CN116448246A - 一种高光谱视频成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高光谱视频成像系统，其按光线入射方向，包括前置物镜以及用于将光线分为透射路与反射路的分光棱镜，所述透射路与反射路中的一路依次经过场积分元件和分光成像组件，成像至全色焦平面探测器，另一路成像至多光谱焦平面探测器。本发明高光谱视频成像系统分光成像性能优、空间和光谱分辨率高、拍摄速度快、抗干扰能力强，适用于无人机、无人车、无人艇等轻小平台或便携式的手持应用，拓宽高光谱成像技术的应用场景。

Description

一种高光谱视频成像系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其是指一种高光谱视频成像系统。

背景技术

高光谱成像技术是综合了空间成像技术和光谱技术的新兴领域，被广泛应用于对地遥感、农林业、矿物勘探、生物医疗等领域的应用范围。快照式高光谱成像技术可通过一帧拍摄，获得目标二维空间信息和一维光谱信息，再经过近实时的光谱恢复算法处理，实现高光谱视频成像，可在无人机、无人车等轻小平台或手持应用场景中得到应用。

中国专利公开号为CN205539913U的专利公开了一种视频高光谱相机，此高光谱相机由两路成像光路组成，一路上设置RGB相机，对望远物镜所成场景目标的一次像进行二次成像，得到高空间分辨率的彩色图像，另一路上在全色相机前加了分光棱镜和掩膜，通过掩膜下采样和棱镜分光，由全色相机得到目标场景的低空间分辨率的高光谱图像，再通过图像融合，得到高空间分辨率和高光谱分辨率的数据立方体。该方案通过两路光学系统对高空间分辨率图像和高光谱数据分别采集再融合，同样可实现较高帧率。但其两路光路中RGB相机采集的彩色图像是经过了二次成像后得到的，与全色相机采集的高光谱图像中的空间采样点相对位置关系无法保持完全一致，彩色图像与高光谱图像的对准难度大，其系统光路中所用元件均为货架产品且分立放置，集成度较差，不能达到最优成像性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高光谱视频成像系统，其分光成像性能优、空间和光谱分辨率高、拍摄速度快、抗干扰能力强，适用于无人机、无人车、无人艇等轻小平台或便携式的手持应用，拓宽高光谱成像技术的应用场景。

按照本发明提供的技术方案，所述高光谱视频成像系统按光线入射方向，包括前置物镜以及用于将光线分为透射路与反射路的分光棱镜，所述透射路与反射路中的一路依次经过场积分元件和分光成像组件，成像至全色焦平面探测器，另一路成像至多光谱焦平面探测器。

在本发明的一个实施例中，所述分光成像组件包括准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组，所述准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组光线入射方向依次设置。

在本发明的一个实施例中，所述色散元件组包括两个阿米西棱镜和孔径光阑，所述两个阿米西棱镜对称设置在所述孔径光阑两侧。

在本发明的一个实施例中，所述色散元件组包括折反射棱镜，所述折反射棱镜上光线入射的一侧以及光线出射的一侧分别连接有透射棱镜。

在本发明的一个实施例中，所述色散元件组包括色散棱镜，所述色散棱镜为单棱镜、胶合棱镜或折反射棱镜。

在本发明的一个实施例中，所述准直镜组与所述色散元件组之间的光线为入射光线，所述色散元件组与所述聚焦镜组之间的光线为出射光线，所述入射光线与所述出射光线关于对称平面对称，所述准直镜组与所述聚焦镜组关于所述对称平面对称。

在本发明的一个实施例中，所述前置物镜为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。

在本发明的一个实施例中，所述多光谱焦平面探测器为RGB探测器或具有多个光谱通道的马赛克滤光片阵列型探测器。

在本发明的一个实施例中，所述场积分元件为小孔阵列、微透镜阵列、光纤阵列或空间光调制器。

在本发明的一个实施例中，所述分光成像组件包括准直镜组以及聚焦镜组，所述准直镜组和聚焦镜组焦距比例为0.1～10。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、实现高光谱视频成像系统，通过前置镜头、场积分元件、和分光成像组件的联合设计，获得分光成像性能优的光学系统；通过高空间分辨率多光谱图像和低空间分辨率高光谱图像的独立采样与图像融合，得到高帧频的高空间分辨率和高光谱分辨率图像，实现高光谱视频成像。

2、多光谱光路和高光谱光路共用前置镜头且无二次成像，得到的多光谱和高光谱二维空间图像仅分辨率不同，不存在视差、图像大小差异和畸变差异，十分便于图像融合时的物点配准。

3、每个物点的多光谱信息均可直接采集得到，利用部分物点的高光谱数据和全部物点的多光谱数据的融合来得到全分辨率的高光谱图像，避免了部分物点的光谱信息完全丢失而导致的高光谱重构不准确。

