一种全反射式宽波段多光谱成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种全反射式宽波段多光谱成像系统，属于成像光谱技术领域。该系统由前置反射式成像物镜、反射滤光传像、滤光控制、焦平面阵列探测器成像、数据处理、系统组成。本发明所述的全反射宽波段多光谱成像系统，可在紫外?近红外的工作谱段内同时探测到目标的二维高空间分辨率图像和多光谱图像；克服了传统透射滤光片式多光谱成像系统的透射滤光片引入像差和色差、配准等问题；克服了传统光栅光谱系统中具有狭缝，光通量和光谱灵敏度低的问题。可广泛应用于光谱颜色高保真复制、宽波段印刷品质量检测、生物医学多光谱成像、多光谱遥感等领域。
【专利说明】
一种全反射式宽波段多光谱成像系统
技术领域
[0001] 本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种全反射式宽波段多光谱成像系统。
【背景技术】
[0002] 多光谱成像技术可同时获取目标的图像和光谱信息，受到了世界各国的广泛关 注。在光学遥感、高精度颜色保真复制、艺术品鉴定、医疗和公共安全等领域具有广泛应用。
[0003] 现有滤光片式多光谱成像系统采用窄带干涉滤光片、宽带吸收滤光片、声光可调 滤光片和液晶可调滤光片等透射滤光片系统至于目标图像采集的光路中，透射滤光片的使 用会为整个系统引入色差和像差，使不同通道图像的清晰成像面位置不同。因此，在透射滤 光片式多光谱系统的光谱图像获取过程中，必须进行多次聚焦，以获取各波段的清晰图像； 对得到的各通道图像必须进行配准，以获取目标图谱合一的光谱数据立方体。
[0004] 现有的反射滤光式光栅光谱成像系统可有效避免分光元件透射引入的色差和像 差，但其光谱成像原理决定了系统中必须使用狭缝，从而降低了光通量和光谱灵敏度。
[0005] 现有技术提出了透射滤光片式多光谱成像系统的快速调焦方法，虽然解决了手动 调焦的耗时问题，但得到的多通道光谱图像必须进行配准才可获取目标图像的光谱数据立 方体。凹面光栅光谱仪，通过遮光板的位置切换可利用一个探测器获取短波和长波光谱，有 效减小系统体积。但其与其他光栅分光式光谱成像系统相同，在光路中必须使用狭缝，其光 通量和光谱灵敏度较低。
[0006] 综上所述，透射滤光片式光谱成像系统和光栅色散式光谱成像系统都各有特点， 但分别存在光谱图像采集过程中需要调焦、获得的光谱图像需要配准、系统中存在狭缝导 致光通量和光谱灵敏度较低等问题。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种全反射式宽波段多光谱成像系统，用以解决 现有技术中获取光谱图像需调焦、多通道光谱图像需配准和光通量及光谱灵敏度低的问 题。
[0008] -种全反射式宽波段多光谱成像系统，包括前置反射成像物镜系统，用于通过全 反射方式将目标图像成像至反射滤光传像系统的物面;反射滤光传像系统，用于将前置反 射成像物镜输出的图像进行反射式滤光，并传递到焦平面探测器，以获得光谱图像;焦平面 阵列探测器系统，用于将获取的各通道图像的光信号转换为电信号;数据处理系统，用于将 焦平面阵列探测器系统获取的图像进行数据处理，以得到目标在各光谱波长下的图像信息 和目标的光谱图像数据立方体;滤光控制系统，用于控制反射滤光像传系统的光谱通道和 光谱范围，以将前置反射成像物镜系统获取的图像，以不同的光谱通道和波段范围传递至 焦平面阵列探测器。
[0009] 所述的前置成像物镜系统为全反射式物镜成像系统，可选卡塞格林双反射镜或离 轴三反式全反射成像物镜系统。
[0010]所述反射滤光传像系统由半径不同的两球面反射镜组成，其主镜和次镜的球心位 置重合。
[0011]所述反射滤光传像系统的次镜为完整的球形反射镜或圆环式球形反射镜，被置于 滤光控制系统的旋转平台上，并在不同反射区域镀以不同光谱反射率的高反膜。
