CN112020666A - 用于成像和传递光谱信息的装置 - Google Patents

Abstract

用于成像和传递光谱信息的装置,其包括物镜(1)、图像传感器(2)和具有光谱微分功能的光学组件(3)。具有光谱微分功能的所述光学组件针对至少两种颜色以不同的方式修改点的图像，使得所述点的所述图像的形式传递直接出现在如由所述图像传感器捕获的所述图像中的光谱信息。这种装置能用于检测和/或监视系统中，由此具有较低的假警报值概率。

Description

用于成像和传递光谱信息的装置

本发明涉及一种用于成像和传递光谱信息的装置。

存在光学检测和/或监视应用，对于所述应用，可以从图像中收集的信息不足以导致假警报的低概率和/或无法使得能够充分表征出现在捕获的图像中的物体。实际上，为了产生光学监视，通常例如以每秒十张图像的速率重复地在图像中捕获待监测的场的内容，并且为了检测在监视场内将发生的事件，分析每个图像或分析在连续累积之间发生的变化。通常，待监视的场是宽的或非常宽的，使得要使用大的入射光场物镜，或甚至在一些情况下使用据称是鱼眼型的非常宽的入射光场物镜。如果所寻找的事件由相对于入射光场的扩展较小的物体组成，则所述物体可能会出现在所捕获的图像中，其中其大小接近成像装置的空间分辨率极限或更小或甚至比所述分辨率极限小得多。因此，为了降低假警报的概率，可以关于所捕获的图像中的物体的表观对比度和/或关于由连续捕获的图像所显示的物体的轨迹来应用滤波器。然而，因此而获得的假警报概率值也可能会太高。

为了降低假警报的概率值，除了成像信息之外，还已经提出了收集光学检测的物体的光谱信息。因此，提出了用于检测或监视应用的多光谱或高光谱摄像机。但是，此类多光谱或高光谱摄像机是复杂且昂贵的，并且需要大量的计算构件来使根据多种颜色同时捕获的图像相关以表征出现在多个这些图像中的物体。

还已经提出了干涉测量系统来产生光谱信息，但是所述干涉测量系统实施起来很复杂和/或昂贵。

这种检测和监视需求出现在许多情况下，具体地是在民用领域，例如如卫星远程检测，也就是说，通过卫星成像对位于地球表面的物体进行检测。

然而，当此类发射可能构成威胁时，军事应用是在高风险区域内的导弹发射检测。然后，将用于通过成像进行监视的一个或多个装置指向高风险区域，每个装置均具有包含全部或一部分所述区域的入射光场，并且在连续捕获的图像中寻找刚起飞的至少一个导弹的外观。然后，物镜尽可能快地获取光学信息，使得能够证实导弹发射的发生，并且任选地另外确定威胁类型例如已经发射的导弹类型以尽可能快地采取适当的响应。在这种导弹发射监视的情况下，错误警报的原因可能是太阳光反射，包含部分云层上、民用飞机上和甚至鸟类上的反射。

因此，本发明的一个目的是提出适于检测和/或监视应用并且使得能够获得较低的假警报概率的值的新的光学装置。

本发明的另一个目的是传递关于通过在入射光场内成像而检测到的物体的光谱信息，所述光谱信息例如通过在关于检测到的物体类型的多个概率之间进行区分来帮助表征检测到的物体。

本发明的其它另外的目的是：这种装置易于实施；在传递关于检测到的物体的信息上稳健、可靠、快速；以及与受限的现有检测和/或监视系统相比相当便宜或具有增加成本。

为了实现这些目的或其它目的，本发明提出了一种用于成像和传递光谱信息的装置，所述装置包括：

-物镜，所述物镜适于在焦平面中形成包含在成像装置的入射光场中的场景的图像；

-图像传感器，所述图像传感器安置在所述焦平面中以捕获所述场景的所述图像；以及

-具有光谱微分功能的至少一个光学组件，所述光学组件放置在所述场景与所述焦平面之间的光线路径上。

根据本发明，当所述物镜设置有此光学组件时，与没有所述光学组件的所述物镜形成的场景的某个点的图像相比，具有光谱微分功能的所述光学组件适于修改所述场景的同一点的所述图像。此外，针对源自所述场景中所述点的所述光线的至少两种可能的颜色以不同的方式修改所述场景的同一点的所述图像。因此，所述场景中所述点的所述图像的出现在如由所述图像传感器捕获的所述图像中的形式传递关于所述场景中所述点的光谱信息。

换句话说，具有光谱微分功能的光学组件在捕获的图像中用表观形式替换物体的实际形式，所述表观形式传递有关源自物体的光辐射(或电磁辐射)的光谱信息。然后，此光谱信息可以有助于识别出现在捕获的图像之一中的物体的性质或类型。具体地，其使得能够在感兴趣物体与假警报原因之间进行区分。因此，针对根据本发明的装置降低了假警报的概率。

此外，光谱信息直接包含在所捕获的每个图像中，使得本发明的装置不需要增加成像通道或除了成像通道之外添加分光光度测量获取通道。在包含所寻找的颜色的光谱范围中起作用的成像装置足以作为用于实施本发明的光学设备。光谱信息可以通过单独应用于每个捕获的图像的图像分析处理获得。具体地，这可以是简单且快速的图像处理，如例如应用于所捕获的每个图像的内容的傅立叶变换处理。具体地，无需校准来恢复图像中的物体的表观形式，此表观形式传递光谱信息。由于这些原因，本发明的装置可以特别简单、快速实施并且仅产生有限的附加成本，主要受限于具有光谱微分功能的光学组件。

对于使用检测和/或监视装置的许多情况，并且如上文已经提及的，检测到的感兴趣物体在入射光场中可以很小，并且通常接近成像装置的空间分辨率极限或小于或甚至比所述分辨率极限小得多。然后，实际形式或物体在每个图像中的渲染效果很差或甚至没有出现，使得用光谱信息的形式替换捕获的图像中的物体的此实际形式不会对成像信息构成重大损失，但构成了光谱信息的增益，使得能够更好地表征检测到的物体并且降低假警报的概率。

