CN110186565B - 像元级多通道滤光片和像素级扫描型高光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

像元级多通道滤光片和像素级扫描型高光谱成像仪涉及光谱成像技术领域，解决了成像几何分辨率会有严重的下降的问题，多通道滤光片包括基板和设置在基板上的通道组，通道组≥一组；若通道组＞一组，通道组顺次纵向排列；每个通道组包括多个横向设置的条形单元通道，通道组内任意两个单元通道对应的波带均不相同。像元级可调谐视频高光谱成像仪包括多通道滤光片、镜组、快反镜、摆动器、探测器和控制器，控制器通过控制摆动器来控制快反镜摆动，每当快反镜完成一次摆动时，控制器控制探测器成像。本发明的成像仪可调谐光谱分辨率、可调谐空间分辨率，有极高的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和信噪比。

Description

像元级多通道滤光片和像素级扫描型高光谱成像仪

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及像元级多通道滤光片和像素级扫描型高光谱成像仪。

背景技术

经典光谱仪是建立在空间色散(分光)原理上的仪器，典型分光手段如光栅、棱镜等。像元级多通道滤光片因其单元通道对应像元的大小而以席卷之势被广泛的用于视频高光谱成像仪中，以像元级分光技术为基础的视频高光谱成像技术的成像效果明显优于其他光谱仪。高光谱像元级多通道滤光片是视频高光谱成像仪的核心元件，它在工作波段内具有数十个光谱通道，且每个光谱通道的尺寸与CMOS成像芯片的像元尺寸完全相同。成像时入射光将分成不同谱段的单色光，并投射到CMOS像元上完成光谱采样。

但像元级多通道滤光片都是固定的横向纵向均是多个单元通道的矩阵模式，基于固定阵列式的高光谱像元级滤光片，高光谱成像仪的几何分辨率会有严重的下降。像元级多通道滤光片的这一缺点影响了视频高光谱成像仪的成像分辨率，因而亟需一种具有高分辨率的视频高光谱成像仪。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供像元级多通道滤光片和像素级扫描型高光谱成像仪。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

像元级多通道滤光片，包括基板和设置在基板上的通道组，通道组大于等于一组；若通道组大于一组，通道组顺次纵向排列；每个通道组包括多个横向设置的条形单元通道，通道组内任意两个单元通道对应的波带均不相同。

包括一种像元级多通道滤光片的像素级扫描型高光谱成像仪，还包括镜组、快反镜、摆动器、探测器和控制器；摆动器连接快反镜，控制器连接摆动器和探测器，控制器通过控制摆动器来控制快反镜摆动，控制器用于控制探测器的成像时间，多通道滤光片位于镜组的N次像面上，探测器位于镜组的(N+M)次像面上，N为大于等于1的整数，M为大于等于0的整数；

光束经镜组传输和快反镜反射后入射到多通道滤光片上，多通道滤光片将入射到其上的光束分成不同波带的单色光，所有单色光投射到探测器上，探测器获取高光谱图像。

像素级扫描型高光谱成像仪的成像方法，具体为：控制器通过控制摆动器来控制快反镜摆动，每当快反镜完成一次摆动时，控制器控制探测器成像，直至控制器通过控制摆动器来控制快反镜停止摆动。

像素级扫描型高光谱成像仪在凝视成像上的应用。

本发明的有益效果是：

1、本发明的像元级多通道滤光片通过多个波段的单元通道能将经过其的光线分成多种谱段，将像元级多通道滤光片应用在凝视成像装置中，能大幅提高成像的分辨率。

2、本发明的像素级扫描型高光谱成像仪可调谐光谱分辨率、可调谐空间分辨率，其有极高的空间分辨率、有极高的光谱分辨率、有极高的时间分辨率和有极高的信噪比等多个优势。

3、通过快反镜的摆动和多通道滤光片，像素级扫描型高光谱成像仪在成像工作时能实现高分辨高光谱凝视成像，获得高质量的高光谱视频图像，空间分辨率达最高。

附图说明

图1为本发明的一种像元级的多通道滤光片的结构示意图。

图2为本发明的像素级扫描型高光谱成像仪的结构图。

图3为本发明的多通道滤光片和探测器的集成示意图。

图4为本发明的像素级扫描型高光谱成像仪的高分辨率凝视成像模式示意图。

图中：1、多通道滤光片，1.1、通道组，1.11、单元通道1.11，2.1、第一反射镜，2.2、第二反射镜，3、光阑，4、快反镜，5、摆动器，6、透射镜组，7、调焦机构，8、探测器，9、遮光罩。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

