光学多路复用成像系统及操作方法

专利名称：光学多路复用成像系统及操作方法
技术领域：
本发明描述一种光学多路复用器(opticalmultiplexer),其用于增加至 少两个视野上的光学数据收集效率。所述光学多路复用器包含第一光 径，其用于从第一视野操作地接收光学数据；以及至少一个光束偏转系 统，其用于从至少一第二视野操作地接收光学数据。所述光学多路复用 器还包含光学链(optical train),其用于将来自上述光径的光学数据聚焦 到焦平面传感器阵列的邻近部分上。在各个实施例中，本发明实现扩大 的轨迹交叉刈幅(across-track swaths)、较高的空间分辨率、每一帧上的 实时参考的成像、沿单独路径的重合成像、立体成像和成像功能性中的 其它改进。
背景技术：
不同的成像器系统是众所周知的用于收集和处理光学数据的系统。 已知的成像器系统包含所谓的"推扫式"、"掸扫式"和"帧"成像器。 在此文献内，"光学数据"意指电磁辐射，所述电磁辐射采取具有在从紫 外线到红外线范围内的波长的电磁射线的形式。
推扫式成像器在远程感测仪器设备中广泛使用。通常在被成像的区 域与成像器之间存在相对运动的情形下使用这些成像器。可通过将成像 器安装在车辆、航空器或卫星上，并在成像器被定向的情况下横穿所关 注的区域，使得所关注区域穿过成像器的视野，来提供此类运动。或者， 成像器可以是固定的，且所关注区域移动穿过成像器的视野(例如在传 送带上)。成像的典型结果是产生条带状图像，通过以与成像器与所关注 区域之间的相对运动的轨迹近似成直角的关系一次对视野内的一整个线 或可能一连串连续的线进行成像来产生所述条带状图像。
相比而言，掸扫式成像器一次对单个点进行成像，且以直角将此点 扫描到轨迹，以建立行式图像。帧成像器沿所述轨迹收集一连串固定帧 二维图像。
推扫式成像器可在成像器的焦平面中利用一个或一个以上传感器， 所述焦平面由感测像素的线性阵列或感测像素的二维阵列组成。线性或
二维阵列可统称为"焦平面阵列"(FPA)。
通常，摄谱仪推扫式成像器具有较窄的狭缝，所述狭缝通常安装在 光学链的图像平面处，使得只有视野的较窄部分(通常与摄谱仪和被成 像的区域之间的相对运动的方向成直角)穿过所述狭缝进入第二光学链 (含有光谱色散光学元件)，且到达焦平面阵列(通常为二维焦平面阵列) 上。此经过狭缝的较窄空间区域通常被称为"轨迹交叉线图像)。二维焦 平面阵列通常经定向以使得摄谱仪推扫式成像器的光学元件使轨迹交叉 线图像沿所述阵列的一个轴线对准，且使来自此图像的光沿所述阵列的 另一正交("列")轴线在光谱上以直角色散。因此，传感器的每一"行" 暴露于来自地面(或另一所关注的区域)上的同一轨迹交叉线图像的视 野但具有不同波长的光。类似地，传感器的每一列记录轨迹交叉线图像 内的给定点的光谱。
轨迹交叉线图像的光谱上色散的光能量或光学数据产生焦平面阵列 的每一暴露像素中的信息的可测量变化。通常，由与成像器相关联的电
子设备在某一所需积分时间读出每一像素或像素的每一组合中的信息的 可测量变化。取样模式和积分时间的长度可根据具体仪器设计和针对特 定测量所选择的操作参数而改变。当多个光谱上色散的轨迹交叉线图像 被读出并记录在合适的记录媒体上时，产生由多个轨迹交叉线图像观看 的整个区域的"光谱图像"。在此描述内容的上下文中，"行"和"列" 的定义是按照惯例，且与本发明的本质无关。
通常，与焦平面阵列的一个空间列相关联的个别光谱值的数目比定 义成像器的轨迹交叉刈幅所需的空间列的数目小得多。通过使来自景象中的任何给定点的可用辐射在与光谱带一样多的不同行上扩展，来实现 光谱分辨率的增加。较大数目的光谱带导致较弱的信号，使得必须在光 谱分辨率与信噪比之间进行权衡，其(部分地)由撞击每一像素的能量 的量控制。此权衡通常表示所需的光谱带(行)的数目常远小于典型传 感器焦平面阵列上沿光谱轴线(其通常被选择为矩形焦平面阵列中的两 个尺寸中的较小者)的行的可用数目。
因此，从推扫式成像器可用的轨迹交叉像素的数目通常受商业上可 购得的焦平面传感器阵列的像素布置限制。此焦平面传感器阵列通常被 设计成用于二维景象成像，且趋向于在行和列上具有近似相等的尺寸。 相反，用于成像光谱学的理想传感器的列(空间信息)的数目与其行(光 谱信息)的数目相比非常大。因此，推扫式成像光谱仪的当前设计可未 充分利用焦平面行(用于光谱尺寸)，且缺乏所需数目的列(用于轨迹交 叉空间尺寸)。
