一种紧凑型多光谱相的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种紧凑型多光谱相机，由成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器三个部分组成；成像物镜实现对目标成像的功能；滤光片阵列实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器通过光电效应获取和记录数字信息。本发明结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航天应用需求。
【专利说明】一种紧凑型多光谱相机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种紧凑型多光谱相机，属于航天遥感【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的不断发展，航天遥感技术已经被广泛应用于天文观测、遥感、测绘 和军事侦察等诸多领域，它正逐渐成为人们获取各种空间信息、发现和识别目标最重要手 段之一。利用搭载在卫星上的空间遥感仪器进行对地观测，具有速度快、视野广、覆盖范围 大、不受领空限制和全球覆盖的优点。对于对地观测卫星来说，提高对目标的探测能力不仅 仅依赖空间分辨率的提高，还依赖相机覆盖的波段范围及波段数。显然这就涉及到光谱成 像技术，通过获得地物几个或更多波段的光谱信息，实现目标空间信息、辐射信息、光谱信 息的同步获取，能够提高对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术 的目标分辨、监测能力。
[0003] 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。按照它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，其中滤光片式又分为，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。
[0004] 多相机式是由多个相机组成，每个相机前配置不同带通滤光片，分别获取对应谱 段信息。这种形式的多光谱相机能够实现图谱合一，一次曝光就能获得所需的空间信息和 光谱信息，而且可以针对不同的探测要求和目标方便的更换滤光片。但是，不同光轴的相 机相互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配 准。同时，多个相机的布置，增加了整体系统的体积、质量和造价。
[0005] 滤光片轮和可调谐滤光片式的特点是共用一个相机系统，前者是在系统前加入一 个旋转的滤光片转轮，显然要获取目标的多光谱信息，需要转动滤光片轮对同一目标进行 多次曝光，且工作时存在运动部件，可靠性降低。后者是在系统中加入可调谐滤光片，包括 液晶和声光可调谐滤光片，通过调谐信号改变通光波长实现不同信号的获取，也需要对同 一目标进行多次曝光来实现数据立方体的获取，且波段切换速度有限，应用受到限制。
[0006] 线性渐变滤光片和楔形滤光片这两种形式都是在靠近探测器靶面处，覆盖一块或 多块楔形滤光片或者是镀有渐变滤光膜的玻璃基底，由于靶面处不同行像元接受透过的不 同波长信号，通过平台推扫就能获取多个谱段信息和空间信息。显然这种形式的多光谱相 机结构简单可靠，但是过分依赖于平台推扫，要求飞行速度与CCD转移速度严格匹配，姿态 稳定性要求过高。
[0007] 单镜头多路分光式是采用单镜头加上分光棱镜分光，将光线分成多路，需要多个 探测器分别接受各个谱段信息。一次曝光就能获取全部空间和光谱信息，图谱合一。但是 当谱段数上升时，分光棱镜复杂且探测器数量过多，造价昂贵。
[0008] 上述各种形式多光谱相机，要么体积过于庞大复杂，要么包含运动部件，要么姿态 稳定性要求过高。
【发明内容】
[0009] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种紧凑型多光谱相机，结构极 为紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满 足航天应用需求。
[0010] 本发明技术解决方案：一种紧凑型多光谱相机，由成像物镜1、滤光片阵列2以及 面阵探测器3组成，三者通过相机整体结构固连；成像物镜1实现对目标成像的功能，滤光 片阵列2位于面阵探测器3前实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器3通过光电效应获 取和记录数字信息；所述滤光片阵列2包括镀膜基片14和玻璃基底15,镀膜基片14上，分 别镀制多个不同条带滤光膜，包括全色和多光谱通道，完成后用光学粘合剂将其与玻璃基 底15胶合在一起，形成完整的滤光片阵列2 ;滤光片阵列2排布垂直于飞行方向，每个条带 滤光膜只能通过一个谱段的图像，面阵探测器3的若干行像元对应一个光谱带，则整个面 阵探测器3对应若干光谱带，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器3靶面上获 取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场 对应不同的光谱信息，通过平台飞行推扫，边缘视场移动至成像物镜系统1的成像面中心， 再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。
[0011] 本发明具体工作过程为：
[0012] (1)将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的η个条带目标外、02、(ν··0η ;
[0013] ⑵各条带目标〇1、〇2、〇 3-〇11,经过成像物镜成像，变换为其对应的像11、12、1广·· In；
