一种全波段消色差滤片式光谱相机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光谱遥感成像技术领域，涉及一种滤片式光谱相机，尤其涉及一种全波段消色差滤片式光谱相机。
【背景技术】
[0002]高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机结合在一起的一门新兴成像技术。
[0003]高光谱遥感是当前遥感的前沿技术，其光谱分辨率高达纳米数量级，通过高光谱成像所获取的图像，在获取地表空间二维图像的同时还能得到每个地物的连续丰富的光谱维信息，形成了一种独特的三维图像，因而高光谱遥感技术具有波段多，光谱分辨率高的优点。研宄表明许多地物的吸收特性的半宽为20?40nm，只有采用足够高的光谱分辨率才能区分出那些具有诊断性光谱特性的地物。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。针对不同地物的不同光谱特征，利用高光谱图像可有效地区分和识别地物，因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中。
[0004]高光谱立体图像的获取，目前主要有色散型、干涉型和滤光片型等几种方式。
[0005]1、色散型成像光谱技术:是将入射光经棱镜或光栅色散，由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上；
[0006]2、干涉型成像光谱技术:是利用像素辐射的干涉图与其光谱图之间的傅里叶变换关系来获取每个像素的光谱分布；
[0007]3、滤光片型成像技术:是在成像相机前方放置一组滤光片，滤光片采用机械转轮通过电控的方式来控制不同类型的滤光片转动。
[0008]4、液晶可调滤光片技术:使用电调谐的液晶可调谐滤光片LCTF(liquid crystaltunable filter)代替机械滤光片转轮，可快速实现波段调谐，通过给LCTF提供不同的电压，使得通过LCTF的光谱波长具有选择性，而且响应时间非常短，能够实现光谱的连续可调。
[0009]现有技术中，基于液晶可调谐滤片式LCTF (liquid crystal tunable filter)技术的高光谱成像系统基本结构是由:光学镜头、液晶可调滤光片LCTF和一套面阵成像系统组成，如附图1所示。滤光片LCTF作为分光的分光元件，地物反射的太阳光(或者人造光源)经过光学镜头，由LCTF调谐滤波，最后在面阵成像系统上成像，通过编制的图像采集软件完成对面阵相机输出的目标图像数据进行采集、传送、最后存储在硬盘上。在工作状态下，面阵相机每曝光一次，系统会记录单波长二维的图像数据。通过LCTF的中心波长的选择由计算机控制，计算机通过串口发送指令确定下一中心波长，并获取图像数据，如此循环，直至完成所有波长的采集工作。
[0010]通常情况下，LCTF在多光谱成像系统中有两种使用方式:一种是将LCTF置于光学镜头最前面，另一种是将LCTF置于扩束光学镜头和成像光学镜头之间。前者镜头直接与面阵相机连接，能够准确调焦使成像清晰，因而具有结构简单，比较经济的有点，但由于LCTF有一定的厚度，当镜头的通光口径大于LCTF的孔径时会有光能损失并产生渐晕，使得图像边缘的光谱分辨率降低，且LCTF的重量也会影响成像系统的设计，为保证光路共轴，需对LCTF加上支撑机构。后者LCTF与相机直接相连，不会对机械结构产生影响，由于镜头和焦平面之间的光束口径通常小于镜头的入瞳口径，LCTF的口径可以稍微小一些。但是，由于商品化的镜头是按照与相机直接相连的情况设计的，当镜头和相机之间加入有一定厚度的LCTF后，会使图像产生畸变、色差等，并改变系统的放大率，镜头的刻度值将不再准确等。
[0011]上述两种使用方式中，其共同特点是可以选用有标准接口的商用镜头和面阵相机，其基于液晶可调相位延迟器进行偏振调制和探测，通过依次改变液晶可调相位延迟器的加载电压，对入射光的相位进行有序调制，并通过反演计算，进而实现入射光的Stokes全偏振成像探测。液晶可调滤光片组是一种带通滤光片，以液晶电控可变延迟片为主要元件构成可调滤光片，通过调节液晶盒两端的电压实现光谱寻址或光谱扫描，完成一定谱段内的连续光谱分析。液晶可调滤光模组还可以通过调整电压迅速改变光谱通带的位置，与传统的光谱扫描技术不同，LCTF不需要机械部分的支持。把液晶可调滤光片固定在面阵相机前面，可对同一场景高速的连续光谱扫描成像。
[0012]但是，将液晶可调滤光片LCTF置于标准镜头和面阵相机之间，由于光通过标准镜头进入LCTF，LCTF会以电调谐的方式来改变通过光的中心波长，LCTF在每调整一次波长后，面阵相机都会自动的曝光一次。而光线的折射由波长决定，导致焦点面由不同波长及彩色来决定。当不同波长的光聚焦于不同的点，颜色将显得模糊。每一波长的光线聚焦到同一个焦平面(不同波长的光线的焦距是不同的)，或者和标准镜头对不同波长的光线放大的程度不同而形成一种现象一一色差。焦距越长的镜头，色差的情况就越明显。一般的“消色差透镜”只能在某一特定波段范围内进行色差消除，而对与全波段的色差消除镜头现在还没有。