可通过设计专门的定制传感器阵列来减轻焦平面阵列的这种不良利 用。然而，专门的定制传感器阵列的生产成本可非常高，其趋向于与提 供商业上可行的推扫式成像仪器的目的相悖，且另外通常由于制造限制 的缘故而在阵列的最大尺寸方面存在实际约束。
此"标准"焦平面几何形状的最终结果是所需的空间分辨率可能要 折衷。由于有限的刈幅宽度的缘故，受到折衷的空间分辨率将因此使覆 盖区域所需要的单独经过所关注景象上方的所需次数增加。经过次数的 增加使获取此图像的时间和成本增加。
此外，即使具有较大数目的空间像素的焦平面阵列是可用的，标准 设计也将导致需要增加尺寸的光学组件，以容纳较大的图像尺寸，从而 实质上导致光学器件的更大尺寸和成本。
因此，己经需要一种系统，其允许光学焦平面的更有效使用。具体 地说，已经需要产生一种"虚拟"焦平面阵列，其轨迹交叉空间像素(列) 的数目比光谱方向(行)上的像素的数目多得多，同时仍采用与原始图
像格式一致的光学器件。另外，已经需要实现系统光学器件的有效使用 的成像系统，其使得能收集来自一个或一个以上视野的光学数据，其中 来自每一视野的光学数据穿过共同光学链，以便使光学组件的物理尺寸 减到最小。
类似地，非摄谱仪推扫式成像器中也存在相同的问题。在可见和近 红外波长范围内，存在具有数千个像素的较长线性传感器阵列的现成供 应。对于此波长范围，这些较长的线性阵列可解决如上文所述的问题， 以提供较宽(高分辨率)刈幅。然而，较佳的传感器可用性并不解决对 较大光学元件容纳这些较长线性阵列的相伴需要的问题。
对于经设计以用于光谱的其它部分(例如，短波和热红外)的非摄 谱仪推扫式图像，最经济的传感器可能是具有近似相等数目的行和列的 二维阵列。对于这些波长范围，类似地，己经需要产生"虚拟"焦平面 阵列，其实质上大于所述阵列的最大物理尺寸。
类似地，尽管摄谱仪成像器通常采用单个狭缝，且接着通过波长色 散光学器件将所述狭缝成像到传感器阵列上，但某些类型的摄谱仪光学 器件可以同一方式对多个并行狭缝起作用。在这些成像器中，在焦平面 中产生多个光谱，所述光谱根据所述狭缝的间隔与所述狭缝成直角而移 位。在此情况下，仅有必要使狭缝充分分隔，以避免光谱的重叠。因此， 还需要改进的成像系统，其实现利用多个狭缝的摄谱仪成像系统中的光 学焦平面的有效使用。
现有技术的回顾表明过去的系统尚未提供对上述问题的有效解决方案。
第5,936，771号美国专利描述窄和宽视野前视红外(FLIR)光学器 件，其在不同视野之间进行机械切换。
第6,903,343号美国专利描述一种轻便激光指定器测距仪FLIR光学 器件系统。这是一种复杂的系统，其对从单个孔径传入的辐射进行划分， 并使其穿过单独的光学器件，到达两个不同的传感器上，以给出宽和窄
视野。此专利描述一种系统，其中从单个景象传入的辐射在单独的光学 系统之间被划分且并不采用普通的成套光学器件。
第6,888,141号美国专利描述一种帧成像器，其使用一种由热辐射照 射的热电膜来调整可见光的反射，并在可见光检测器阵列上形成图像。 在此系统中，未较好反射的入射可见辐射产生热电层的额外加热，从而 导致正反馈，且使系统的增益增加。
第6,774,366号美国专利描述一种图像积分和多激光源投射系统。所 述系统并不描述来自两个或两个以上视野的光学数据同时穿过共同光径 的成像系统。
第5,751,473号美国专利描述一种双波段光学系统，其使用双波长量 子阱传感器阵列。在此系统中，二向色分光镜使中波红外(MWIR)与 长波红外(LWIR)辐射分离，首先穿过增加焦距并提供较窄视野的额外 光学器件。光束转向是在光学器件内而不是单独的，且强调在较广的视 野内提供一个窄视野。另外，此系统并不在单个或多个检测器上扩展单 独的视野，而是使用单个双波长检测器。
第5，414，364号美国专利描述光学多路复用双视线前视红外(FLIR) 系统，其使用断续器来使单个传感器阵列在具有不同视野的两个单独光 学链之间交替。由此，传感器连续地査看两个视野，在它们之间交替， 且因此使用时间而非空间多路复用。
第5，049，740号美国专利也描述一种多视野传感器和系统，其在窄视 野与宽视野之间机械地交替。
第4,765,564号美国专利描述一种用于成像的固态设备。所述专利描 述一种通过采用波长相关滤波来分离来自单个视野的辐射的系统。所述 专利并不描述来自两个或两个以上视野的光学数据同时穿过共同光径的 成像系统。
第4,682,029号美国专利描述一种为立体成像而设置的双红外(IR) 扫描器。所述系统包i交替地照射单个检测器阵列的两个扫描器—。

发明内容