[0014] ⑶各目标像ii、i2、V"in;再经过滤光片阵列相应条带滤光，相当于目标像乘 以滤光片透过率函数!\、T2、TfTn，即形成最终的目标各条带像山=?\(λ)Xh、I2 = T2(A)Xi2U3 =Τ3(λ)Χ?3···.Ιη =Τη(λ)Χ?η；
[0015] (4)面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各条带像的信息。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)本发明由于滤光片阵列的光谱成像原理简单，在谱段数不多的情况下，这种形 式的相机系统相当于在一个照相机后加分光器件，原理简单，结构紧凑，重量轻便，工作可 靠，稳定性高。而对于分光器件的镀膜，国内已有比较成熟的工艺，可以解决。而且多光谱 相机以小画幅方式工作，极大降低了仪器对飞行器姿态稳定度的要求，较好的保证了光谱 数据后处理的精度，适合于多个平台多光谱成像应用。
[0018] (2)本发明的提出了一种重量轻便，工作可靠，结构紧凑的多光谱相机，采用了阵 列滤光片的方式，简化了多光谱相机系统的结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明原理示意图；
[0020] 图2为本发明的结构图；
[0021] 图3为本发明滤光片阵列条带分布示意图；
[0022] 图4为为本发明滤光片阵列整体构成示意图；
[0023] 图5为本发明的多光谱相机全色光点列图；
[0024] 图6为本发明的多光谱相机光学系统全色光MTF曲线图。
【具体实施方式】
[0025] 如图1、2所示，本发明由成像物镜1、滤光片阵列6及面阵探测器7组成，其中成像 物镜1由R-C系统4和校正镜组5构成，实现对目标成像的功能，滤光片阵列6位于面阵探 测器7前，实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器7通过光电效应获取和记录数字信息； 整个多光谱相机可以看作在传统的相机系统中加入了一个滤光片阵列6,放置在面阵探测 器7靶面前，如图3所示，在滤光片阵列7上沿着垂直于飞行的方向镀制多个不同谱段的滤 光膜，图中8-13分别对应可见光、红、绿、蓝以及两个近红外六个谱段的滤光片条带。每个 条带滤光膜只能通过相应谱段的图像，面阵探测器的若干行像元对应一个光谱带，则整个 面阵探测器7对应若干光谱带。显然，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器上 获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视 场对应不同的光谱信息。通过平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器的像面中心，再次 曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。
[0026] 对于紧凑型滤光片阵列式多光谱相机，其光谱分辨率完全取决于各滤光片条带 的光谱透过率曲线，假设一共有η个条带，其光谱透过率函数分别为，T1 (λ)、T2 (λ)…. Τη(λ)，目标信息为〇(x，y，λ)，χ，γ，λ对应空间信息和波长信息。则第i个条带对应的目 标信息Oi (x，y，λ)可以表示为：
[0027]
【权利要求】
1. 一种紧凑型多光谱相机，其特征在于：由成像物镜（1)、滤光片阵列（2)以及面阵探 测器（3)组成，三者通过相机整体结构固连；成像物镜（1)实现对目标成像的功能，滤光片 阵列（2)位于面阵探测器（3)前实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器（3)通过光电效 应获取和记录数字信息；所述滤光片阵列（2)包括镀膜基片和玻璃基底，镀膜基片上，分别 镀制多个不同条带滤光膜，包括全色和多光谱通道，完成后用光学粘合剂将其与玻璃基底 胶合在一起，形成完整的滤光片阵列；其中滤光片阵列排布垂直于飞行方向，每个条带滤光 膜只能通过一个谱段的图像，面阵探测器（3)的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵 探测器（3)对应若干光谱带，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器（3)靶面上 获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视 场对应不同的光谱信息，通过平台飞行推扫，边缘视场移动至成像物镜系统的成像面中心， 再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。
2. -种紧凑型多光谱成像方法，其特征在于步骤为： (1) 将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的n个条带目标：0^ 02、03- On ; (2) 各条带目标Op 02、03?0n，经过成像物镜成像，变换为其对应的像ip i2、"….in ; (3) 各目标像ip i2、i3?in ;再经过滤光片阵列相应条带滤光，相当于目标像乘以滤光 片透过率函数1'1、1'2、1>"1；，即形成最终的目标各条带像：1 1 = 1'1(入）\11、12 = 1'2(入）\"、 I3 = T3(入）Xi3..'In = Tn(入）Xin; (4) 面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各条带像的信息。
【文档编号】G01C11/02GK104457708SQ201410742999
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】方煜, 吕群波, 谭政, 刘扬阳 申请人:中国科学院光电研究院