[0012] 本发明的全反射式宽波段多光谱成像系统，除反射滤光传像系统的次镜外，可在 该全反射式宽波段多光谱成像系统前置反射成像物镜系统和反射滤光传像系统主镜的任 一反射镜面镀目标波段范围内的宽带高反膜，以抑制目标波段范围外光线的影响，提高光 谱灵敏度。
[0013] 所述的反射式滤光传像系统的物面位置与前置反射成像物镜的后焦平面位置重 合;具有滤光和传像双重功能。
[0014] 所述的滤光控制系统包括旋转平台和控制与处理模块，控制与处理模块与旋转平 台的控制端口相连，并控制旋转平台的转动;所述反射式滤光传像系统的次镜安装在旋转 平台上，在旋转平台的带动下，反射滤光传像系统次镜绕通过球心的转轴旋转。
[0015] 所述的滤光控制系统用于控制反射式滤光传像系统次镜的旋转角度，使次镜上不 同光谱反射率的区域依次反射主镜光线;并利用焦平面阵列探测器依次接收，以获取光谱 图像序列，达到控制反射滤光并获取不同波段光谱图像的目的。
[0016] 所述的焦平面阵列探测器成像系统的位置与反射式滤光传像系统2的后焦平面重 合。
[0017] 本发明全反射式宽波段多光谱成像系统中的成像系统和滤光及像传系统无透射 元件，均为全反射式结构。
[0018] 本发明提供的全反射式宽波段多光谱成像系统，其前置反射成像物镜系统能够对 目标的反射光线并聚焦成像，其像面位置和反射滤光像传系统的物面重合;通过反射滤光 像传系统，将不同波段的光谱图像传递至位于其像面位置的焦平面阵列探测器，并通过焦 平面阵列探测器将光信号转换为电信号并进行数据处理。由于前置反射成像物镜系统和滤 光像传系统都是以全反射的方式成像，整个多光谱成像系统中无透射元件，从而避免了成 像和滤光装置对光线的选择性吸收，大大扩展了多光谱成像系统的波段范围。此外，全反射 式结构还避免了使用透镜会产生的光线色散，使不同波段光谱图像的清晰像面在同一位 置，使得光谱图像清晰而无需配准，光谱数据也更精确。反射滤光像传系统可在不利用狭缝 的条件下对目标图像进行不同波段的滤光，使得进入焦平面探测器的光通量更高，从而提 高了整个系统的灵敏度。本发明提供的全反射式宽波段多光谱成像系统，反射滤光传像系 统次镜的不同区域被镀以不同光谱反射率膜，并由滤光控制系统绕次镜圆心旋转，以获取 不同波段的光谱图像，有效减小了整个系统的体积，而且易于装调。
【附图说明】：
[0019] 图1是本发明的实施例提供的全反射式宽波段多光谱成像系统的一种结构示意 图；
[0020]图2是本发明的实施例提供的全反射式宽波段多光谱成像系统的另一种结构示意 图。
[0021]图3是本发明的实施例提供的射式滤光传像系统次镜不同区域镀不同光谱反射率 高反膜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供了一种全反射式宽波段多光谱成像系统，下面结合附图对本发明的具 体实时方式进行详细说明。
[0023] 如图1所示，本发明的实施例提供一种全反射式宽波段多光谱成像系统，包括
[0024] -种全反射式宽波段多光谱成像系统，包括前置反射成像物镜系统1，用于通过全 反射方式将目标图像成像至反射滤光传像系统的物面;反射滤光传像系统2，用于将前置反 射成像物镜1输出的图像进行反射式滤光，并传递到焦平面探测器3,以获得光谱图像;焦平 面阵列探测器系统3,用于将获取的各通道图像的光信号转换为电信号;滤光控制系统4,用 于控制反射滤光像传系统2的光谱通道和光谱范围，使焦平面阵列探测器3可依次采集不同 光谱通道和波段范围的图像序列。数据处理系统5,用于将焦平面阵列探测器系统3获取的 不同光谱通道和波段范围的图像序列进行数据处理，以得到目标在各光谱波长的图像信息 和目标的光谱图像数据立方体。