根据本发明，提供一种光学多路复用系统，其通过在焦平面阵列("虚 拟"焦平面阵列)处产生多个视野来实现光学数据收集的效率的改进。 此虚拟焦平面阵列通过一个或一个以上物理焦平面传感器阵列的有效利 用来实现轨迹交叉尺寸(或其它尺寸)中的增加数目的像素的成像。
此增加数目的轨迹交叉像素可用于改进图像的空间分辨率，增加刈 幅宽度，提供改进的空间分辨率与增加的刈幅宽度的各种组合，或提供 由于不同的视野或同一视野的多次成像而产生的其它功能性。
在一个实施例中，如果多视野图像具有近似相同的区域(即使并非 在相同的时间或以同一视角)，那么根据本发明的系统可提供由于所述相 同区域的多个外观而产生的其它功能性，包含改进的立体成像或其它优 点，例如不同的光谱范围或对不同光条件的适应性。
在其它实施例中，通过使用光束偏转原理，本发明提供可用于全色 或宽带成像器的系统，以在与一个或一个以上焦平面传感器阵列一起使 用时，提供增加数目的轨迹交叉像素。
因此，在一个实施例中，本发明提供一种光学多路复用器，其用于 增加在两个或两个以上视野上同时接收的光学数据收集效率，所述光学
多路复用器包括第一光径，其用于操作地接收来自第一视野的光学数 据；第二光径，其具有第二光径光束偏转系统，用于操作地接收来自第 二视野的光学数据，所述第一光径和第二光径光束偏转系统用于引导来 自第一和第二视野的光学数据穿过共同光学链，所述光学链用于使穿过 光学链的光学数据聚焦到一个或一个以上焦平面阵列的不同部分上。
在一个实施例中，第一光径包含第一光径光束偏转系统。在另一实 施例中，来自第一和第二视野的光学数据被引导穿过共同光学链内的两 个不同光学狭缝， 一个狭缝对应于一个视野。
所述系统还可包含额外的共同光束偏转系统，其在光学上连接到第
一和第二光径光束偏转系统，用于将光学数据操作地引导到共同光学链。 在另外的实施例中，第一和第二光径操作地经定向，以提供并排视 野或提供相同或不同视野。第一和第二光径还可经定向以使得在近似天 底的方向上但以不同的前后査看方向引导每一视野，以产生立体图像数 据。
在另一实施例中，允许光学链用于摄谱仪成像，其中两个或两个以 上狭缝耦合到提供波长色散的第二光学链。
在另一实施例中，所述光学链实现来自每一视野的光学数据的波长 色散，且其中对应于来自每一视野的每一空间位置的经色散的光学数据 被记录到对应于每一视野的单独的焦平面阵列上。
在又一实施例中，每一焦平面阵列在光谱尺寸中具有足够数目的行， 从而允许在单个焦平面阵列的邻近部分上测量至少两个视野。
在另一实施例中，所述系统包含两个以上光束偏转系统和一个或一 个以上焦平面阵列上的相应数目的焦平面阵列或部分，以接收来自相应 视野的光学数据。所述系统还可包含两个以上光束偏转系统和相应数目 的光学狭缝，其用于操作地接收来自相应视野的光学数据。
在一个实施例中，所述两个光学狭缝具有不同的宽度。
在另外的实施例中，所述系统包含一个或一个以上带通或其它光学 滤波器，其在光学上连接到光学链。所述光学链还可包含一个或一个以 上波长相关滤波器，以限制到达一个或一个以上焦平面阵列的光学数据 的光谱范围，以便防止来自光谱上色散的视野的重叠。
焦平面阵列可包括光子感测元件或能通量感测元件。焦平面阵列还 可包括单独的焦平面阵列。
在另一实施例中，至少一个视野可包含至少一个校准源。
在另一实施例中，光学链包含限制在一个尺寸中的孔径，以减小相 应光径光束偏转系统的至少一个光径与焦平面阵列的分隔距离，同时使 敏感性和信噪比的下降减到最小。
在另一实施例中，第一和第二光径光束偏转系统和光学链中的任何 一者的尺寸允许焦平面阵列传感器的多个行在无渐晕的情况下获得景象 的二维视图。
在又一实施例中，本发明提供一种光学多路复用器，其包括第一 光束偏转系统，用于操作地接收并重新引导来自第一视野的光谱数据； 第二光束偏转系统，用于操作地接收并重新引导来自第二视野的光谱数 据；双狭缝，其具有第一和第二邻近光学狭缝，第一光学狭缝在光学上 连接到第一光束偏转系统，且第二光学狭缝在光学上连接到第二光束偏 转系统；以及焦平面阵列，其通过共同光学链在光学上连接到双狭缝， 其中穿过第一和第二光学狭缝的光谱数据聚焦在焦平面阵列的邻近部分 上。


通过以下具体实施方式
和附图来描述本发明，其中
图1是将根据现有技术(A)和(B)与本发明(C)的焦平面阵列 和光学器件的相对尺寸进行比较的示意性平面图1A是根据具有光学狭缝的本发明的一个实施例的光学多路复用 器的示意性侧视图1B是根据不具有光学狭缝的本发明的一个实施例的光学多路复 用器的示意性侧视图2是根据具有光学狭缝的本发明的一个实施例的光学多路复用器 的示意性后视图3是根据具有光学狭缝的本发明的一个实施例的光束偏转元件的 示意性等距视图4是根据现有技术(A)与本发明的一个实施例(B)的焦平面阵 列的利用的示意性比较；
