CN110274689A - 一种基于微透镜阵列的高光谱相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微透镜阵列的高光谱相机，包括：前段光学系统、视场分割系统、色散系统以及探测器；其中，所述视场分割系统包括依次设置的微透镜阵列和针孔阵列，所述微透镜阵列的前焦面与所述前端光学系统的像面重合，所述针孔阵列位于所述微透镜阵列的子孔径平面。本发明的高光谱相机，将一维线性视场扩展为二维视场，实现对二维视场内目标的实时监测，大大提高了探测速度。同时，通过使用微透镜阵列来进行视场分割，可以使现有的探测器实现大视场、高光谱分辨率的同时，实现高空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，特别涉及一种基于微透镜阵列的高光谱相机。
背景技术
高光谱相机又被称为成像光谱仪，它是一种能够同时获得探测目标光谱信息和图像信息的新兴光学仪器。成像光谱仪最早诞生于天文领域，天文学家利用它进行宇宙的探索。随着成像光谱仪独特优势的显现，众多科学领域都对之趋之若鹜，例如空间科学、环境科学、医学研究等。近些年，随着技术发展与应用需求的提高，成像光谱仪在商业领域也有非常广泛的应用，例如农业遥感、林业遥感、国防安全、工业生产在线检测、生命科学、考古等，并逐渐成为很多领域重要的检测手段。
目前，市场上广泛使用的高光谱相机为传统的狭缝式成像光谱，如图1所示结构，该相机包括前端光学系统和色散系统，这种相机需要通过扫描完成目标的探测，并通过多次测量，采集到同时包含目标空间几何图像与光谱信息的数据立方。但是，目前的高光谱相机虽然可以完成提供光谱信息与图像信息的功能，但是它在使用上仍有较为明显的缺陷，如受入射狭缝限制，他们的视场通常为一个很窄的区域，若要完成目标的探测，则需分区扫描进行多次测量。因此，如果要完成一个大区域的探测，要则需花费较长时间。
发明内容
本发明旨在克服上述在先技术的不足，提供一种基于微透镜阵列的高光谱相机。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于微透镜阵列的高光谱相机，包括：前段光学系统、视场分割系统、色散系统以及探测器；
其中，所述视场分割系统包括依次设置的微透镜阵列和针孔阵列，所述微透镜阵列的前焦面与所述前端光学系统的像面重合，所述针孔阵列位于所述微透镜阵列的子孔径平面。
其中，所述针孔阵列的两个外侧面涂黑。
其中，所述所述针孔阵列设置在可调节的机械部件上，用于调节所述针孔阵列与所述微透镜阵列之间的位置。
其中，所述微透镜阵列使用非球面透镜组合制成。
其中，所述微透镜阵列使用双凸面透镜组合制成。
其中，所述前端光学系统包括孔径光阑，所述孔径光阑的光圈大小可调。
其中，所述色散系统包括准直系统，所述针孔阵列位于所述准直系统的前焦面。
其中，所述色散系统还包括：在所述准直系统的出射光方向依次设置的色散元件、成像子系统和探测器，所述色散元件对所述准直系统准直后的光进行色散，所述色散后的光经过所述成像子系统后，成像在所述探测器上。
其中，所述光谱相机还包括分光系统，所述分光系统设置在所述前端光学系统与视场分割系统之间，用于将所述前端分光系统的光分成两束，其中一束入射到所述视场分割系统。
其中，所述光谱相机还包括成像系统，所述分光系统分成的两束光的另一束光入射到所述成像系统。
其中，所述光谱相机还包括融合器，所述融合器将所述成像系统采集的图像与所述探测器采集的图像进行融合。
其中，所述分光系统为不均等分光板，用于将前端光学系统的光分成不均等的两束光。
其中，所述色散元件为透射式光栅。
与在先技术相比，本发明的高光谱相机，将一维线性视场扩展为二维视场，实现对二维视场内目标的实时监测，大大提高了探测速度。同时，通过使用微透镜阵列来进行视场分割，可以使现有的探测器实现大视场、高光谱分辨率的同时，实现高空间分辨率。
此外，通过分光系统，建立单独的成像系统分支，能够弥补光谱分析空间分辨率低的不足，实现大视场、高光谱分辨率、高空间分辨率的快照式高光谱成像。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是现有的高光谱相机的结构示意图。
图2是本发明的高光谱相机的第一实施例的结构示意图。
图3是本发明的高光谱相机的第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的第一实施例提供一种基于微透镜阵列的高光谱相机，如图2所示，本实施例的高光谱相机包括：前端光学系统10、视场分割系统20和色散系统30。
具体地，前端光学系统可以是望远系统、微成像系统或其他类型的成像系统的任一种，前端光学系统10将目标成像在系统的焦平面104上。
视场分割系统20包括依次设置的微透镜阵列201和针孔阵列202，具体地，微透镜阵列201的前焦面与前端光学系统10的像面重合，针孔阵列202位于微透镜阵列201的出射方向的子孔径平面上。
进一步地，前端光学系统10可以是如图1中实施例所示的结构，当光线经过第一透镜101后，到达孔径光阑102，然后通过第二透镜103成像到焦平面104上，具体地，孔径光阑102为可调式结构，通过调节孔径光阑102的孔径大小，可以实现对不同目标探测的灵敏度、成像质量、测量速度进行最佳参数匹配。此外，孔径光阑可调在系统标定过程中有重要作用。
进一步地，前端光学系统10的焦平面104与微透镜阵列201的前焦面重合，光纤通过微透镜阵列后形成子孔径，本实施例中，三个视场的光纤通过微透镜阵列201的一个微透镜后，形成一个子孔径，针孔阵列202放置在该子孔径像面处，针孔阵列202能够滤出直接通过微透镜边缘、以及由于衍射产生的杂散光。针孔阵列202的光学特性相当于前端系统的孔径光阑102，同时也为后端系统的视场光阑。通过针孔阵列后的光，其光斑性能良好。