[0025] 本发明提供的全反射式宽波段多光谱成像系统，其前置反射成像物镜系统1能够 对目标反射的光线聚焦成像，其像面位置和反射滤光像传系统2的物面重合;通过反射滤光 像传系统2,将不同波段的光谱图像传递至位于其像面位置的焦平面阵列探测器3,并通过 焦平面阵列探测器3将光信号转换为电信号;滤光控制系统4控制反射滤光像传系统2的光 谱通道和光谱范围，使焦平面阵列探测器3可依次采集不同光谱通道和波段范围的图像序 列;数据处理系统5对由焦平面阵列探测系统3获取的光谱图像序列进行数据处理，可得到 目标各波长的图像信息和光谱图像数据立方体。
[0026] 全反射式成像和滤光结构还避免了使用透镜会成像产生的光线色散，使不同波段 光谱图像的清晰像面在同一位置，使得光谱图像清晰而无需配准，光谱数据也更精确。反射 滤光像传系统可在不利用狭缝的条件下对目标图像进行不同波段的滤光，使得进入焦平面 探测器的光通量更高，从而提高了整个系统的灵敏度。
[0027] 本发明提供的全反射式宽波段多光谱成像系统，反射滤光传像系统次镜2-2的不 同区域被镀以不同光谱反射率膜，并由滤光控制系统4控制其绕次镜2-2的圆心旋转，以获 取不同波段的光谱图像。该反射是滤光系统2的结构，有效减小了整个系统的体积，而且易 于装调。
[0028] 本发明中应用的光学器件均为反射式成像、滤光和传像，其前置反射式成像物镜2 可以包括各种能实现成像功能的反射镜，本发明的实施例对此不做限制，但为了设计简单 并节省成本，本发明实施例中的前置反射式成像物镜1使用卡塞格林双反镜或离轴三反式 成像物镜。
[0029] 由于前置反射成像物镜系统1和反射滤光像传系统2都是以全反射的方式成像和 滤光，整个多光谱成像系统中无透射元件，从而避免了成像和滤光装置对光线的选择性吸 收，大大扩展了多光谱成像系统的波段范围。可在本发明中的前置反射成像物镜系统1和反 射滤光传像系统2的主镜的任一反射镜面镀某一波段范围内的宽带高反膜，增强此波段范 围内的光谱反射率，以抑制该波段范围以外光线的影响，提高光谱灵敏度。
[0030] 本发明中的反射滤光传像系统2由半径不同的两球面反射镜组成，两反射镜的球 心位置重合，具有反射滤光式分光和传像双重功能。反射滤光传像系统2的次镜为完整的球 形反射镜或圆环式球形反射镜，并在不同反射区域镀不同光谱反射率的反射膜，被置于滤 光控制系统4的旋转平台上，其球心在旋转平台的转轴上。
[0031]滤光控制系统4包括旋转平台4-1和滤光控制与处理模块4-2,滤光控制与处理模 块4-2与旋转平台4-1的控制端口相连，并控制旋转平台4-1的转动;所述反射式滤光传像系 统2的次镜2-2安装在旋转平台4-1上，在旋转平台4-1的带动下，反射滤光传像系统2的次镜 2-2围绕过球心并垂直于次镜2-2圆环平面的轴旋转。滤光控制系统4控制反射式滤光传像 系统2的次镜2-2旋转角度，使次镜2-2上不同光谱反射率的区域依次反射主镜2-1光线，达 到反射滤光式分光的目的；
[0032]对于反射滤光传像系统次镜2-2的某一角度，反射滤光传像系统2只能将一个光谱 反射率波段的光谱图像传递至焦平面阵列探测器3。滤光控制系统4必须根据反射滤光传像 系统次镜2-2反射主镜2-1光线的镀膜区域，确定旋转平台4-1的转角起始位置和每次转动 角度的大小，使不同光谱反射率通道的目标图像由焦平面阵列探测器3获取。因此，旋转平 台4-1的转角起始位置和转角步长必须由控制与处理模块4-2控制，并在每个转角由焦平面 阵列探测器3获取一幅光谱图像。焦平面阵列探测器3依次接收各转角的光谱图像，可由获 取光谱图像序列。依据据反射滤光传像系统次镜2-2上光谱反射率膜层种类决定的光谱通 道数量、反射滤光传像系统次镜2-2上所镀滤光反射膜的光谱反射率曲线和带宽、焦平面阵 列探测器3的光谱灵敏度等因素，由数据处理系统5选择相应的数据处理方法，以获取目标 在各光谱波长下的图像信息和光谱图像数据立方体。
[0033] 下面通过具体实施例，对本发明提供的全反射式宽波段多光谱成像系统进行详细 说明。
[0034] 如图2所示，本发明提供了一种全反射式宽波段多光谱成像系统，包括前置反射成 像物镜系统61，反射滤光传像系统62、焦平面阵列探测器系统63、滤光控制系统64和数据处 理系统65。