图5是根据现有技术的典型轨迹交叉视野的示意图，其展示单个视
野系统的地面投影；
图6是根据本发明一个实施例的典型轨迹交叉视野的示意图，其展 示使用经多路复用系统获得的两个重叠视野的地面投影；以及
图7是在光束偏转系统内并入有校准源的本发明的一个实施例的示 意图。
具体实施例方式
根据本发明且参看附图，描述光学多路复用器io的实施例。 一般来说，光学多路复用器10包含第一光径12a，用于操作地接 收来自第一视野12'的光学数据；以及至少一个光束偏转系统12c，用于 操作地接收来自至少一第二视野12"(图1B)的光学数据。所述第一和 第二视野(FOV)可以相同，且可对两个以上FOV进行成像。第一光径 和至少一个光束偏转系统引导来自第一视野12'和至少第二视野12"的 光学数据穿过光学链100，所述光学链用于将穿过光学链100的光学数 据聚焦到焦平面阵列30的邻近部分上。在不同实施例中，焦平面阵列 30可以是单个传感器阵列，或由可为相似类型或彼此不同的单独传感器 阵列组成。应注意，如所属领域的技术人员将理解，在图内，射线路径 的任何表示法都是示意性的，且可不代表任何所说明的光学器件的真实 射线路径。
在一个实施例中，可使用光学狭缝系统14 (图1A)来代替光学链 100a的焦点处的传感器16，所述光学狭缝系统14形成到达第二光学链 100b的入口，第二光学链100b使辐射穿过波长扩散媒体。在此实施例 中，将光学数据成像到第二焦平面上，其中一个或一个以上传感器阵列 30位于第二焦平面上。第二光学链100b常被称为"成像摄谱仪"，且如 图1A中所示，其是整个光学链100的子系统。
在另一实施例中，可采用光学狭缝系统14和第二光学链100b来形 成两个光径，所述两个光径在第二光学链100b的焦平面30处的不同位
置处聚焦。如果光束偏转系统经定向以使得所述两个光径对同一视野进
行成像，那么所述两个光径12a， 12b可穿过光学链100b内的不同滤波 器机构，以便提供关于所述视野的额外信息。举例来说， 一个路径可穿 过偏振滤波器，以使得同一视野的经偏振和未经偏振图像两者形成于焦 平面阵列处。
在另外的实施例中，光学狭缝系统14可包含对应于正被观测的多个 视野的多个狭缝。因此，因为来自多个FOV的光学数据穿过两个视野的 共同光学链系统(如图1A、图2和图3中所示)，光学多路复用器进而 实现焦平面阵列30 (和相应的传感器)的有效使用，使得光学链100的 尺寸可得以减小，如下文将更详细地论述。
更具体地说，图1A展示具有光学狭缝的本发明的一个实施例的侧 视图，图1B是不具有光学狭缝的光学多路复用器的示意性侧视图，其 中传感器阵列30位于光学链100的焦平面处。
图2展示航空成像系统情形下的具有光学狭缝的图1A所示的本发 明的实施例的示意性后视图。在此描述的上下文中，通常将光学多路复 用器描述为具有用于收集来自两个视野12'， 12"的光学数据的两个光束 偏转装置12c， 12d的系统。在航空成像系统的情况下，负x轴线经定向 在航空器的航行方向上，y轴与飞行路径的方向垂直，且z轴是垂直的。
系统10a (图1A)包含两个光束偏转镜12，其中将两个视野中的每 一者的射线迹线12a， 12b展示为在光学上连接到双狭缝14和焦平面阵 列30。所述系统还可包含共同镜13或其它光束偏转器，以及已知光学 元件的各种组合，所述已知光学元件包含前部光学器件(foreoptics) 16、 准直仪18、光谱扩散元件20和相机光学器件22，如可根据成像器的特 定设计而包含在内。明确地说，在此描述内容内应了解，可根据特定成 像器所关注的光谱带通、视野和色散要求来实施或在商业上获得许多内 部一致类型的此类光学元件。
在此实施例中，光束偏转系统12使来自两个视野中的每一者的光偏
转。在镜12之后，两组射线12a， 12b穿过适当的前部光学器件16、狭 缝14、准直仪18、光谱色散元件20和相机光学器件22，到达焦平面阵 列30。
应注意，在图la中，为了清楚起见，图内已经降低了色散元件(通 常是衍射光栅或棱镜)的效应，以便展示所述两组射线在焦平面阵列处 的移位。即，在典型实施例中，色散元件将使射线在焦平面阵列的大部 分上扩展开，如图4中示意性地展示和下文所论述。可通过所属领域的 技术人员已知的许多方法来保证避免两个视野在光谱方向上在焦平面阵 列上重叠，所述方法包含合适地定位和定向狭缝和其它光学元件、使用 带通滤波器和焦平面阵列的受限范围的光谱敏感性等等。