在本发明的范围内，电磁辐射或光线的颜色意指被限制在中心波长附近的连续波长范围，并且其中辐射具有非零的光谱能量。具体地，贯穿整个说明书使用颜色一词，而不限于人类可见的光的光谱范围。因此，其具体地适用于可见范围，但也适用于整个红外范围并且任选地也适用于近紫外线范围。

优选地，具有光谱微分功能的所述光学组件可以适于根据源自所述场景的此点的第一颜色的光线的第一图像图案修改所述场景中所述点的所述图像，并且根据也源自所述场景的此点的第二颜色的光线的第二图像图案修改所述场景的同一点的所述图像。所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的，并且所述第一图像图案和所述第二图像图案是不同的。在本领域技术人员的行话中，每个图像图案被称为“点扩散函数(Point SpreadFunction)”，对应于首字母缩略词PSF或也被称为“光脉冲响应”。因此，在场景的物体的几何图像的位置处的图像中显而易见的图案是此物体的颜色组成的指示：如果表观图案仅对应于第一图像图案，则物体发射第一颜色的辐射，如果表观图案仅对应于第二图像图案，则物体发射第二颜色的辐射，并且如果表观图案是两个图像图案的叠加，则物体发射同时包含两种颜色的辐射。显而易见的是，如果光学组件被设计成使不同的图像图案与三种或更多种颜色相关联，则所述光学组件可以检测到多于两种颜色。具体地可以通过将傅里叶变换处理应用于图像内容来产生对捕获的图像中的预定图像图案的搜索。

具体地，具有光谱微分功能的所述光学组件可以适于根据在源自所述场景中所述点的所述光线的两种可能的颜色之间不同的拉伸、移位或分割方向在如由所述图像传感器捕获的所述图像中对所述场景中所述点的所述图像进行拉伸、移位或分割。

通常对于本发明而言，具有光谱微分功能的光学组件适于根据针对所述光线可能的第一颜色在所述装置的横向截面的两个不同部分之间有效的第一相移差，并且根据同样在相同的两个部分之间有效但是针对所述光线同样可能的第二颜色的第二相移差，使源自所述场景的同一点但穿过所述两个部分的光线相移，所述两种颜色在光谱上是分开的，并且所述两个相移差是不同的。换句话说，对于两种颜色中的至少一种颜色，每种颜色的光线的相移受到不同的影响，这取决于其穿过的装置的横向截面的部分，并且对于两种颜色，装置的横向截面的两个部分之间的相移差不一样。因此，根据本发明，具有光谱微分功能的光学组件可以是对于两种颜色中的至少一种颜色或对于两种颜色中的每种颜色或对于更多种颜色的选择性指示器。由具有光谱微分功能的光学组件在如本发明中所使用的装置的横向截面的两个部分之间产生的相移差中的一些相移差可以对于至少一种颜色任选地在横向截面的两个不同部分之间为零，而对于至少另一种颜色是非零的。

在本发明的范围内，装置的横向截面意指与装置的光轴以及有助于形成由图像传感器捕获的图像的光线中的所有光线相交的表面的一部分。这种横向截面可以是平坦的或不平坦的，对应于或不对应于物镜的光瞳，对应于或不对应于进入物镜构造的光学透镜或镜面或由专用于具有光谱微分功能的光学组件的支撑件形成。这样的横向截面相对于物镜的可能的纵向光学中心没有限制。

在本发明的简单实施例中，具有光谱微分功能的光学组件可以是其相移特征针对至少一种颜色在装置的横向截面的不同部分之间变化的波片。优选地，这种波片的这些相移特征在装置的横向截面的各个部分之间以在第一颜色与第二颜色之间不同的方式变化。这种波片可以具体地至少部分地由一种介电材料的膜组成，所述膜的厚度在装置的横向截面中的每个区域上变化。

在本发明的优选实施例中，具有光谱微分功能的所述光学组件可以包含相同的电磁谐振器，当光线的颜色相对于每个谐振器的谐振波长变化时，电磁谐振器各自以可变的方式高效地用于相移和/或衰减所述光线。所述相同的谐振器分布在所述装置的所述横向截面的所述部分中的一个中，除了此横向截面的至少另一个部分之外。

优选地，具有光谱微分功能的光学组件的电磁谐振器中的每个电磁谐振器可以具有至少一个平行于装置的横向截面测量的尺寸，所述尺寸小于此谐振器的谐振波长。在本领域技术人员的行话中，这种电磁谐振器被称为纳米谐振器，即使其尺寸中的一个或每个尺寸可以大于几纳米或几十纳米。其的使用使得能够限制谐振器可能产生的光的寄生扩散。以此方式，可以更准确地定义用于产生光谱微分功能的图像图案。例如，根据本发明的装置因此可以具体地适于成像和光谱信息功能，当每个电磁谐振器具有至少一个平行于装置的横向截面测量的小于1μm(微米)的尺寸时，所述光谱信息功能在可见范围和近红外范围内均有效。

可能地，光学组件可以包含多种不同类型的电磁谐振器，多种不同类型的电磁谐振器对应于因不同类型的谐振器而异的谐振波长。可替代地或组合地，不同类型的电磁谐振器可以对应于相对于同一波长而异的相移值。因此，每种类型的所述谐振器包含在所述装置的所述横向截面的一部分中，所述部分具有至少一个边缘，所述至少一个边缘在所述横向截面内的定向不同于包含另一类型的谐振器的所述装置的所述横向截面的另一部分的至少一个边缘的定向。以此方式，本发明的装置可以指示由检测到的物体产生的辐射中的多种颜色的存在或不存在。因此可获得更完整的光谱信息，具体地是用于识别检测到的物体的性质或类型。

在本发明的特定实施例中，所述光学组件可以包含N种类型的电磁谐振器，N是介于1与33之间的整数，也就是说2到2⁵的整数。因此，所述装置的所述横向截面的一部分可以被划分成N个区域，每个区域可能是从横向截面的此部分的中心点延伸的角扇区。在这种配置中，专用于包含所述类型之一的所有电磁谐振器的所述装置的所述横向截面的每个部分可以在由对所述区域中的一个或多个区域的选择组成的横向截面的所述部分内，此选择相对于其它类型的谐振器特定地针对所述类型的谐振器。但是，专用于包含所述类型之一的所述所有电磁谐振器的横向截面的所述部分也可以另外包含其它类型中的一些类型的部分谐振器。

