像CCD15、激光成像CCD16和激光探测器17，主反射镜2和次反射镜3组成卡塞格林系统，主反射镜2和次反射镜3的组合成像，其中，CCD(ChargeCoupled Device)是电荷藕合器件图像传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。
其中，主反射镜2的一侧为凹的非球面抛物面，非球面抛物面的加工比较容易，检测面型也不需要额外的补偿镜，主反射镜2的中间设有孔洞；次反射镜3与主反射镜2相对的面为凸的非球面双曲面，且主反射镜2和次反射镜3共轴，主反射镜2孔洞的大小与次反射镜3的大小相匹配，以实现光线通过凹的非球面抛物面的主反射镜2反射和次反射镜3的凸的非球面上反射后穿过孔洞，通过主反射镜2和次反射镜3的折叠光学设计缩短镜筒的长度，且通过适当调整主反射镜2和次反射镜3的位置可以保证后面系统的成像质量，其成像质量人眼可辨别。
作为优选，次反射镜远离主反射镜2的一侧设有保护镜1，用于在光路中保护主反射镜2和次反射镜3。
图2为图1局部放大图。如图2所示，第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6均与主反射镜2和次反射镜3共轴，且依次沿经过主反射镜2和次反射镜3反射光经过的光路上，胶合透镜通过将两单片材料不同的镜片胶合在一起，校正了玻璃的色散，在白光的成像的性能比单透镜的性能提高了很多；第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6均与调节电机连接，通过调焦电机对第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6进行微调焦，为镜头提供稳定的图像。
作为优选，第一胶合透镜4靠近主反射镜2的一侧为凹面，另一侧为凸面，第二胶合透镜5紧挨第一胶合透镜4设置，且靠近第一胶合透镜4的一侧为凹面，第一胶合透镜4的凸面置于第二胶合透镜5的凹面内但不接触第二胶合透镜5，第三胶合透镜6和第二胶合透镜5间隔设置，通过第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6的共同作用在光路中补偿主反射镜2和次反射镜3的剩余相差。
摆镜7设于经过主反射镜2和次反射镜3反射并依次经过第一胶合透镜4、第二胶合透镜5、第三胶合透镜6后的光路上，摆镜7的与第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6的中心轴形成小于90度的夹角a，经过摆镜7的光线反射后，光路进行了转折，以补偿第一胶合透镜4、第二胶合透镜5和第三胶合透镜6三组透镜进行调焦时带来的角度偏差。
作为优选，夹角a为48°。
第一分光棱镜8设于摆镜7的反射光路上，用于对经过摆镜7反射后的光路进行分光，分为两路，其中，一路光路上依次设有第七透镜9、第四胶合透镜10和滤光镜11，另一路光路上依次设有第七透镜9、第四胶合透镜10和反射镜12，第七透镜9和第四胶合透镜10用于对前面白光和激光剩余相差进行补偿，保证白光和激光各自良好的成像质量。滤光镜11用于去掉光路中的激光，并在滤光镜11之后设置白光成像CCD15，使通过滤光镜11滤光后的白光成像在白光成像CCD15的靶面上，保证较好的成像质量；反射镜12用于对另一路的光路进行折转，便于使得白光、激光等成像均在一侧，便于观察。另一路的光路经反射镜12反射后的光路上依次设有衰减片13、第二分光棱镜14，第二分光棱镜14平行于反射镜12的反射面，第二分光棱镜14用于对经过反射镜12反射后的光路进行分光，第一路分光光路上设有激光成像CCD16，第二路分光光路上设有激光探测器17，分别用于实现激光成像和激光探测。本发明的光学系统，能够同时兼顾白光(可见光)成像、激光成像和激光探测，实现了一套光学系统的高功能密度，减小了光学系统的体积。如图3、如4、图5和图6所示，本系统的结构设计在兼顾白光成像、激光成像和激光探测的基础上，保证了较高的成像质量。
其中，衰减片13垂直于经反射镜12反射后的光路，用于对光路中激光的能量进行衰减，防止激光强大的能量烧坏第二分光棱镜14、激光探测器17和激光成像CCD16。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多光谱成像的光学系统，包括白光成像CCD（15）、激光成像CCD（16）和激光探测器（17），其特征在于，还包括共轴且沿光路方向依次设置的次反射镜（3）、主反射镜（2）、第一胶合透镜组和摆镜（7）；
所述次反射镜（3）正对所述主反射镜（2）的一侧为凸的非球面双曲面，所述主反射镜（2）的正对所述次反射镜（3）的一侧为凹的非球面抛物面，且其中部设有与所述次反射镜（3）相匹配的孔洞，以折叠光路结构缩短所述光学系统长度，同时，对所述主反射镜（2）与所述次反射镜（3）的位置进行调节，且所述次反射镜（3）远离所述主反射镜（2）的一侧设有保护镜（1），以保证该系统的成像质量；
所述摆镜（7）与所述主反射镜（2）的中轴线形成48度的夹角，用于补偿所述第一胶合透镜组调焦时带来的角度偏差，经所述摆镜反射后的光路上设有第一分光棱镜（8），经过所述第一分光棱镜（8）后的光路一分为二，一路穿过第二胶合透镜组后被所述白光成像CCD（15）接收，且在所述第二胶合透镜组和白光成像CCD（15）之间设置有滤光镜（11），另一路的光路上依次设有第二胶合透镜组和反光镜（12），所述反光镜（12）之后设有第二分光棱镜（14），所述第二分光棱镜（14）和所述反光镜（12）的反射面平行，且在所述反光镜（12）和所述第二分光棱镜（14）之间设置有衰减片（13），所述激光成像CCD（16）和激光探测器（17）分别设于所述第二分光棱镜（14）的分光后的两光路上，兼顾实现白光成像、激光成像和激光探测；
所述第一胶合透镜组包括依次设置的第一胶合透镜（4）、第二胶合透镜（5）和第三胶合透镜（6），胶合透镜通过将两单片材料不同的镜片胶合在一起，校正玻璃的色散，所述第一胶合透镜（4）靠近所述主反射镜（2）的一侧为凹面，另一侧为凸面，所述第二胶合透镜（5）靠近所述第一胶合透镜（4）的一侧为凹面，且所述第一胶合透镜（4）的凸面置于所述第二胶合透镜（5）的凹面内但不接触所述第二胶合透镜（5），同时，所述第一胶合透镜（4）、第二胶合透镜（5）和第三胶合透镜（6）均与用于微调焦的调节电机相连，以配合调整光路。
2.根据权利要求1所述一种基于多光谱成像的光学系统，其特征在于，所述第二胶合透镜组包括第七透镜（9）和第四胶合透镜（10）。
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