参看图2，图2展示对天底视野的相对侧进行成像的两组示范性射 线迹线。图2中己经夸大了不同的角度，以使分离更为清楚。镜的角度 优选经设置以确保天底处的较小重叠，以便确保不会遗漏任何区域。
参看图3，图3是展示可看出不同定向的效果的光束偏转装置的细 节的示意图。
参看图4，图4是利用根据现有技术(A)和本发明(B)的FPA的 示意性比较。如图所示，对于FPA来说，轨迹交叉(x轨迹)方向在水 平方向上，且光谱色散在垂直方向(y轨迹)上。FPA通常可包含340 个x轨迹像素和240个y轨迹像素。
在许多应用中，对IOO个以上的光谱带进行分析是不切实际的，且 因此，对于典型的340x240像素传感器，FPA的大于50X的y轨迹空间 未被利用。换句话说，240个潜在数据传感器中至多只利用了约100个 数据传感器(图4A)。
如图4(B)中所示，展示对应于从两个视野中的每一者接收到的光学 数据的两个成像区域100和101。在一个实施例中， 一个区域100包括 从近天底到航空器的一端光谱色散的图像，且另一区域101从近天底到 航空器的另一侧，从而形成在轨迹交叉空间方向上具有双重尺寸的"虚
拟"焦平面阵列。因此，如果每一图像处理240y轨迹传感器上的100个 光谱带，那么利用了 240个行中的200个行，而不是根据现有技术的240 个中的100个。
实际上，根据本发明一个实施例的FPA传感器阵列的此利用可用于 使系统的轨迹交叉宽度(或分辨率)有效地加倍，如图5和图6中示意 性地展示。
参看图5和图6，图5是展示根据现有技术的传统推扫式扫描器的 在天底110的每一侧上约20度的轨迹交叉视野100的基本情况。图6 展示总的轨迹交叉角度视野近似与图5中的相等但光学器件的角度视野 大约是相应的现有技术推扫式扫描器的小于两倍的实施例的两个FOV 100， 101的示意性轨迹交叉地面刈幅。如图6中所示，由于FOV中的 每一者可实质上使用光学器件的所有角度视野，所以对于图6的系统来 说，同一刈幅上的分辨率(即，轨迹交叉像素的数目)近似加倍。
为了更加清楚，已经夸大了如图6所示的天底观看角度的重叠。实 际上，天底处的角度重叠通常被设置为0.5度，但此精确值并不重要。
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如所属领域的技术人员所理解，图像在FPA传感器上的所需分隔与 将景象成像到FPA上的透镜的焦距组合，以及成像透镜的入射光瞳或孔 径的大小将决定镜或其它光束偏转器(例如特定系统内的棱镜)的分隔 距离、定向和大小。
在一个实例中，考虑到焦平面阵列内的单个像素。照射此像素的射 线来自视野的较小子集。照射一行此类像素的射线来自视野的整个宽度， 但在其它方向上只来自较窄的视野。照射另一行像素的射线束来自不同 的视野(与正讨论的行成直角)。在距光学组合件某一距离处，这些射线 束不再重叠，且在此距离(且超过此距离)处，有可能放置镜或其它光 束偏转装置以重新引导这些射线束，进而独立地修改每一像素行的视野。
对于位于Jt学链的焦平面处的传感器的情况，如果光束偏转系统放
置的距离比射线束的分隔所需的最小距离大，那么可从之前段落中所述 的每一视野照射焦平面阵列上的多个邻近行，从而提供景象的二维视图， 而不会混合来自其它射线束的射线。在推扫式成像器的情况下，其中景 象与成像器之间存在相对运动，效果是为每一视野提供景象的多个连续 视图，其可提供额外的信息。举例来说，如果前后方向上的视野中的一 者在三个邻近行上扩展，那么在时间T由第一行查看的同一区域可在时间T+l时由第二行成像，且在时间T+2时再次由第三行成像。如果取样 积分时间被合适地设置以与传感器和被成像区域之间的相对运动匹配， 那么对于此示范性情况，在三个连续取样时间间隔产生景象的同一部分 的三个独立视图。这三个样本可接着用于改进信噪比而不会使沿轨迹空 间分辨率折衷的目的。
对于摄谱仪实施方案的情况，两个(或两个以上)不同视野在焦平 面阵列上的不同行上扩展，这将导致两个(或两个以上)不同视野的光 谱带之间的略有不同的边界。根据所属领域的技术人员众所周知的多种 技术的光谱重新取样可接着用于产生两个(或两个以上)视野的共同光 谱带组。
类似地，可根据用于几何校正远程感测数据的标准方法由数据的空 间重新取样来纠正如由传感器看到的两个或两个以上视野的子像素移 位。
另外，在成像摄谱仪应用的情况下，狭缝可充分地分隔，使得避免 了光谱的重叠。如果需要的话，可采用带通限制滤波器来限制撞击传感 器的辐射的光谱范围，以便使所需的狭缝分隔减到最小，且仍避免此重 叠。此滤波可在光学链中的任何位置进行。但通常将紧靠传感器阵列的 前部或狭缝的前部(或后部)而实现。