例如，为了表征源自检测到的物体的电磁辐射中的两种颜色，N可以等于3，并且装置的横向截面的一部分可以被划分成第一区域、第二区域和第三区域。例如，每个区域可以是从横向截面的所述部分的中心延伸的角扇区，并且这三个区域可以具有相等的相应角宽。因此，第一类型、第二类型和第三类型的电磁谐振器可以分别包含在所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域中，每个区域只具有电磁谐振器的所述类型中的一种。此外，电磁谐振器可以适于当第一颜色根据在横向截面的所述部分中定向的路径从所述区域中的一个传到另一个时产生等于2·π/3·±·π/4的相移差，也就是说介于2·π/3-π/4与2·π/3+π/4之间，优选地介于2·π/3·-·π/8与2·π/3·+·π/8之间；并且当第二颜色根据在横向截面的所述部分中定向的同一路径从所述区域中的一个传到另一个时产生等于4·π/3·±·π/4的相移差，也就是说介于4·π/3·-·π/4与4·π/3·+·π/4之间，优选地介于4·π/3·-·π/8与4·π/3·+·π/8之间，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的。可以通过替换电磁谐振器的使用的波片可替代地产生根据横向截面的一部分内的区域的同一分区的相同相移差。

另外地，并且为了表征源自检测到的物体的电磁辐射中的两种颜色，N可以等于4，并且装置的横向截面的一部分可以被划分成第一区域、第二区域、第三区域和第四区域。具体地，每个区域也可以是从横向截面的所述部分的所述中心延伸的角扇区，并且这四个区域也可以具有相等的相应角宽。因此，第一类型、第二类型、第三类型和第四类型的电磁谐振器可以包含在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域和所述第四区域中，其中每个区域具有两种类型的电磁谐振器，并且仅改变在横向截面的所述部分内相邻的两个区域之间的一种类型的电磁谐振器。此外，电磁谐振器可以适于产生等于以下的相移差：

对于所述区域中在所述横向截面的所述部分内根据第一边界方向分开的区域之间的第一颜色为π±π/4，也就是说介于3·π/4与5·π/4之间，优选地介于7·π/8与9·π/8之间；

对于所述区域中在所述横向截面的所述部分内根据与所述第一边界方向不同的第二边界方向分开的区域之间的相同的第一颜色为0±π/4，也就是说介于-π/4与+π/4之间，优选地介于-π/8与+π/8之间；

对于所述区域中在所述横向截面的所述部分内根据所述第二边界方向分开的区域之间的第二颜色为π±π/4，也就是说介于3·π/4与5·π/4之间，优选地介于7·π/8与9·π/8之间，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的；以及

对于在所述横向截面的所述部分内根据所述第一边界方向分开的所述区域中的区域之间的第二颜色为0±π/4，也就是说介于-π/4与+π/4之间，优选地介于-π/8与+π/8之间。

优选地，在所述装置的所述横向截面的所述部分中相邻的区域之间的所述第一边界方向和第二边界方向可以是垂直的。

根据可以具体地适于广角或鱼眼型物镜的本发明的改进，由包含在如先前实施的所述装置的所述横向截面的所述部分中的所述区域形成的图案可以在所述装置的所述横向截面中重复以形成所述横向截面的平铺块，所述装置具有包含在每个所述区域中的电磁谐振器。

在本发明的可能实施例中，每个电磁谐振器可以是以下之一：

-金属-绝缘体-金属类型的纳米天线，并且具有光谱微分功能的所述光学组件然后用于在所述装置内反射所述光线；

-安置在透明支撑件上的金属纳米棒，并且在这种情况下，具有光谱微分功能的所述光学组件用于在所述装置内通过所述透明支撑件透射所述光线；以及

-位于至少两个导电部分之间的空腔或介电材料的一部分，并且形成亥姆霍兹(Helmholtz)谐振器，所述亥姆霍兹谐振器高效地对冲射到所述空腔或介电材料的所述部分上的电磁辐射进行反射，并且具有光谱微分功能的所述光学组件再次用于在所述装置内反射所述光线。

可能地，具有光谱微分功能的所述光学组件可以安置在所述物镜的透镜的光学面上或可以形成所述物镜的反射光学面，在两种情况下均优选地是所述物镜的输入光学面。

通常，本发明的所述装置进一步包括用于分析由所述图像传感器捕获的所述场景的所述图像的构件，这些分析构件适于向所述场景的所述图像应用傅立叶变换处理，并且根据所述傅立叶变换处理的结果产生所述光谱信息。

对于较广泛领域中的监视应用，也就是说入射光场的孔径角大于120度，所述物镜可以是广角或鱼眼型。

最后，所述装置可以进一步包括：

-驱动器构件，所述驱动器构件适于当所述物镜设置有具有光谱微分功能的所述光学组件时控制由所述图像传感器捕获的连续图像，并且控制所述分析构件以传递来自每个捕获的图像的针对所述场景的至少一点的光谱信息；

-存储器构件，所述存储器构件适于存储至少一个光谱标准；

-比较构件，所述比较构件被布置成将来自至少一个捕获的图像的针对所述场景中所述点传递的所述光谱信息与存储在存储器中的标准进行比较；以及-检测构件，所述检测构件适于当获得的所述场景中所述点的所述光谱信息对应于存储在存储器中的所述标准时产生正检测消息。