像元级的多通道滤光片1，包括基板和设置在基板上的通道组1.1，通道组1.1大于等于一组。若通道组1.1大于一组，则通道组顺次纵向排列。每个通道组1.1包括多个横向设置的条形单元通道1.111.11，通道组1.1内任意两个单元通道1.111.11对应的波带均不相同。

相邻通道组1.1无缝拼接。每个通道组1.1中的通道数量和通道谱段均相同。多通道滤光片1结构如图1所示，图1中的“BAND”表示波带，BAND 1～BAND16表示16个不同的波带，BAND 1～BAND16分别指代一个波带，互不相同。

单位阵列中各单元通道1.11通过不同的镀膜实现分光，当光线入射到多通道滤光片1时，经过不同单元通道1.11的光出射为不同波长，从而得到不同的窄带准单色光。探测器8采集到16个谱段的光谱信息，并对每个阵列内16个谱段的光谱数据进行重建和识别。

以探测器8的像元大小为11μm×11μm为例，单元通道1.11高度和像元大小相同，高度为11μm，因此称为“像元级”。当光线穿过像元级单元通道1.11时，经过不同子阵列1.11或单元阵列1.1的光被分为16种不同谱段的窄带准单色光。多通道滤光片1的单元通道1.11与探测器8像元的对准精度小于等于1微米。探测器8采集到阵列内16个谱段的光谱信息，并对每个子阵列1.11或单元阵列1.1内16个谱段的光谱数据进行重建和识别。上述的多通道滤光片1具有16个单元通道1.11和排列顺序仅为本实施方式的一种举例，本发明像元级多通道滤光片1的实现不局限于上述举例的数量和排列顺序。

本发明的像元级多通道滤光片1突破传统的多个横向纵向排列的矩阵模块，通过多个波段的条形单元通道1.11能将经过其的光线分成多种谱段，将像元级多通道滤光片1应用在凝视成像装置中，能大幅提高成像的分辨率，同时像元级多通道滤光片1兼顾制作简单的优点。

像素级扫描型高光谱成像仪，包括上述的多通道滤光片1，还包括镜组、快反镜4、摆动器5、探测器8和控制器。镜组可以是反射镜组，可以是透射镜组6，还可以是反射镜组和透射镜组6。反射镜组和透射镜组6均不限制镜子块数。本实施方式中选用反射镜组和透射镜组6相结合的方式。作为优选，本实施方式中还设有光阑3和调焦机构7。光阑3用于限束，可位于位于镜组内，可位于反射镜组内、可位于透射镜组6内、也可位于反射镜组和透射镜组6之间。

反射镜组包括第一反射镜2.1和第二反射镜2.2，光阑3设置在第一反射镜2.1的靠近第二反射镜2.2的表面上。透射镜组6包括多块透镜。调焦机构7用于透射镜组6的调焦。快反镜4可设置在透射镜组6内，即设置在多块透镜之间，例如透射镜组6包括八块透镜，快反镜4可位于第四块透镜和第五块透镜之间。快反镜4还可设置在透镜组和多通道滤光片1之间，快反镜4还可设置在反射镜组和透射镜组6之间，如图2所示，图2为像素级扫描型高光谱成像仪的透视图。

摆动器5连接快反镜4，摆动器5用于带动快反镜4摆动。控制器连接摆动器5和探测器8，用于控制摆动器5工作，通过摆动器5控制快反镜4摆动；用于控制探测器8的成像时间。

调焦机构7用于透射镜组6的调焦，调焦机构7连接透射镜组6，通过调焦机构7对透射镜组6的调焦，使得透射镜组6将光束汇聚到多通道滤光片1上。透射镜组6实现对目标成像的功能，多通道滤光片1置于透射镜组6的N次像面上，将入射到其上的光束分成不同谱段的单色光，不同谱段的单色光入射到所述探测器8上，探测器8获取高光谱图像，探测器8位于透射镜组6的(N+M)次像面上，N为大于等于1的整数，M为大于等于0的整数。

拍摄目标的入射光束入射到反射镜组，经反射镜组反射和光阑3限束后，经快反镜4反射和透镜组汇聚，入射到多通道滤光片1上，多通道滤光片1将入射到其上的光束分成不同谱段的单色光，所有单色光投射到探测器8上，探测器8获取高光谱图像。

入射光束入射到第一反射镜2.1，经第一反射镜2.1反射到第二反射镜2.2，经第二反射镜2.2反射后经光阑3限束后入射到透镜组上或快反镜4上，或是在第一反射镜2.1和第二反射镜2.2间多次反射后经光阑3后入射到透镜组上或快反镜4上，入射到快反镜4上，快反镜4反射光束，光束入射到透镜组中，光束经透镜组汇聚入射到多通道滤光片1上。