4、高集成度模块化设计，在获得紧凑结构的同时，还可根据不同应用场景更换前置镜头、场积分元件或色散棱镜，应用灵活度高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明高光谱视频成像系统实施例一的光路图；

图2是本发明高光谱视频成像系统实施例一中场积分元件示意图；

图3是本发明高光谱视频成像系统中全色焦平面探测器采集的色散光谱示意图；

图4是本发明高光谱视频成像系统实施例一的MTF曲线图；

图5是本发明高光谱视频成像系统实施例二的光路图；

图6是本发明高光谱视频成像系统实施例三的光路图。

说明书附图标记说明：1-前置物镜；2-分光棱镜；3-多光谱焦平面探测器；4-第一场积分元件；5-第一分光成像组件；6-第一准直镜组；7-第一色散元件组；8-第一聚焦镜组；9-孔径光阑；10-全色焦平面探测器；11-光线；12-第二场积分元件；13-第二准直镜组；14-第二色散元件组；15-第二聚焦镜组；16-第二分光成像组件；17-第三场积分元件；18-第三分光成像组件；19-第三色散元件组；20-第一透射棱镜；21-折反棱镜；22-第二透射棱镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，为了使成像系统分光成像性能优、空间和光谱分辨率高，本发明按光线11入射方向，包括前置物镜1以及用于将光纤分为投射路与反射路的分光棱镜2，所述透射路与反射路中的一路依次经过场积分元件和分光成像组件，成像至全色焦平面探测器10，另一路成像至多光谱焦平面探测器3。

所述分光成像组件包括准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组，所述准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组光线11入射方向依次设置。所述前置物镜1为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。所述多光谱焦平面探测器3为RGB探测器或具有多个光谱通道的马赛克滤光片阵列型探测器。所述准直镜组和聚焦镜组焦距比例为0.1～10。

所述准直镜组与所述色散元件组之间的光线11为入射光线11，所述色散元件组与所述聚焦镜组之间的光线11为出射光线11，所述入射光线11与所述出射光线11关于对称平面对称，所述准直镜组与所述聚焦镜组关于所述对称平面对称。

具体地，本发明高光谱视频成像系统工作原理为：来自目标场景的光线11通过前置物镜1后成像，在其成像光路中由分光棱镜2将光线11分为透射路和反射路，以反射路光线11成像至多光谱焦平面探测器3，透射路光线11成像至场积分元件为例，场积分元件对前置物镜1透射路的成像进行离散采样，光线11经离散采样后传递进入分光成像组件，分别由准直镜组准直、色散元件组色散分光、聚焦镜组聚焦成像后，在全色焦平面探测器10处得到离散采样点的光谱数据。

透射路中，场积分元件可为小孔阵列、微透镜阵列、光纤阵列或空间光调制器等可实现离散采样的器件，此处以场积分元件可为小孔阵列为例进行解释说明，如图2所示，图2为小孔阵列示意图，图3为全色焦平面探测器10采集到的色散光谱示意图，由于场积分元件对前置物镜1的像面进行了阵列式的离散采样，采样点之间留有一定空隙，分光成像组件将每个采样点输入的复色光均色散至采样点之间的空隙处，并由全色焦平面探测器10所记录，记录得到的每个采样点的色散光谱相互独立无混叠，通过光谱重构算法即可提取出每个采样点的高光谱数据，得到场景目标低空间分辨率的高光谱数据。

该系统通过一帧拍摄，由多光谱焦平面探测器3采集得到高空间分辨率的多光谱图像，由全色焦平面探测器10采集并重构得到低空间分辨率的高光谱图像，两者图像融合后得到高空间分辨率的高光谱图像。多光谱焦平面探测器3和全色焦平面探测器10由电路系统控制实现同帧频同时曝光采图，在帧周期内运行图像融合算法实现高光谱视频成像。多光谱光路和高光谱光路共用前置镜头，得到的二维空间图像仅分辨率不同，不存在视差、图像大小差异和畸变差异，十分便于图像融合时的物点配准。此外，每个物点的多光谱信息均可直接采集得到，利用部分物点的高光谱数据和全部物点的多光谱数据的融合来得到全分辨率的高光谱图像，避免了部分物点的光谱信息完全丢失而导致的高光谱重构不准确。

实施1：

如图1所示，本发明包括前置物镜1、分光棱镜2、RGB探测器、第一场积分元件4-小孔阵列、第一分光成像组件5，全色焦平面探测器10。其中第一分光成像组件5包含第一准直镜组6、第一色散元件组7、聚焦镜组和孔径光阑9。来自目标场景的光线11通过前置物镜1后成像，在其成像光路中由分光棱镜2将光线11分为透射路和反射路，其中反射路光线11成像至RGB探测器，透射路光线11成像至小孔阵列。小孔阵列对前置物镜1透射路所成像进行离散采样，光线11经离散采样后传递进入第一分光成像组件5，分别由第一准直镜组6准直、第一色散棱镜色散分光、第一聚焦镜组8聚焦成像后，在全色焦平面阵列处得到离散采样点的光谱数据。