[0013]从几何光学原理角度分析可知，镜头等效于一个单片凸透镜。凸透镜的焦距与镜面两边曲率和玻璃的折射率有关。如果镜片形状固定，那就只与制造镜片材料的折射率相关。而由于光学材料都有色散，因此，同一个镜片，对于红光来说，焦距略微长一点；对于蓝光来说，焦距略为短一点。
[0014]缺点归结为以下两点:
[0015]a.由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊；
[0016]b.同样，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。
[0017]因而，如何消除色差就成为一个非常关键的问题:
[0018]a、消色差:
[0019]利用不同折射率、不同色差的玻璃组合，可以消除色差。而这种镜头有非常大的局限性，只能够在某些特定波段使用，不能够满足全波段类型相机的使用。而对于产生的二级光谱:未消色差的镜头随着光线波长增加，焦距单调上升，色差很大。而消色差镜头焦距随波长先减小后增加，色差很小。消色差镜头的剩余色差就叫做“二级光谱”。二级光谱引起的不同色光焦距变化不可能小于焦距的千分之二，也就是说，镜头焦距越长，消色差越不能满足要求。对镜头质量要求较高时，超长焦消色差镜头的二级光谱已经不可忽视。为了进一步消除二级光谱对镜头质量的影响，引进了复消色差技术。
[0020]b、复消色差:
[0021]如果某种材料随波长变化折射率的数值可以任意控制，则一定能够设计出色差处处完全补偿、因而完全没有色差的镜头。但材料的色散是不能任意控制的，而且可用的光学材料也就那么有限的若干种。而如果能够将可见光波段分为蓝-绿、绿-红两个区间，那么这两个区间能够分别施用消色差技术，二级光谱就能够基本消除。经过精确的计算证明:如果对绿光与红光消色差，那么蓝光色差就会变得很大；如果对蓝光与绿光消色差，那么红光色差就会变得很大。
[0022]C、新型消除色差办法:
[0023]选择消色差的波段范围，要考虑多种因素，如光源(或目标)的辐射波段范围，探测器对波长的响应范围，光材料的透过率随波长的变化，光学仪器的应用目的等等。综合上述因素进行考虑，从中选择最佳的校正色差的波长范围。由于系统所使用的是商品化的镜头，大都是按照与相机直接相连的情况设计的。其镜头的消色差的光谱范围在某些特定的波段，比如在380nm至720nm的可见光波段消色差镜头，近红外消色差镜头。这些镜头都不能够满足对全光谱波段色差消除的需求。而当镜头和相机之间加入有一定厚度的LCTF后，会使图像产生畸变、色差等，再通过调整镜头来实现焦距的调试，由于刻度值将不再准确，得到的结果难免会有误差，造成图像不够清晰等问题。
【实用新型内容】
[0024]本实用新型的发明目的在于:针对现有技术存在的问题，提供一种可实现任意波段色差消除的全波段消色差滤片式光谱相机。
[0025]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为:
[0026]一种全波段消色差滤片式光谱相机，包括光学镜头、液晶可调滤光片LCTF和面阵相机，所述光学镜头与液晶可调滤光片LCTF固定连接，其特征在于，还包括控制器，所述液晶可调滤光片LCTF与面阵相机分开设置，所述面阵相机下方设置有电控平移机构，所述电控平移机构的平移台与面阵相机连接，所述控制器与液晶可调滤光片LCTF、电控平移机构电连接；
[0027]光经光学镜头进入液晶可调滤光片LCTF，控制器以电调谐的方式每调整一次液晶可调滤光片LCTF的透过波长，控制器控制电控平移机构驱动面阵相机沿光轴方向移动；然后面阵相机进行自动曝光一次，面阵相机内的面阵探测器记录下对应透过波长的样品图像；最后将多个样品图像相互叠加形成样品的图像。
[0028]该光谱相机工作时，光经光学镜头后进入液晶可调滤光片LCTF，液晶可调滤光片LCTF以电调谐的方式改变通过液晶可调滤光片LCTF的光的透过波长，控制器控制液晶可调滤光片LCTF每调整一次通过液晶可调滤光片LCTF的光的透过波长后，控制器控制电控平移机构驱动面阵相机沿光轴方向移动，面阵相机自动曝光一次，面阵相机内位于焦平面上的面阵探测器记录下每一特定波长所对应的样品图像，并将几百甚至上千的样品图像相互叠加就构成样品的图像。然而，由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊，且画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘；因而，若面阵探测器记录下的样品图像将会产生成像模糊存在色差时，电控平移机构的平移台及平移台上的面阵相机一起沿光轴方向移动，调整液晶可调滤光片LCTF与面阵相机之间的距离，使面阵探测器上记录清晰的样品图像，因此将几百甚至上千的清晰样品图像相互叠加就构成清晰的样品的图像，样品的图像不存在畸变、色差的现象。
[0029]作为本实用新型的优选方案，还包括LCTF控制器，所述LCTF控制器与控制器、液晶可调滤光片LCTF电连接；控制器产生的控制信号输送至LCTF控制器，LCTF控制器以电调谐的方式调整液晶可调滤光片LCTF的透过波长。
[0030]作为本实用新型的优选方案，所述电控平移机构包括驱动电机、平移台驱动轴和平移台，所述驱动电机将运动通过