还应明白，不需要将经多路复用的通道(以及狭缝或传感器行)的 数目限制为两个。 即，只有必要增加光束偏转系统与光学组合件之间的 分隔距离，4t得发生必要的射线束分隔，以使得可经由光束偏转器而使
用三个或三个以上不同的视野。
此外，没有必要采用多个视野中的所有视野来观看景象。举例来说， 对于成像系统来说，常需要在视野内提供校准源(图7)。因此，可引入
一个或一个以上校准目标200 (以距光学组合件近似相等的距离)来代 替光束偏转器中的一者或一者以上，所述校准目标将填充系统的行或狭 缝的一者内的一个或一个以上像素的视野。通过使所述目标在行方向上 分离，且确保它们的射线束不会重叠，可采用多个源或目标，甚至在保 留视野的一部分以用于观看所关注的景象时也是如此。
如图7中所示，校准源200可并入到光束偏转系统12的一个或一个 以上外区上，作为在系统内提供连续校准源的构件。校准源200可以是 所属领域的技术人员已知的任何已知校准源，例如黑主体板。在此实施 例中，来自校准源的射线填充传感器上的至少一个像素的视野(图lb)， 或对应于狭缝中的一者的边缘处的一个像素的区域(图la)。不包含来 自校准源的任何射线的所关注的未渐晕FOV 202聚焦在焦平面或狭缝的 内部区域上。
例如此处所述的经多路复用的系统中，光学组合件与光束偏转器之 间的所需距离可充分大，以引起总系统的物理大小的实际问题。因此， 一种减小所需分隔距离的方法是减小与传感器行成直角的方向上的光学 孔径"高度"。尽管这将减小系统的敏感性，但孔径的一个尺寸的百分之 几十的减小将只对光学处理量产生较小的影响，但将以与孔径高度的百 分比减小成正比的关系减小光学组合件与光束偏转器之间的所需分隔距 离。
因此，在成像摄谱仪应用的情况下，有必要从成像器充分去除光学 偏转器12，以使光束照射传感器的分隔的行或狭缝，不会在空间上重叠， 且充分大，使得其反映的图像填充传感器的视野。可通过商业上可购得 的光学建模软件封装(例如，"Zemax")来确定这些设计参数。
此外，优选的是，光束偏转器经定位且定向以使得在沿飞行路线对
区域进行成像期间，天底方向上不存在显著间隙。为了更加清楚，在航 空应用中，可在分析和几何校正期间，将视野中的每一者视为单独的飞 行路线。重要的对准标准是不存在一个或另一视野在飞行线路期间不可 进行成像的地面上的所关注的有效区域。
在优选实施例(如图la、图lb、图2和图3中所示)中，两个光束 偏转器(12)向外倾斜，以便从近似天底向外到每一侧提供两个视野。 还需要前后方向上的额外倾斜，以使优选实施例的视野对准。偏转镜的 此微小的额外倾斜意味着地面的在焦平面阵列处可用的两个近似轨迹交 叉视野相对于彼此具有微小的角度，且对航空器航向并非相当正常。艮P， 地面的在焦平面阵列处可用的视野相对于彼此具有微小的V形状。此相 对于航空器航向的非正交性的程度取决于镜的定向细节，但通常导致与 两个视野中的每一者与航空器航向正交时的刈幅尺寸相比，地面上的轨 迹交叉刈幅的小于几个百分比的减小。可通过使用所属领域的技术人员 众所周知的几何校正方法，在最终处理的数据中容易地校正此正交性的 缺乏。
立银威像
在另一实施例中，可使用根据本发明的光学多路复用器来有效地收 集用于立体成像的数据。在产生立体图像的过程中，两个或两个以上视 野经定向以在不同时间且从不同的前后角度査看地面上的同一区域，以 便产生立体图像。更具体地说，光束偏转装置经定向以使得两个视野在 近似天底方向上被引导，但具有不同的前后查看方向。此立体成像方法 通过对恒定前后观看角度的独立控制(在适当地去除航空器运动影响之 后)来提供恒定的前后观看角度而具有若干优于传统立体成像的优点， 对所述角度的独立控制可导致比前后观看角度沿飞行方向变化的情况下 的帧相机立体对更简单且更一致的图像解译(尤其在用计算机化的解译 算法的情况下)。此立体成像方法可应用于摄谱仪和非摄谱仪实施例两 羞。
低光摄谱仪
在另 一实施例中，两个或两个以上视野经定向以在近似天底方向上， 没有必要在同时，且使用具有不同宽度的两个狭缝来査看地面上的同一 区域。具有较宽宽度的狭缝增加了进入摄谱仪的光的量，且尽管导致光 谱上的减小，且对于涉及非常低的景象辐射能的图像获取来说，空间分 辨率可能是非常重要的值。
信号比噪声
在又一实施例中，且如上文所述，光束偏转装置可经定向以便从同 一视野获得数据。通过求出来自具有同一视野的两个图像的数据的平均 值，可改进信噪比。此操作模式可应用于摄谱仪和非摄谱仪实施例两者。