图2为小孔阵列示意图，图为此时全色焦平面探测器10采集到的色散光谱示意图，由于小孔阵列对前置物镜1的像面进行了阵列式的离散采样，采样点之间留有一定空隙，第一分光成像组件5将每个采样点输入的复色光均色散至采样点之间的空隙处，并由全色焦平面探测器10所记录，记录得到的每个采样点的色散光谱相互独立无混叠，通过光谱重构算法即可提取出每个采样点的高光谱数据，得到场景目标低空间分辨率的高光谱数据。

该系统通过一帧拍摄，由RGB探测器采集得到高空间分辨率的RGB彩色图像，由全色焦平面探测器10采集并重构得到低空间分辨率的高光谱图像，两者图像融合后得到高空间分辨率的高光谱图像。RGB探测器和全色焦平面探测器10由电路系统控制实现同帧频同时曝光采图，在帧周期内运行图像融合算法实现高光谱视频成像。

实施例1所提供的高光谱视频成像系统相关指标为：

光谱范围：400～1000nm；

系统F数：4.5；

视场角：30°；

前置物镜1焦距：30mm；

图像分辨率：300万；

光谱分辨率：5nm。

实施例1中采用的RGB探测器和全色焦平面探测器10分辨率均为2000×1500，分光棱镜2透射和反射光强比为5:1，小孔阵列包含100×75个采样点。

实施例1中前置物镜1采用透射式双高斯物镜，5组7片结构；第一分光成像组件5中的第一准直镜组6和第一聚焦镜组8为相同的光学系统对称放置，分别为4组4片结构。其光学系统参数分别如下：

第一分光成像组件5中的第一色散元件组7为两组分离的阿米西棱镜，每组阿米西棱镜由H-FK61和H-LAK4L材料胶合而成，顶角分别为45.5°和34°，中心厚均为10mm，两组阿米西棱镜构成直视型色散棱镜组。

本实施例提供的高光谱视频成像系统MTF曲线如图4所示，具有优的成像质量，接近衍射极限。

实施例2：

如图5所示，本发明的高光谱视频成像系统包括：前置物镜1、分光棱镜2、RGB探测器、第二场积分元件12-微透镜阵列、第二分光成像组件16，全色焦平面探测器10。其中第二分光成像组件16包含第二准直镜组13、第二色散元件组14、第二聚焦镜组15和孔径光阑9。来自目标场景的光线11通过前置物镜1后成像，在其成像光路中由分光棱镜2将光线11分为透射路和反射路，其中反射路光线11成像至RGB探测器，透射路光线11成像至微透镜阵列。微透镜阵列对前置物镜1透射路所成像进行降采样，每个微透镜均可形成一个像点，经降采样后的光线11传递进入第二分光成像组件16，分别由第二准直镜组13准直、第二色散元件组14色散分光、第二聚焦镜组15聚焦成像后，在全色焦平面阵列处得到降散采样点的光谱数据。该系统通过一帧拍摄，由RGB探测器采集得到高空间分辨率的RGB彩色图像，由全色焦平面探测器10采集并重构得到低空间分辨率的高光谱图像，两者图像融合后得到高空间分辨率的高光谱图像。RGB探测器和全色焦平面探测器10由电路系统控制实现同帧频同时曝光采图，在帧周期内运行图像融合算法实现高光谱视频成像。

该实施例所提供的高光谱视频成像系统相关指标为：

光谱范围：400～950nm；

系统F数：4.5；

视场角：30°；

前置物镜1焦距：30mm；

图像分辨率：1200万；

光谱分辨率：2.5nm。

系统中采用的RGB探测器和全色焦平面探测器10分辨率均为4000×3000，分光棱镜2透射和反射光强比为9:1，小孔阵列包含200×150个采样点。

该实施例中前置物镜1与实施例1中的前置物镜1为相同系统。

该实施例第二分光成像组件16中的第二准直镜组13和第二聚焦镜组15为相同的光学系统对称放置，分别为5组7片结构，其光学系统参数如下：

第二分光成像组件16中的第二色散元件组14为两组分离的阿米西棱镜，每组阿米西棱镜由H-LAF54和H-ZF88材料胶合而成，顶角分别为13.5°和5.8°，中心厚分别为6mm和4mm，光线11通过两组阿米西棱镜后产生29°的光路转折。