参考附图，本发明的其它具体特征和优点在以下实施例的非限制性实例的描述中将变得显而易见，其中：

-图1是根据本发明的用于成像和传递光谱信息的装置的纵向截面；

-图2a、2b和2c分别示出了根据图1的装置的横向截面的划分(图2a)以及根据本发明的第一实施例的能用于检测两种颜色的所产生的图像图案(图2b和2c)；

-图3a是由纳米天线针对纳米天线的多个长度值所产生的作为电磁辐射波长函数的相移值的图；

-图3b对应于图2a，是针对图1的装置的横向截面的另一种划分，并且根据本发明的第二实施例具有四种不同类型的纳米天线分布；

-图3c-3f分别是电磁辐射波长的函数图，其示出了针对图3b的纳米天线分布的相邻区域之间存在的相移差；

-图3g示出了与针对第一颜色、针对图3b-3f的本发明的第二实施例产生的相移差相关联的边界方向，并且示出了由此产生的用于检测第一颜色的第一图像图案；

-图3h对应于针对第二颜色和针对本发明的相同的第二实施例的图3g，并且示出了由此产生的用于检测第二颜色的第二图像图案；

-图4展示了本发明的改进，其可以具体地适于具有广角或鱼眼型物镜的本发明的实施例；

-图5示出了构成监视系统的根据本发明的装置的各种模块；以及

-图6a、6b和6c是可以用于本发明的实施例的三种类型的电磁谐振器的透视图。

为了清楚起见，这些图中所示出的元件的尺寸不对应于实际尺寸或实际尺寸比例。此外，在不同图中指示的相同附图标记指定相同元件或具有相同功能的元件。

根据图1，成像装置可以包含由多个透镜(例如四个透镜1a-1d)组成的物镜1和图像传感器2。可能地，物镜可以包含如非球面镜等反射光学组件而不是透镜中的至少一些透镜。物镜1具体地可以是本领域技术人员已知的广角和超广角(鱼眼)类型之一，其中具体地是入射光场的孔径角可以大于120°(度)。图像传感器2放置在物镜1的焦平面中，并且可以是可商购获得的模型之一的矩阵传感器。

图1中的附图标记A-A和S指示成像装置的光轴以及此装置与光轴A-A相交的部分。在本说明书的一般部分中，截面S被称为横向截面。其可以是物镜1的光瞳或物镜1的组件之一的折光或反射光学面。通常对于本发明而言，横向截面S不一定是平坦的，尤其是当其对应于物镜1的组件之一的光学面时。优选地，横向截面S不对应于中间成像平面。在本发明的可能的实施例中，并且尤其是当物镜1是广角或鱼眼型时，横向截面S可以是物镜1的输入面，例如透镜1a的光学正面(图1)。

根据本发明，将补充组件添加到物镜1，其功能是在由传感器2捕获的每个图像中产生颜色指示。因此，此补充组件被称为具有光谱微分功能的光学组件。可以将其应用于具有物镜1的成像功能的组件之一的光学面上或形成自支撑的或具有与其它光学组件不同的支撑件的单独的光学组件。在进一步描述的本发明的实施例中，具有光谱微分功能的此光学组件与如上文所介绍的装置的横向截面S叠加，并且在附图中标记为3。因此，其被源自包含在成像装置的入射光场中的场景的光线穿过，并且在图像传感器2上形成此场景的图像。

具体地，当物镜1为广角或鱼眼型时，位于入射光场中并且尺寸受限的物体可能会在成像装置的空间分辨率的极限或小于此分辨率极限下出现在图像中。在这种情况下，在每个图像内用另一个图案替换此物体的几乎为点或为点的外观不会为了识别所述物体而引起信息丢失。根据这种情况，本发明(由在每个捕获的图像中用获取关于由物体发射的电磁辐射的光谱信息的图像图案替换物体的外观组成)构成了显著的信息增益以成功地识别物体。优选地，根据本发明的用于表达光谱信息的每个图像图案可以具有在每个捕获的图像内降低的扩展，以便将也位于入射光场中的其它场景元件最小地掩盖。具体地，用于表达光谱信息的每个图像图案可以在捕获的图像中具有不大于成像装置的空间分辨率极限的尺寸。例如，所使用的每个图像图案可以在所捕获的每个图像中具有扩展，所述扩展大约为图像传感器2的若干个像素，优选地为三个或五个像素。

在现在参考图2a-2c描述的本发明的第一可能实施例中，光学组件3可以是由厚度不均匀的透明材料制成的波片。因此，这种波片可以安置在物镜1内以与横向截面S重合。

根据图2a，这种光学组件3可以在横向截面S中被划分成大小相同的三个邻近区域S1、S2和S3。例如，这些区域中的每一个可以是从光轴A-A与横向截面S的相交处延伸的角扇区，其中每个区域的顶点处的角等于2·π/3。光学组件3可以在区域S1内由具有平行面的第一透明板组成，并且其中所述第一透明板的厚度适于针对穿过区域S1的对应于接近760nm(纳米)的波长值的红色光线在此区域S1中产生大约2·π/3的相位滞后。同时，组件3在区域S2中由具有平行面的第二透明板组成，其中所述第二透明板的厚度适于针对不但是红色而且穿过区域S2的光线产生大约4·π/3的相位滞后。最后，其在区域S3中由具有平行面的第三透明板组成，其中所述第三透明板的厚度适于针对仍不但是红色而且穿过区域S3的光线产生大约2·π的相位滞后，这相当于此区域S3中基本上为零的相位滞后。关于如在不存在组件3的情况下在成像装置中发生的红色光线的传播，可以考虑这些相位滞后或相移。然后，存在于成像装置的入射光场中的红光的点光源或几乎点光源以靠近在一起的三个点的形式出现在每个捕获的图像中，所述三个点位于所捕获的图像中的此光源的几何图像的位置处。此图像图案在图2b中由M1指定。可能地，组件3可以被适配成使得图像图案M1的三个点变得彼此更靠近，使得图像图案M1变成边长不大于成像装置的空间分辨率极限的三角形，例如介于3个与5个像素之间的三角形边长。以此方式，对于红色光线来自其中的物体，可以在由图像传感器2捕获的每个图像内保持足够的对比度。

如果组件3的透明材料在三个区域S1、S2和S3中具有对应于接近380nm的波长值的蓝色的折射率值(所述蓝色的波长值基本上等于红色的波长值)，则组件3针对蓝色在区域S1中产生大约等于4·π/3的相位滞后；并且在区域S2中产生大约等于8·π/3的相位滞后，这相当于在所述区域S2中基本上等于2·π/3的相位滞后；并且在区域S3中产生大约等于4·π的相位滞后，再次相当于在所述区域S3中基本上为零的相位滞后。蓝光的点光源的所产生的图像图案如图2c所示并且由M2指定，并且出现在位于此光源的几何图像的位置处的每个捕获的图像中。其再次包含三个点，所述三个点靠近在一起，但是与图像图案M1相比，每个捕获的图像的总体定向旋转了π/3。图案M1和M2也可以各自作为根据呈π/3的角度分开的三个方向的点几何图像的拉伸或移位同时出现。