带通滤波器
在另一非摄谱仪实施例中，可利用光学滤波器来隔离与所关注的窄 光谱波长区相关联的辐射能。在此实施例中，多个视野经定向以在近似 天底方向上查看地面上的同一区域，其中在成像路径重叠之前，沿两个 或两个以上单独射线路径中的一者或一者以上使用光谱滤波器。将光学 滤波器用于全色传感器使得能以一个以上波长获得同一区域的图像(在 镜对准和/或几何校正过程的准确度内)，或隔离所关注的特定辐射能。
系统汰点
在空中成像的情况下，如果具有带有根据本发明的光学多路复用器 的成像器的航空器在地面上空某一高度处飞行，使得刈幅宽度近似与无 本发明的系统的刈幅宽度相同，如图5中所示，那么轨迹交叉像素的数 目近似加倍意味着轨迹交叉像素大小近似减小了两倍。如果需要原始数 据中的近似平方像素，那么在同一取样频率下，航空器飞行的速度可近 似为一半，或针对焦平面阵列的取样频率可近似增加两倍，其中改进空 间分辨率的净影响近似增加两倍。
或者，如果具有光学多路复用器的系统在较高的海拔高度处飞行， 使得轨迹交叉像素分辨率近似等于使用传统推扫式扫描器获得的分辨率
(如在图5中)，那么地面刈幅近似加倍。净影响将是减小覆盖较大所关 注区域所需的飞行线路的数目。
通过适当的飞行计划，操作者可选择采用上文所描述的两种操作选 择的某一组合，以改进空间分辨率并扩大地面刈幅宽度。
重要的是，系统使得光学组件的直径与如图1中所示的轨迹交叉空
间像素的数目相比减小了。在不具有光学多路复用器(A)和(B)的正 常光学系统中，为了使360 (x轨迹)xl20 (y轨迹)像素传感器阵列中 的轨迹交叉像素的数目加倍到720 (x轨迹)xl20 (y轨迹)像素传感器 阵列，要求光学元件中的至少一些关学元件的直径近似加倍。目卩，为了 使轨迹交叉像素的数目加倍，要求光学组件的直径实质增加，从而导致 体积、重量和成本增加。
通过使用本发明(C)，可在较小增加光学组件的直径(以允许两个 视野的略微偏离轴的路径)的情况下实现轨迹交叉像素的数目的加倍。 如在(C)处所示，两个360 (x轨迹)xl20 (y轨迹)像素传感器阵列 可并排或彼此邻近(或与一个360x240传感器阵列邻近)而定位，与(B) 相比，具有显著较小直径的光学组件。因此，可实现光学链的显著的成 本、体积和重量节省。
尽管已相对于优选实施例及其优选使用描述并说明了本发明，但并 非局限于这样的情形，因为可在其中进行在本发明的完整既定范围内的 修改和改变。
权利要求
1. 一种光学多路复用器，其用于增加在两个或两个以上视野上同时接收的光学数据收集效率，所述光学多路复用器包括第一光径，其用于操作地接收来自第一视野的光学数据；第二光径，其具有第二光径光束偏转系统，所述第二光径光束偏转系统用于操作地接收来自第二视野的光学数据，所述第一光径和第二光径光束偏转系统用于引导来自所述第一和第二视野的所述光学数据穿过共同光学链，所述光学链用于将穿过所述光学链的所述光学数据聚焦到一个或一个以上焦平面阵列的不同部分上。
2. 根据权利要求1所述的光学多路复用器，其中所述第一光径包含 第一光径光束偏转系统。
3. 根据权利要求1或2中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中来自所述第一和第二视野的所述光学数据被引导穿过所述共同光学链 内的两个不同光学狭缝， 一个狭缝对应于一个视野。
4. 根据权利要求1-3中任一权利要求所述的光学多路复用器，其进 一步包括额外的共同光束偏转系统，其在光学上连接到所述第一和第二 光径光束偏转系统，以用于将光学数据操作地引导到所述共同光学链。
5. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述第一和第二光径操作地经定向以提供并排视野。
6. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述第一和第二光径操作地经定向以提供相同或不同的视野。
7. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述第一和第二光径经定向以使得每一视野在近似天底方向上被引导， 但具有不同的前后査看方向，以用于产生立体图像数据。
8. 根据权利要求1-7中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述光学链经启用以用于摄谱仪成像，其中两个或两个以上狭缝耦合到 提供波长色散的第二光学链。