实施例2提供的高光谱视频成像系统采用微透镜阵列，具有高的能量利用率。

实施例3：

如图6所示，本发明的高光谱视频成像系统包括：前置物镜1、分光棱镜2、多光谱焦平面探测器3、第三场积分元件17-小孔阵列、第三分光成像组件18，全色焦平面探测器10。其中第三分光成像组件18包含第三准直镜组、第三色散棱镜组、第三聚焦镜组。来自目标场景的光线11通过前置物镜1后成像，在其成像光路中由分光棱镜2将光线11分为透射路和反射路，其中透射路光线11成像至多光谱焦平面探测器3，反射路光线11成像至小孔阵列。小孔阵列对前置物镜1反射路所成像进行离散采样，经离散采样后的光线11传递进入第三分光成像组件18，分别由第三准直镜组准直、第三色散元件组19色散分光、第三聚焦镜组聚焦成像后，在全色焦平面阵列处得到离散采样点的光谱数据。该系统通过一帧拍摄，由多光谱焦平面探测器3采集得到高空间分辨率的多光谱图像，由全色焦平面探测器10采集并重构得到低空间分辨率的高光谱图像，两者图像融合后得到高空间分辨率的高光谱图像。多光谱焦平面探测器3和全色焦平面探测器10由电路系统控制实现同帧频同时曝光采图，在帧周期内运行图像融合算法实现高光谱视频成像。

实施例3所提供的高光谱视频成像系统相关指标为：

光谱范围：400～950nm；

系统F数：4.5；

视场角：30°；

前置物镜1焦距：30mm；

图像分辨率：200万；

光谱分辨率：2.5nm。

系统中采用的多光谱焦平面探测器3为马赛克滤光片阵列型的多光谱探测器，像素数共200万，其中每4×4个子单元构成一个像素阵列周期，每个像素阵列周期中含16个波段的窄带滤光片，因此该多光谱探测器可采集到200万空间分辨率，16个光谱通道数的多光谱图像。全色焦平面探测器10分辨率为1600×1250，分光棱镜2透射和反射光强比为2:1，小孔阵列包含100×80个采样点。

实施例3中，前置物镜1与实施例1中的前置物镜1为相同系统，第三分光成像组件18中的第三准直系统、第三聚焦系统和实施例2中的第二准直系统、第二聚焦系统为相同。

实施例3中，第三色散元件组19包括折反射棱镜，所述折反射棱镜上光线11入射的一侧以及光线11出射的一侧分别连接有透射棱镜。第三分光成像组件18中的第三色散元件组19为三胶合折反式棱镜，由第一透射棱镜20、折反棱镜21以及第二透射棱镜22胶合而成。其中两透射棱镜为相同结构，材料为H-LAF54，顶角为23.5°，中心厚为5mm。折反棱镜21材料为H-ZF88GT，顶角为63.7°，中心厚为15mm。

实施例3提供的高光谱视频成像系统采用第三色散元件组19部分校正了棱镜色散的非线性，使光谱采样间隔更为均匀，波长分辨率差异小。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高光谱视频成像系统，其特征在于：按光线入射方向，包括前置物镜以及用于将光线分为透射路与反射路的分光棱镜，所述透射路与反射路中的一路依次经过场积分元件和分光成像组件，成像至全色焦平面探测器，另一路成像至多光谱焦平面探测器。

2.根据权利要求1所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述分光成像组件包括准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组，所述准直镜组、色散元件组以及聚焦镜组光线入射方向依次设置。

3.根据权利要求2所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述色散元件组包括两个阿米西棱镜和孔径光阑，所述两个阿米西棱镜对称设置在所述孔径光阑两侧。

4.根据权利要求2所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述色散元件组包括折反射棱镜，所述折反射棱镜上光线入射的一侧以及光线出射的一侧分别连接有透射棱镜。

5.根据权利要求2所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述色散元件组包括色散棱镜，所述色散棱镜为单棱镜、胶合棱镜或折反射棱镜。

6.根据权利要求2所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述准直镜组与所述色散元件组之间的光线为入射光线，所述色散元件组与所述聚焦镜组之间的光线为出射光线，所述入射光线与所述出射光线关于对称平面对称，所述准直镜组与所述聚焦镜组以所述对称平面对称。

7.根据权利要求1所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述前置物镜为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。

8.根据权利要求1所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述多光谱焦平面探测器为RGB探测器或具有多个光谱通道的马赛克滤光片阵列型探测器。

9.根据权利要求1所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述场积分元件为小孔阵列、微透镜阵列、光纤阵列或空间光调制器。

10.根据权利要求1所述的高光谱视频成像系统，其特征在于：所述分光成像组件包括准直镜组以及聚焦镜组，所述准直镜组和聚焦镜组焦距比例为0.1～10。