因此，在捕获的图像中的图像图案M1的识别指示由光源发射的光辐射具有红色的组分，并且图像图案M2的识别指示其具有蓝色的组分。两个图像图案M1和M2的叠加(近似呈六点星或具有六个波瓣的斑点的形状)指示由光源发射的光辐射同时具有红色的组分和另一个蓝色的组分色，其中相应光谱能量与叠加的两个图像图案M1和M2的相应光强度相关。

尽管刚刚描述的实施例基于由透明材料制成的波片，但是本领域技术人员将理解，在阅读以下基于电磁谐振器的第二实施例的描述时，当适当地选择时，图2b和2c中的图像图案M1和M2也可以由此类电磁谐振器产生。为此，区域S1可以专用于包含所有第一类型的电磁谐振器，所述第一类型的电磁谐振器适于向红色的电磁辐射施加相移

并且向蓝色的电磁辐射施加相移

然后，区域S2将专用于包含所有第二类型的电磁谐振器，所述第二类型的电磁谐振器适于向红色的辐射施加相移

并且向蓝色的辐射施加相移

另外，区域S3将专用于包含所有第三类型的电磁谐振器，所述第三类型的电磁谐振器适于向红色的辐射施加相移

并且向蓝色的辐射施加相移

或以等效的方式施加

对于刚刚参考图2a-2c描述的本发明的所有第一实施例，在本发明的一般描述中提及的横向截面S的部分由区域S1-S3一个接一个地形成。

现在参考图3a-3h描述本发明的第二可能实施例。在这些第二实施例之一中，光学组件3由在横向截面S内的金属-绝缘体-金属(MIM)纳米天线类型的电磁谐振器的分布组成。

以已知的方式并且参考图6a，MIM纳米天线包括金属材料10的区段，所述金属材料平行于连续的金属表面11安置，同时通过绝缘材料的中间膜12与其隔离。例如，区段10和连续表面11的金属可以是金，并且中间膜12可以由二氧化硅(SiO₂)或环氧聚合物制成。这种纳米天线构成了法布里-珀罗型电磁谐振器(Fabry-Pérot type electromagneticresonator)，其中谐振波长值取决于区段10的长度，被称为纳米天线长度。在下文中，每个区段10的宽度等于400nm(平行于表面11)、厚度等于50nm(垂直于表面11)，这些宽度和厚度对于所有所考虑的MIM纳米天线均是恒定的。然后，光学组件3形成具有可调整相移的电磁辐射反射器，所述光学组件由连续金属表面11、安置在其上的绝缘材料的膜12以及位于绝缘材料的膜12上的金属区段10的足够致密的分布(其一侧与连续金属表面11相对)组成。在反射辐射与入射辐射之间有效的此相移作为辐射波长函数而变化并且可以通过选择存在于反射位置处的金属区段10的长度来调整。图3a示出了长度值为500nm、600nm、...、1400nm和1500nm的纳米天线的以π为单位表示的此相移作为电磁辐射波长函数的变化。对于图3a，绝缘材料的膜12由二氧化硅制成并且厚度为300nm，金属区段10根据基本上等于1.8μm(微米)的间距沿两个垂直方向分布，并且电磁辐射垂直于反射器反射。此处未描述辐射的偏振效应，假设所述偏振效应是本领域技术人员已知的并且可以通过使用在横向截面S中沿两个垂直方向定向的金属段区10来处理。

根据图3a中的图，纳米天线长度为750nm的第一纳米天线反射器和纳米天线长度为900nm的第二纳米天线反射器反射波长为3μm(微米)的电磁辐射，其中相移差基本上等于0.75·π。这些相同的第一和第二反射器反射波长为5μm的另一种电磁辐射，其中相移差基本上为零。同样，纳米天线长度为1200nm的第三纳米天线反射器和纳米天线长度为1500nm的第四纳米天线反射器反射波长为3μm的电磁辐射，其中相移差也基本上为零；并且反射波长为5μm的电磁辐射，其中相移差基本上等于1.25·π。

然后，第二实施例的光学组件3可以通过将成像装置的横向截面S从光轴A-A划分成四个区域S1、S2、S3和S4(例如各自在其顶点处成直角的四个角扇区)来产生。如图3b所指示的，光学组件3可以用在整个横向截面S上均是连续的金属表面和绝缘膜并且可以通过使用在区域S1中长度为750nm和1200nm、在S2区域中长度为750nm和1500nm、在S3区域中长度为900nm和1500nm并且在S4区域中长度为900nm和1200nm的纳米天线来获得。区域S1、S2、S3和S4中的每个区域内的成对的纳米天线类型的此类组合是可能的，因为每条纳米天线的有效截面值远远大于此纳米天线的金属区段10在横向截面S内所占据的区域。图3b中不同长度的破折号以符号形式示出了各种类型的纳米天线：破折号R1是长度为750nm的纳米天线、破折号R2是长度为900nm的纳米天线、破折号R3是长度为1200nm的纳米天线并且破折号R4是长度为1500nm的纳米天线。

本发明的第二实施例的当前描述与本发明的一般描述中所使用的术语之间的联系如下：

-两个区域S1和S2一起形成横向截面S的第一部分，所述第一部分专用于包含所有长度为750nm的纳米天线；

-同样，两个区域S2和S3一起形成横向截面S的第二部分，所述第二部分专用于包含所有长度为1500nm的纳米天线；

-两个区域S3和S4一起形成横向截面S的第三部分，所述第三部分专用于包含所有长度为900nm的纳米天线；

-两个区域S4和S1一起形成横向截面S的第四部分，所述第四部分专用于容纳长度为1200nm的所有纳米天线；

-方向D1是将横向截面S的第二部分和第四部分分开的边界方向，被称为第一边界方向；并且

-方向D2是将横向截面S的第一部分和第三部分分开的边界方向，被称为第二边界方向。

图3c中的图示出了存在于在区域S1中反射的辐射的第一部分与在区域S2中反射的辐射的第二部分之间的相移差作为由光学组件3反射的辐射波长函数的变化。根据图3c的图，波长为3μm的辐射在区域S1与S2之间经历的相移差基本上为零，而波长为5μm的辐射在这两个相同的区域S1与S2之间经历的相移差基本上等于(-)π。3μm波长和5μm波长在邻近区域之间的精确相移差值由于每个区域中的两种不同类型的纳米天线的关联而获得。