9. 根据权利要求3-8中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述光学链实现来自每一视野的光学数据的波长色散，且其中对应于来 自每一视野的每一空间位置的经色散光学数据被记录到对应于每一视野 的单独焦平面阵列上。
10. 根据权利要求9所述的光学多路复用器，其中每一焦平面阵列在 光谱尺寸中具有充分数目的行，以使得能够在单个焦平面阵列的邻近部 分上测量至少两个视野。
11. 根据权利要求1-2中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述系统包含两个以上光束偏转系统和相应数目的焦平面阵列或一个或 一个以上焦平面阵列上的部分，以接收来自相应视野的光学数据。
12. 根据权利要求3-10中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中所述系统包含两个以上光束偏转系统和相应数目的光学狭缝，以用于 操作地接收来自相应视野的光学数据。
13. 根据权利要求3-10和12中任一权利要求所述的光学多路复用 器，其中所述两个光学狭缝具有不同的宽度。
14. 根据权利要求1-13中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 进一步包括在光学上连接到所述光学链的一个或一个以上带通或其它光 学滤波器。
15. 根据权利要求8、 9、 12或13中任一权利要求所述的光学多路复 用器，其中所述光学链在所述光学链内包含一个或一个以上波长相关滤 波器，以限制到达所述一个或一个以上焦平面阵列的光学数据的光谱范 围，以防止来自经光谱色散的视野的重叠。
16. 根据权利要求1-15中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中所述焦平面阵列包括光子感测元件。
17. 根据权利要求1-15中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中所述焦平面阵列包括能通量感测元件。
18. 根据权利要求1-17中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中所述焦平面阵列包括单独的焦平面阵列。
19. 根据权利要求1-18中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 至少一个视野包含至少一个校准源。
20. 根据权利要求1-19中任一权利要求所述的光学多路复用器，其中 所述光学链包含被限制在一个尺寸中的孔径，以减小相应光径光束偏转 系统的至少一个光径与所述焦平面阵列的分隔距离，同时使敏感性和信 噪比的下降减到最小。
21. 根据权利要求2-20中任一权利要求所述的光学多路复用器，其 中所述第一和第二光径光束偏转系统和光学链中的任一者的尺寸使得焦 平面阵列传感器的多个行能够在无渐晕的情况下获得景象的二维视图。
22. —种光学多路复用器，其包括第一光束偏转系统，其用于操作地接收并重新引导来自第一视野 的光谱数据；第二光束偏转系统，其用于操作地接收并重新引导来自第二视野 的光谱数据；双狭缝，其具有第一和第二邻近光学狭缝，所述第一光学狭缝在 光学上连接到所述第一光束偏转系统，且所述第二光学狭缝在光学上 连接到所述第二光束偏转系统；以及焦平面阵列，其通过共同光学链在光学上连接到所述双狭缝，其 中穿过所述第一和第二光学狭缝的光谱数据被聚焦在所述焦平面阵列 的邻近部分上。
全文摘要
本发明描述一种光学多路复用器，其用于增加至少两个视野上的光学数据收集效率。所述光学多路复用器包含第一光径，其用于从第一视野操作地接收光学数据；以及至少一个光束偏转系统，其用于从至少一第二视野操作地接收光学数据。所述光学多路复用器还包含光学链，其用于将穿过所述光学链的所述光学数据聚焦到焦平面阵列的邻近部分上。本发明提供多处改进，包含扩大的轨迹交叉刈幅、较高的空间分辨率、每一帧上的实时参考的成像、沿单独路径的重合成像、立体成像和成像功能性的其它增加。
文档编号G02B27/10GK101384945SQ200780005875
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月21日 优先权日2006年2月22日
发明者克利福德·D·安吉尔, 史蒂芬·艾查尔 申请人:Itres研究有限公司