M>0时，高光谱成像仪还包括中继镜组，中继镜组位于多通道滤光片1和探测器8之间，经由多通道滤光片1所分成不同谱段的单色光，经由中继镜组作用即折射后入射到探测器8上。中继镜组将N次像面聚焦于(N+M)次像面上。M等于0时，多通道滤光片1和探测器8位于同一次像面上，多通道滤光片1和探测器8之间不设置中继镜组，多通道滤光片1贴在相机一的镜头上。

N>1时，则在透射镜组6和多通道滤光片1之间设置调整镜组，即镜组包括调整镜组。入射光束经透射镜组6汇聚并传输至调整镜组，调整镜组将入射到其上的光束汇聚到N次像面，即汇聚到N次像面上的多通道滤光片1上，经多通道滤光片1分成不同谱段的单色光。若此时M不等于0，则所有单色光传输至中继镜组，经中继镜组作用(光束发生偏折)后，投射到位于(N+M)次像面的探测器8上获取高光谱图像。若N＝1，透射镜组6和多通道滤光片1之间不设置调整镜组。

上述中继镜组可以使用透射式中继镜组也可以使用反射式中继镜组。

本实施方式中，N＝1，M＝0，多通道滤光片1和探测器8都在一次像面上，将多通道滤光片1直接集成在探测器8靶面，探测器8采用CMOS相机，多通道滤光片1集成在CMOS表面，如图3。多通道滤光片1集成在CMOS表面可最小化视频高光谱成像仪尺寸，避免了复杂而庞大的传统分光系统，极大地降低了系统的复杂度。

快反镜4摆动一次，入射到多通道滤光片1上的光束纵向移动一个单元通道1.11，入射到多通道滤光片1的通道组1.1上的光束相比于快反镜4摆动前，乡绅或向下移动了一行，即移动了一个单元通道，移动了约11μm，移动了一个像元，如图4。多通道滤光片1为像元级，每个单元通道1.11对应探测器的一个像元，因此快反镜4的摆动称作是快反镜4的像元级移动。

高光谱成像仪能实现凝视成像模式，具体为高分辨率凝视成像模式。

高分辨率凝视成像模式中，例如在1.7s时间内，通过控制器控制快反镜4的像元级移动依次对指定区域进行16个谱段的成像。高分辨率凝视成像模式原理如图4所示，快反镜4移动一个像元，探测器8进行一次成像，图中依次为第一次成像、第二次成像和第三次成像，以此类推，实现第n次成像，n为正整数。控制器通过控制摆动器5来控制快反镜4摆动，每当快反镜4完成一次摆动时，控制器控制探测器8成像，直至控制器通过控制摆动器5来控制快反镜4停止摆动，快反镜4每次摆动均为像元级摆动，通过这样的成像过程探测器获得的高光谱图像为高分辨率高光谱图像，也就是分辨率为像元级的分辨率，分辨率达到最高。通过快反镜4摆动实现依次串动一个像元，实现分辨率不变的凝视成像。本发明的高光谱成像仪通过采用了上述特殊阵列排布的高光谱像元级多通道滤光片1和可摆动的快反镜4的成像方式，利用快反镜4的微位移，遍历16个谱段，从而获得16幅高质量的光谱图像。操作人员根据16幅光谱图像，在每个像元得到1条16个点的光谱曲线，并根据目标反演算法对目标的材质、结构、功能进行识别。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪具有调谐光谱分辨率功能。控制器根据地面工作人员发出的光谱分辨率的调谐指令和光谱分辨率的参数设置指令，实现临近谱段图像的叠加，叠加谱段数量与光谱分辨率由工作参数决定。即通过谱段之间的重构加减调谐光谱分辨率。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪在光学设计方面，相机采用紧凑的同轴折反射式光学结构实现长焦距、大视场成像。同时，利用快反镜4和摆动器5实现像移补偿，保证视频高光谱成像仪各谱段均具有良好的成像质量。系统光学传递函数高，稳定性公差宽松，光学元件制造难度低。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪提出了新型光谱探测机理，以视频高光谱成像技术为基础，在整体构型上采用传统的同轴折反射式光学系统与摆动式快反镜4相结合的设计方案使视频高光谱成像仪具备了低成本、高可靠、轻量化、可调谐光谱分辨率、甚高空间分辨率、甚高光谱分辨率、甚高时间分辨率和甚高信噪比等多个优势。在高分辨凝视成像模式下，快反镜4通过摆动参与成像，空间分辨率达最高。在高帧频模式下，快反镜4处于锁定状态，空间分辨率可调，成像效率甚高，实现高帧频成像。本发明的高光谱成像仪可调谐光谱分辨率、可调谐空间分辨率。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪选用基于压电陶瓷的摆动器5来驱动快反镜4像元级微位移以实现各谱段高精度成像。本发明高光谱成像仪外部结构设计上，可采用了高比刚度、高稳定性的桁架式结构，实现光学组件、焦平面的可靠支撑。选用高轻量化碳化硅反射镜组支撑结构支撑反射镜组。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪还包括遮光罩9，镜组(反射镜组和透射镜组6)、光阑3、快反镜4、多通道滤光片1、探测器8均安装在遮光罩9内。摆动器5安装在遮光罩9上或内，调焦机构7安装在遮光罩9上或内。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪还包括热控仪，热控仪连接控制器，热控仪控制视频高光谱成像仪内的温度。