图3d中的图示出了存在于在区域S4中反射的辐射的第四部分与在区域S3中反射的辐射的第三部分之间的相移差作为由光学组件3反射的辐射波长函数的变化。根据图3d中的图，波长为3μm的辐射经历的相移差再次基本上为零(但是现在在区域S3与S4之间)，而波长为5μm的辐射在这两个区域S3与S4之间经历的相移差再次基本上等于(-)π。

然后，从图3b、3c和3d中得出，光学组件3在区域S1与S2之间的边界的两侧之间引起相移差，所述相移差在区域S3与S4之间的直线中延伸，波长为3μm的辐射的相移差基本上为零，并且波长为5μm的辐射的相移差基本上等于π。因此，光学组件3针对对应于5μm波长的第一辐射颜色但不针对对应于3μm波长的第二辐射颜色产生垂直于边界方向D1的点光源或几乎点光源的图像的拉伸或分割。因此，图3g中的图像图案(标记为M1'并且被称为第一图像图案)与对应于5μm波长的第一颜色相关联。

图3e中的图示出了存在于在区域S1中反射的辐射的第一部分与在区域S4中反射的辐射的第四部分之间的相移差作为由光学组件3反射的辐射波长函数的变化。根据图3e中的图，波长为3μm的辐射在区域S1与S4之间经历的相移差基本上等于(-)π，而波长为5μm的辐射在这两个区域S1与S4之间经历的相移差基本上为零。

图3f中的图示出了存在于在区域S2中反射的辐射的第二部分与在区域S3中反射的辐射的第三部分之间的相移差作为由光学组件3反射的辐射波长函数的变化。根据图3f中的图，波长为3μm的辐射在区域S2与S3之间经历的相移差再次基本上等于(-)π，而波长为5μm的辐射在这两个区域S2与S3之间经历的相移差再次基本上为零。

然后，从图3b、3e和3f中得出，光学组件3在区域S1与S4之间的边界的两侧之间引起相移差，所述相移差在区域S2与S3之间的直线中延伸，波长为3μm的辐射的相移差基本等于π，并且波长为5μm的辐射的相移差基本上为零。因此，光学组件3针对对应于3μm波长的第二辐射颜色但不针对对应于5μm波长的第一辐射颜色产生垂直于边界方向D2的点光源或几乎点光源的图像的拉伸或分割。因此，图3h中的图像图案(标记为M2'并且被称为第二图像图案)与对应于3μm波长的第二颜色相关联。

本发明的其它实施例(具体地是在图3b-3h的实施例的模型上)可以通过用包含安置在绝缘和透明支撑件上的金属纳米棒的电磁谐振器替换MIM纳米天线电磁谐振器来设计。例如，根据图6b，安置在由二氧化硅21制成的支撑件上的金纳米棒20可以用于形成每个电磁谐振器。对于此类金属纳米棒谐振器，谐振是当入射辐射的波长对应于纳米棒的尺寸组合时由于表面等离子体的出现。然后，由此获得的光学组件3用于透射形成由传感器2捕获的图像的光线。然后，针对由组件3透射的电磁辐射所产生的相移取决于区域S1-S4中的每个区域中的每个纳米棒的尺寸，并且还取决于辐射的波长。然后，本领域技术人员可以参考以此类电磁谐振器为主题可获得的科学文章以获得图3c-3f中与位于绝缘和透明支撑件上的纳米棒谐振器有关的示意图版本。根据此类图，已经提出的针对MIM纳米天线谐振器设计能够通过适当选择谐振器的参数值来显示两种颜色的光学组件的方法可以容易地调换成纳米棒谐振器。

本发明的其它实施例也可以通过使用代替MIM纳米天线的亥姆霍兹谐振器类型的电磁谐振器来设计。如图6c所展示的，此类亥姆霍兹谐振器各自通过将布置在共有金属表面31上的纳米空腔30与在部分地密封纳米空腔30的同时与共有金属表面31电隔离的另外的金属部分32组合而形成。例如，绝缘材料的膜33(例如二氧化硅膜)可以是位于每个另外的金属部分32与共有金属表面31之间的中间体。共有金属表面31用作基础反射器，并且亥姆霍兹谐振器以取决于入射辐射的波长的方式修改反射特征。金属表面31和绝缘材料的膜33可以为所有亥姆霍兹谐振器所共有，每个亥姆霍兹谐振器均具有纳米空腔30和与其它谐振器分开的另外的金属部分32。在每个亥姆霍兹谐振器内，纳米空腔30具有感应行为，并且另外的金属部分32形成电容器，所述电容器的金属表面31围绕纳米空腔。以已知的方式，因此，由此形成的每个亥姆霍兹谐振器具有针对入射的电磁辐射的反射谐振，其中相移和谐振特征随入射辐射的波长变化，所述入射辐射的波长取决于纳米空腔的尺寸、另外的金属部分的尺寸并且还取决于另外的金属部分32与纳米空腔30的外围边缘之间的绝缘膜33的厚度。以与先前相同的方式，本领域技术人员将能够将已经参考图3b-3h描述的基于MIM纳米天线的第二实施例调换成基于亥姆霍兹谐振器的本发明的实施例。

以本领域技术人员还已知的方式，电磁谐振器的谐振特征(如刚刚引用的MIM纳米天线、纳米棒、亥姆霍兹谐振器的谐振特征)随入射电磁辐射的偏振变化而变化。然后有可能获得仅对根据固定方向偏振的入射辐射有效的光学组件3，这随后由横向截面S中的谐振器的形状和定向确定。可替代地，有可能通过在横向截面S的每个区域中关联同一类型但针对入射辐射的偏振方向之一定向的一些谐振器和针对垂直偏振方向的其它谐振器获得以同一方式对两个垂直偏振有效的光学组件3。