[0035]本发明全反射式宽波段多光谱成像系统的工作原理为：目标图像经过前置反射成 像物镜系统61后，成像至反射滤光传像系统62的物面;反射滤光传像系统62具有滤光和传 像双重功能，可将将被滤光后的目标光谱图像传递至焦平面阵列探测器系统63,利用滤光 控制系统64改变滤光图像光谱通道;并用焦平面阵列探测器系统63依次接收滤光后不同的 光谱图像序列；该光谱图像序列经过数据处理系统65进行光谱反射率重建，最终形成目标 的光谱图像立方体，可以从中提取目标的二维光谱图像信息和一维光谱信息。
[0036]前置反射成像物镜系统61采用改进型卡塞格林双反镜结构，两反射面均为球面， 便于加工，并节省成本;两反射镜的相对位置可沿光轴调整，以实现对焦功能。
[0037]反射滤光传像系统62类似奥夫纳三反镜结构，由主镜62-1和次镜62-2两同心反射 球面组成。物、球心和像三者位于同一直线上，而且物和像关于球心对称，物象中心之间的 距离D为：
[0039] 其中η为主镜62-1球面半径，r2为次镜62-2球面半径。
[0040]如图3所示，在次镜62-2的不同区域镀不同光谱反射率薄膜。将次镜62-2的球面均 分成a-f六个小球面区域，利用光谱反射率向量最大线性无关法设计每个区域的光谱反射 率，并根据设计的光谱反射率向量，对a-f六个区域分别镀膜。对次镜62-2镀膜实现反射滤 光的功能，而主镜62-1和次镜62-2的光学结构实现传像的功能。因此，反射滤光传像系统62 具有滤光和传像双重功能。
[0041]本发明实施例中，将全反射宽波段多光谱成像系统的工作波长范围限定在可见光 波段，可在前置反射成像物镜系统61的次镜上镀可见光宽带高反膜，该膜层在可见光波段 的光谱反射率平均值大于96%的，在紫外和近红外波段的平均反射率小于3%，以抑制紫外 和近红外光线的干扰和影响。
[0042]将反射滤光传像系统62的次镜62-2置于旋转平台64-1上，次镜62-2的球心在旋转 平台64-1的转轴上;通过滤光控制与处理模块64-2控制转台64-1的转动，使次镜62-2不同 区域反射反射滤光传像系统62主镜62-1的光线，从而将不同光谱通道的目标图像传递至焦 平面阵列探测器系统63。利用次镜62-2绕球心的旋转实现滤光目的，使整个系统易于装调， 而且其系统稳定性较高;而反射式滤光有效避免了透射滤光元件为整个成像系统引入的像 差和色差。滤光控制与处理模块64-2与焦平面阵列探测器系统63具有硬件同步装置，以保 证次镜62-1旋转到位后，焦平面阵列探测器系统63采集到的此通道光谱图像有效。
[0043]本实施例中，可见光范围焦平面阵列探测器系统63可采用彩色(XD阵列探测器，像 元数量为1024*1024,这样就形成了反射滤光传像系统62和CCD本身RGB滤光的串联滤光系 统，可获取6*3 = 18个通道的光谱图像数据。若系统工作波段在非可见光范围内，必须使用 单色面阵(XD探测器，其光谱通道的数量为6个。
[0044] 本实施例中，目标的像被聚焦在前置反射成像物镜系统61的像面位置，可沿光轴 调整前置反射成像物镜系统61主镜61-1和次镜61-2的相对位置，改变像面位置并清晰成 像。前置反射成像物镜系统61的像面位置即为反射滤光传像系统62的物面位置，反射滤光 传像系统62将不同光谱通道的光谱图像依次传递到焦平面阵列探测器63上进行光谱图像 序列采集。目标图像的光线进入前置反射成像物镜系统61后，经前置反射成像物镜系统61 的主镜61-1反射的光束由其第二反射镜反射后，经过主镜61-1的中心圆孔，聚焦成像至前 置反射成像物镜系统61的像面。由该像面发出的光线进入反射滤光传像系统62后，主镜62-1反射此光束至被分区域镀膜的次镜62-2上，再被次镜62-2反射至主镜62-1，最后由主镜 62-1反射后成像至反射滤光传像系统的像面位置，并在此像面位置用焦平面阵列探测器系 统63接收此通道的光谱图像数据，通过滤光控制系统4控制次镜62-2滤光反射区域，即可利 用焦平面阵列探测器系统63依次接收各通道的光谱图像数据，并获取光谱图像序列，该光 谱图像序列经过数据处理系统65进行光谱反射率重建后，最终可得目标图像的光谱数据立 方体，从而可以提取目标的二维图像信息和一维光谱信息。