本发明的像素级扫描型高光谱成像仪还包括定标机构，控制器连接定标机构，控制器用于控制定标机构的光束定标。

上述控制器还可控制调焦机构7的调焦。控制器通过外连接星务系统，操作人员通过星务系统发出的指令实现视频高光谱成像仪的成像。

上述控制器可以为一个，也可以不止一个，例如可包括第一控制器和第二控制器，第一控制器连接摆动器5并控制摆动器5，第二控制器连接探测器8控制探测器8。

Claims (5)

1.包括像元级多通道滤光片的像素级扫描型高光谱成像仪，其特征在于，还包括镜组、快反镜(4)、摆动器(5)、探测器(8)和控制器；摆动器(5)连接快反镜(4)，控制器连接摆动器(5)和探测器(8)，控制器通过控制摆动器(5)来控制快反镜(4)摆动，控制器用于控制探测器(8)的成像时间，多通道滤光片(1)位于镜组的N次像面上，探测器(8)位于镜组的(N+M)次像面上，N为大于等于1的整数，M为大于等于0的整数；

光束经镜组传输和快反镜(4)反射后入射到多通道滤光片(1)上，多通道滤光片(1)将入射到其上的光束分成不同波带的单色光，所有单色光投射到探测器(8)上，探测器(8)获取高光谱图像；所述快反镜(4)摆动一次，入射到多通道滤光片(1)上的光束纵向移动一个单元通道(1.11)；所述镜组包括反射镜组和透射镜组(6)，所述高光谱成像仪还包括光阑(3)和调焦机构(7)；调焦机构(7)连接透射镜组(6)、用于透射镜组(6)的调焦；光束经反射镜组反射和光阑(3)限束后，经快反镜(4)反射和透射镜组(6)汇聚，汇聚后入射到多通道滤光片(1)上；所述反射镜组包括第一反射镜(2.1)和第二反射镜(2.2)，光阑(3)设置在第一反射镜(2.1)的靠近第二反射镜(2.2)的表面上；光束依次经第一反射镜(2.1)反射、经第二反射镜(2.2)反射、再经光阑(3)限束后入射到快反镜(4)或透射镜组(6)上；

像元级多通道滤光片包括基板和设置在基板上的通道组(1.1)，通道组(1.1)大于等于一组；若通道组(1.1)大于一组，通道组顺次纵向排列；每个通道组(1.1)包括多个横向设置的条形单元通道(1.11)，通道组(1.1)内任意两个单元通道(1.11)对应的波带均不相同。

2.如权利要求1所述的像素级扫描型高光谱成像仪，其特征在于，当所述M>0时，高光谱成像仪还包括中继镜组，中继镜组位于多通道滤光片(1)和探测器(8)之间；多通道滤光片(1)将入射到其上的光束分成不同波段的单色光，所有单色光经由中继镜组偏折后投射到探测器(8)上。

3.如权利要求1所述的像素级扫描型高光谱成像仪，其特征在于，当所述N＝1且M＝0时，多通道滤光片(1)连接探测器(8)靶面。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的像素级扫描型高光谱成像仪，其特征在于，控制器通过控制摆动器(5)来控制快反镜(4)摆动，每当快反镜(4)完成一次摆动时，控制器控制探测器(8)成像，直至控制器通过控制摆动器(5)来控制快反镜(4)停止摆动。

5.如权利要求1至3中任意一项所述的像素级扫描型高光谱成像仪，其特征在于，所述高光谱成像仪应用在凝视成像上。

Images