通过增加成像装置的横向截面S的分区中的区域数量，有可能产生与M1(图2b)、M2(图2c)、M1'(图3g)和M2'(图3h)不同的图像图案作为入射辐射中的颜色指示器。具体地，采用多于四个角扇区可以使得能够根据所捕获的图像中的更多不同方向来产生点光源的图像的拉伸或分割，并且因此显示出更多的在光谱上分开的颜色。还有可能采用除了角扇区之外的区域的形状，并且选择除了0和π之外的相邻区域之间的相移差的值。因此，本领域技术人员将理解，通过创建对穿过成像装置的横向截面S的此颜色的辐射有效的适当的相移分布，任何图像图案均可以与由点光源或几乎点光源发射的辐射中的待寻找的颜色相关联。

在本发明的进一步的可能的实施例中，光学组件3可以被设计成针对由所述组件3透射或反射的辐射产生相移涡旋。然后，在所捕获的每个图像中的图像图案是光环，所述光环的半径取决于由形成点光源或几乎点光源的物体发射的辐射的波长，并且因此涡旋是连续的。

对于上文已经描述的本发明的实施例，如在本发明的一般描述中引入的横向截面S的部分对应于成像装置的整个横向截面。但是在一些情况下，具体地是当物镜1为广角或鱼眼型时，在横向截面S中重复相移图案可能是有利的，使得来自入射光场内的任何方向并且在图像传感器2上形成物体的图像的光束受整个相移图案的影响。在图4中，具有四个区域S1-S4的相移图案被限制在小于整个横向截面S的正方形P内，并且重复具有四个区域S1-S4的此正方形图案以形成横向截面的平铺块。对于本发明的此替代性实施例，构成相移图案的重复的每个正方形P在本发明的一般描述的意义内是横向截面S的一部分。

参考图5，由根据本发明的用于成像和传递光谱信息的装置形成的检测和/或监视系统可以进一步包括用于分析图像并且检测将呈现在入射光场中的物体的驱动器构件。标记为10的图像分析构件可以适于在存在光学组件3的情况下产生由传感器2捕获的每个图像的傅立叶变换。实际上，通过傅立叶变换进行的这种分析对于显示存在于每个捕获的图像中的与形成此图像的辐射中所寻找的颜色相关联的图像图案可能特别有效。分析构件10的输出可以是全部或部分入射光场中所寻找的每种颜色的存在或不存在的指示，并且任选地具有针对此颜色的辐射的强度指示。然后可以提供比较构件13以针对每个捕获的图像或其样本对由分析构件10传递的光谱指示与存储在存储器模块12中的光谱标准进行比较。当存储在模块12中的标准表征威胁时，例如当其对应于可能由导弹的反应堆产生的热辐射时，可以提供检测模块14以产生适当的警报信号。为了也降低这种通过成像和光谱信息传递进行操作的监视系统的假警报的概率，有可能在图像中的至少一个图像中另外关联物体的检测，所述物体满足存储在具有在连续捕获的图像之间出现的此物体的移动特性化的存储器中的光谱标准。具体地，如图5所展示的系统可以是导弹发射检测器或MLD。

以本领域技术人员已知的方式，检测和/或监视系统的组件中的所有组件均由构成驱动器构件的控制器11控制并同步化。

通常，为了实施本发明，由成像装置形成的物体图像不需要小于此装置的空间分辨率极限。实际上，可以使用图像处理，所述图像处理从比装置的空间分辨率极限大或大得多的物体的图像传递点扩散函数(或PSF)或所述函数的足够的特征。换句话说，即使对此物体进行了空间分辨，也可以从物体的图像中提取通过使用本发明而具有一种颜色特性的成像图案。在这种情况下，本发明的装置在没有比色滤波的情况下累积了通常的成像功能，并且具有由具有光谱微分功能的光学组件添加的颜色检测功能。换句话说，在没有使用滤色器或将光路分成装置内的多个光谱通道的情况下通过本发明获得颜色成像功能。

本发明也可以通过相对于上文已经详细描述的实施例修改许多次要特征进行再现。例如，横向截面S中的区域不一定是角扇区或角扇区的并集。其可以具有任何几何形状、对称形状或非对称形状，应当理解的是，其相应表面限制了经受由具有光谱微分功能的光学组件产生的每个相移值的入射辐射的比例。

最后，需要提醒的是，本发明不限于检测将可能出现在监视领域内的威胁，并且其还可以应用于多种其它应用，包含卫星远程检测、机场区域内鸟类的检测等。

Claims (12)

1.用于成像和传递光谱信息的装置，所述装置包括：

-物镜(1)，所述物镜适于在焦平面中形成包含在成像装置的入射光场中的场景的图像；

-图像传感器(2)，所述图像传感器安置在所述焦平面中以捕获所述场景的所述图像；以及

-具有光谱微分功能的至少一个光学组件(3)，所述光学组件放置在所述场景与所述焦平面之间的光线路径上，当所述物镜(1)设置有所述光学组件时，与没有所述光学组件的所述物镜形成的场景的某个点的图像相比，所述光学组件适于针对源自所述场景中所述点的所述光线的至少两种可能的颜色以不同的方式修改所述场景的同一点的所述图像，使得在如由所述图像传感器(2)捕获的所述图像中出现的所述场景中所述点的所述图像的形式传递关于所述场景中所述点的光谱信息，

所述装置的特征在于，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)适于根据针对所述光线可能的第一颜色在所述装置的横向截面(S)的两个不同部分之间有效的第一相移差，并且根据同样在相同的两个部分之间有效但是针对所述光线可能的第二颜色的第二相移差，使来自所述场景的同一点但穿过所述两个部分的光线相移，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的，并且所述第一相移差和所述第二相移差是不同的，