[0045] 尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到 各种改进、增加和取代也是可能的。因此，本发明的范围当不限于上述实施例。
【主权项】
1. 一种全反射式宽波段多光谱成像系统，其特征在于： 包括前置反射成像物镜系统，用于通过全反射方式将目标图像成像至反射滤光传像系 统的物面;所述反射滤光传像系统，用于将前置反射成像物镜1输出的图像进行反射式滤 光，并传递到焦平面探测器，以获得光谱图像;所述焦平面阵列探测器系统，用于将获取的 各通道图像的光信号转换为电信号;所述滤光控制系统，用于控制反射滤光像传系统的光 谱通道和光谱范围，将前置反射成像物镜系统获取的图像序列，依次以不同的光谱通道和 波段范围传递至焦平面阵列探测器;所述数据处理系统，用于将焦平面阵列探测器系统依 次获取的图像序列进行数据处理，以得到目标在各光谱波长下的图像信息和光谱图像数据 立方体。2. 根据权利要求1所述的前置成像物镜系统，其特征在于:该系统为全反射式物镜成像 系统，可选卡塞格林双反射镜或离轴三反式全反射成像物镜系统。3. 根据权利要求1所述的反射滤光传像系统，其特征在于：由半径不同的两球面反射镜 组成，其主镜和次镜的球心位置重合。4. 根据权利要求4所述反射滤光传像系统的次镜，其特征在于:完整的球形反射镜或圆 环式球形反射镜，在不同反射区域镀以不同光谱反射率的反射膜。被置于滤光控制系统的 旋转平台上。5. 根据权利要求1所述的全反射式宽波段多光谱成像系统，其特征在于:除反射滤光传 像系统的次镜外，可在该全反射式宽波段多光谱成像系统前置反射成像物镜系统和反射滤 光传像系统主镜的任一反射镜面镀目标波段范围内的宽带高反膜，以抑制目标波段范围外 光线的影响，提高光谱灵敏度。6. 根据权利要求1所述的反射滤光传像系统，其特征在于:该结构的物面位置与前置反 射成像物镜的后焦平面位置重合;具有滤光和传像双重功能。7. 根据权利要求1所述的滤光控制系统，其特征在于：包括旋转平台和控制与处理模 块，控制与处理模块与旋转平台的控制端口相连，并控制旋转平台的转动;所述反射滤光传 像系统的次镜安装在旋转平台上，在旋转平台的带动下，反射滤光传像系统的次镜绕旋转 平台的转轴旋转，该转轴过两反射镜的球心重合点。8. 根据权利要求7所述的滤光控制系统，其特征在于:控制反射式滤光传像系统次镜的 旋转角度，使该次镜上不同光谱反射率的区域依次反射控制反射式滤光传像系统主镜的光 线;并利用焦平面阵列探测器依次接收，以获取光谱图像序列，达到控制反射滤光并获取不 同波段光谱图像的目的。9. 根据权利要求1所述的焦平面阵列探测器成像系统，其特征在于:所述焦平面阵列探 测器位置与反射式滤光传像系统的后焦平面重合。10. 根据权利1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述的成像系统和滤光传像系统 中无透射元件，均为全反射式结构。
【文档编号】G01J3/28GK106092318SQ201610394867
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610394867.9, CN 106092318 A, CN 106092318A, CN 201610394867, CN-A-106092318, CN106092318 A, CN106092318A, CN201610394867, CN201610394867.9
【发明人】廉玉生, 金杨, 黄敏, 刘瑜
【申请人】北京印刷学院