在一个实施例中，微透镜阵列可以使用非球面结构，从而可以提高策划各项直流，如可以使用抛物面型的微透镜组成微透镜阵列。通过仿真可知，抛物面作为微透镜面，可以明显提高子孔径成像质量。
在又一个实施例中，微透镜也可以使用双凸面型透镜组合而成，该设计有助于优化子孔径质量。
进一步地，针孔阵列202经过涂黑处理，能够进一步提高针孔阵列202对杂散光的消除功能。
进一步地，通过微透镜阵列201后形成的子孔径阵列将作为后端色散系统30的“狭缝”进行色散。与常规光谱仪不同，常规光谱仪是对目标视场的像进行色散，而本系统是对目标系统的子孔径进行色散，以实现每一个子视场内的全部光线被色散分析。
进一步地，由于微透镜阵列201会产生一定的像差，与前端光学系统10组合后，形成的子孔径阵列与理论计算的位置会有差异，因此，将针孔阵列设置在可调节的机械部件上，通过调节针孔阵列的位置，从而保证子孔径性能，以达到最佳子孔径的实际位置。
经过孔径阵列202的光线入射到色散系统30，在本实施例中，色散系统包括准直系统301、色散元件302、成像子系统303和探测器304。
具体地，本实施例的孔径阵列202位于准直系统301的前焦面，光线通过准直系统301后被准直，即每一个视场的光束彼此平行。然后通过色散元件302进行色散后，通过成像子系统303成像，并通过探测器304获取成像子系统303所成的像。
图3是本发明的高光谱相机的第二实施例的结构示意图。
在本发明的又一个实施例中，在上述实施例的基础上，通过分光系统50将前端光学系统10的光分成两部分，一部分入射到视场分割系统20，另一部分入射到成像系统40。
该成像系统40可以是现有的几何成像系统，通过该成像系统40，可以得到高空间分辨率的几何图像，而上述的光谱成像部分，则可以产生空间分辨率较低的高光谱图像，然后通过融合器讲两个图像进行融合，从而得到高空间分辨率的高光谱图像。
本实施例中使用的融合器，可以使用现有的相适配的融合器，在此不做具体限定。
本发明的高光谱相机，将一维线性视场扩展为二维视场，实现对二维视场内目标的实时监测，大大提高了探测速度。同时，通过使用微透镜阵列来进行视场分割，可以使现有的探测器实现大视场、高光谱分辨率的同时，实现高空间分辨率。
此外，通过分光系统，建立单独的成像系统分支，能够弥补光谱分析空间分辨率低的不足，实现大视场、高光谱分辨率、高空间分辨率的快照式高光谱成像。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法、装置和电子设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种基于微透镜阵列的高光谱相机，其特征在于，包括：前段光学系统、视场分割系统、色散系统以及探测器；
其中，所述视场分割系统包括依次设置的微透镜阵列和针孔阵列，所述微透镜阵列的前焦面与所述前端光学系统的像面重合，所述针孔阵列位于所述微透镜阵列的子孔径平面。
2.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述针孔阵列的两个外侧面涂黑。
3.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述所述针孔阵列设置在可调节的机械部件上，用于调节所述针孔阵列与所述微透镜阵列之间的距离。
4.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述微透镜阵列使用非球面透镜组合制成。
5.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述微透镜阵列使用双凸面透镜组合制成。
6.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述前端光学系统包括孔径光阑，所述孔径光阑的光圈大小可调。
7.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述色散系统包括准直系统，所述针孔阵列位于所述准直系统的前焦面。
8.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述色散系统还包括：
在所述准直系统的出射光方向依次设置的色散元件、成像子系统和探测器，所述色散元件对所述准直系统准直后的光进行色散，所述色散后的光经过所述成像子系统后，成像在所述探测器上。
9.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述光谱相机还包括分光系统，所述分光系统设置在所述前端光学系统与视场分割系统之间，用于将所述前端分光系统的光分成两束，其中一束入射到所述视场分割系统。
10.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述光谱相机还包括成像系统，所述分光系统分成的两束光的另一束光入射到所述成像系统。
11.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述光谱相机还包括融合器，所述融合器将所述成像系统采集的图像与所述探测器采集的图像进行融合。
12.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述分光系统为不均等分光板，用于将前端光学系统的光分成不均等的两束光。
13.根据权利要求1所述的高光谱相机，其特征在于，所述色散元件为透射式光栅。
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2018
- 2018-03-13 CN CN201810206246.2A patent/CN110274689A/zh active Pending
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