且其中，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)包含相同的电磁谐振器(R1-R4)，当所述光线的颜色相对于每个谐振器的谐振波长变化时，谐振器各自以可变的方式高效地用于相移和/或衰减所述光线，所述相同的谐振器分布在所述装置的所述横向截面(S)的所述部分中的一个中，除了所述装置的所述横向截面的所述部分中的至少另一个之外。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)适于根据源自所述场景中所述点的第一颜色的光线的第一图像图案(M1；M1')修改所述场景中所述点的所述图像，并且根据源自所述场景中所述点的第二颜色的光线的第二图像图案(M2；M2')修改所述场景中所述点的所述图像，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的，并且所述第一图像图案和所述第二图像图案是不同的。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)适于根据在源自所述场景中所述点的所述光线的两种可能的颜色之间不同的拉伸、移位或分割方向在如由所述图像传感器(2)捕获的所述图像中对所述场景中所述点的所述图像进行拉伸、移位或分割。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)包含多种不同类型的电磁谐振器(R1-R4)，多种不同类型的电磁谐振器对应于因不同类型的谐振器而异的谐振波长，或对应于相对于同一波长因不同类型的谐振器而异的相移值，

并且其中，每种类型的所述谐振器包含在所述装置的所述横向截面(S)的一部分中，所述部分具有至少一个边缘，所述至少一个边缘在所述装置的所述横向截面内的定向不同于包含另一类型的谐振器的所述装置的所述横向截面的另一部分的至少一个边缘的定向。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光学组件(3)包含N种类型的电磁谐振器(R1-R4)，N是介于1与33之间的整数，并且其中，所述装置的所述横向截面(S)的一部分从所述横向截面的所述部分的中心点划分成N个区域，并且专用于包含所述类型之一的所有电磁谐振器的所述装置的所述横向截面的每个部分通过选择所述区域中的一个或多个区域而形成在横向截面的所述部分内，所述选择相对于其它类型的谐振器特定地针对所述类型的谐振器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，N等于3，并且所述装置的所述横向截面(S)的所述部分划分成第一区域、第二区域和第三区域，

第一类型、第二类型和第三类型的电磁谐振器分别包含在所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域中，每个区域只具有电磁谐振器的所述类型中的一种，

并且电磁谐振器适于当第一颜色根据在横向截面(S)的所述部分中定向的路径从所述区域中的一个传到另一个时产生等于2·π/3·±·π/4的相移差，并且当第二颜色根据在横向截面的所述部分中定向的同一路径从所述区域中的一个传到另一个时产生等于4·π/3·±·π/4的相移差，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，N等于4，所述装置的所述横向截面(S)的所述部分划分成第一区域(S1)、第二区域(S2)、第三区域(S3)和第四区域(S4)，

第一类型(R1)、第二类型(R2)、第三类型(R3)和第四类型(R4)的电磁谐振器包含在所述第一区域、所述第二区域、所述第三区域和所述第四区域中，每个区域具有两种类型的电磁谐振器，并且仅改变在横向截面(S)的所述部分内相邻的两个区域之间的一种类型的电磁谐振器，

并且电磁谐振器适于产生等于以下的相移差：

对于所述区域中在所述横向截面(S)的所述部分内根据第一边界方向(D1)分开的区域之间的第一颜色为π±π/4；

对于所述区域中在所述横向截面(S)的所述部分内根据与所述第一边界方向(D1)不同的第二边界方向(D2)分开的区域之间的所述第一颜色为0±π/4；

对于所述区域中在所述横向截面(S)的所述部分内根据所述第二边界方向(D2)分开的区域之间的第二颜色为π±π/4，所述第一颜色和所述第二颜色在光谱上是分开的；以及

对于所述区域中在所述横向截面(S)的所述部分内根据所述第一边界方向(D1)分开的区域之间的所述第二颜色为0±π/4。

8.根据权利要求5到7中任一项所述的装置，其特征在于，由包含在所述装置的所述横向截面(S)的所述部分中的区域形成的图案(P)在所述装置的所述横向截面中重复以形成所述横向截面的平铺块，所述装置具有包含在每个所述区域中的电磁谐振器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个电磁谐振器(R1-R4)是金属-绝缘体-金属(10，11，12)类型的纳米天线，并且具有光谱微分功能的所述光学组件(3)用于在所述装置内反射所述光线，

或每个电磁谐振器是安置在透明支撑件(21)上的金属纳米棒(20)，并且具有光谱微分功能的所述光学组件(3)用于在所述装置内通过所述透明支撑件透射所述光线，

或每个电磁谐振器是位于至少两个导电部分(31，32)之间的空腔(30)或介电材料的一部分，并且形成亥姆霍兹谐振器，所述亥姆霍兹谐振器高效地对冲射到所述空腔或介电材料的一部分上的电磁辐射进行反射，并且具有光谱微分功能的所述光学组件(3)用于在所述装置内反射所述光线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有光谱微分功能的所述光学组件(3)安置在所述物镜(1)的透镜的光学面(1a)上，或形成所述物镜的反射光学面，在两种情况下优选地是所述物镜的输入光学面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其进一步包括用于分析由所述图像传感器(2)捕获的所述场景的所述图像的构件(10)，所述分析构件适于向所述场景的所述图像应用傅立叶变换处理，并且根据所述傅立叶变换处理的结果产生所述光谱信息。

12.根据权利要求11所述的装置，其包含在光学监视系统中，其中所述物镜(1)为广角或鱼眼型，也就是说所述入射光场的孔径角大于120°，并且所述装置进一步包括：

-驱动器构件(11)，所述驱动器构件适于当所述物镜(1)设置有具有光谱微分功能的所述光学组件(3)时控制由所述图像传感器(2)捕获的连续图像，并且控制所述分析构件(10)以传递来自每个捕获的图像的针对所述场景的至少一点的光谱信息；

-存储器构件(12)，所述存储器构件适于存储至少一个光谱标准；

-比较构件(13)，所述比较构件被布置成将来自至少一个捕获的图像的针对所述场景中所述点传递的所述光谱信息与存储在存储器中的标准进行比较；以及

-检测构件(14)，所述检测构件适于当获得的所述场景中所述点的所述光谱信息对应于存储在存储器中的所述标准时产生正检测消息。

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