一种多光谱成像系统的制作方法

本实用新型属于光学成像领域，具体涉及一种多光谱成像系统，具有像方远心的中间像面，基于分光的共口径，谱段之间图像具有同时性、无视差。

背景技术：

多光谱成像系统是一种可同时获得目标图像和光谱信息的成像系统。广泛应用于军事目标侦查、国土普查、植被分析、气候变化监测、农作物估产、物质成份分析等方面。

光谱成像按光谱分辨率高低可分为高光谱成像和多光谱成像。多光谱成像的光谱分辨率较低，一般采用成像系统加滤波片这种技术路线来实现。常见的多光谱成像系统有滤光轮式多光谱成像系统和阵列式多光谱成像系统。滤光轮式多光谱成像系统优点在于多光谱图像之间分时共用同一口径，图像之间无视差，缺点是谱段之间的图像不是同时获取的，存在时间差，适用于近距离静态目标成像；阵列式多光谱成像系统刚好相反，优点是各个谱段图象是同时获取，没有时间差，缺点是谱段之间图像不是同一口径，存在视差，适合于远距离动态目标成像。

基于滤波片的多光谱成像体制存在一个普遍的问题就是：滤波片透过波段随光线入射角度增大向短波漂移。由于滤波片大都通过镀制多层介质膜来实现滤光，而随入射角增大透过率曲线左移的特性是多层介质膜固有的。所以，在多光谱成像系统中，滤波片一般都放置于入射角度较小位置。在实际应用中，为不破坏光学镜头的整体性，滤波片一般放置于光学镜头之前，或置于镜头后焦面之前。对于小视场或近距离成像的小口径系统，滤波片一般放置于光学镜头之前。

对于滤波片前置的多光谱系统，为保证个视场光谱透过率的一致性，要求视场很小或光学镜头为物方远心。小视场系统是对无穷远成像，一般口径较大，导致滤波片尺寸大。对于近距离目标可采用物方远心镜头，如ZL200910218528.5和ZL200920244895.8所述光学系统。

对于置于镜头后焦面之前的系统，为保证个视场光谱透过率的一致性，要求光学镜头为像方远心。典型的如美国好奇号(MSL)火星车搭载多光谱相机，采用准远心镜头，滤光轮位于镜头和焦面之间。为获得更宽谱段多光谱图像，光学系统应为全反射的像方远心系统，如 US patents 4,226,501(1980)、U.S.Patent 4,240,707、ZL200910020932.1和 ZL2013010426053.5等所述光学系统。

以上两种多光谱成像系统均需要根据光谱精度需求控制物方和像方数值孔径，光谱带宽越窄，要求数值孔径越小，这会导致成像能量降低，并降低图像空间分辨率。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种多光谱成像系统。具体地说，是一种具有像方远心的中间像面、基于分光共口径的、谱段之间图像具有同时性、无视差的多光谱成像系统，包括入瞳10、物镜组11、N个分光镜、和根据光谱通道数量设置的滤波片、中继镜组及探测器焦平面；该多光谱成像系统包括至少两个光谱通道；视场光束首先通过入瞳入射到所述多光谱成像系统中，所述物镜组以将通过入瞳入射的光束聚焦，形成具有像方远心的中间像面的方式设置；分光镜的数量N≥1，视场光束通过所述N个分光镜被分为至少两束，每束光构成一个光谱通道；滤波片以在每一个光谱通道中对分光之后的光束进行滤波的方式设置；中继镜组以在每一个光谱通道中对分光之后的光束进行聚焦的方式设置；探测器焦平面以在每一个光谱通道中接收经滤波片滤波和中继镜组聚焦后的光的方式设置；每个探测器焦平面到中心像面的距离相等。

更进一步的，多光谱成像系统包括两个光谱通道；视场光束首先通过入瞳入射到所述多光谱成像系统中，通过所述物镜组将光束聚焦于中间像面，光束经过第一分光镜被分成两束，其中一束光形成第一光谱通道，第一光谱通道以下述方式构成：第一分光镜反射的光通过第一滤波片滤波之后，再经过第一中继镜组聚焦入射在第一探测器焦平面上；另一束光形成第二光谱通道，第二光谱通道以下述方式构成：第一分光镜透射的光束通过第二滤波片滤波之后，再经过第二中继镜组聚焦入射在第二探测器焦平面上；第一探测器焦平面到中间像面的距离与第二探测器焦平面到中间像面的距离相等。

更进一步的，所述多光谱成像系统包括八个光谱通道；视场光束经过入瞳入射到物镜组上，物镜组将光束聚焦于中间像面，光束经过第一分光镜被分成两束；其中第一分光镜反射的光入射到第一二级分光镜进行二级分光；被第一二级分光镜透射的二级分光光束入射到第一三级分光镜发生三级分光，其中的反射光束经过第一滤波片和第一中继镜组之后聚焦到第一探测器焦平面，形成第一光谱通道，透射光束经过第二滤波片和第二中继镜组之后聚焦到第二探测器焦平面，形成第二光谱通道；被第一二级分光镜反射的二级分光光束入射到第二三级分光镜发生三级分光，其中的反射光束经过第三滤波片和第三中继镜组之后聚焦到第三探测器焦平面，形成第三光谱通道，透射光束经过第四滤波片和第四中继镜组之后聚焦到第四探测器焦平面，形成第四光谱通道；第一分光镜透射的光入射到第二二级分光镜进行二级分光；被第二二级分光镜透射的二级分光光束入射到第三三级分光镜发生三级分光，其中的透射光束经过第五滤波片和第五中继镜组之后聚焦到第五探测器焦平面，形成第五光谱通道，反射光束经过第六滤波片和第六中继镜组之后聚焦到第六探测器焦平面，形成第六光谱通道；被第二二级分光镜反射的二级分光光束入射到第四三级分光镜发生三级分光，其中的透射光束经过第七滤波片和第七中继镜组之后聚焦到第七探测器焦平面，形成第七光谱通道，反射光束经过第八滤波片和第八中继镜组之后聚焦到第八探测器焦平面，形成第八光谱通道；八个探测器焦平面到中间像面的距离相等。

更进一步的，所述分光镜是能量分光或颜色分光，或者二者合理的组合。

由于物镜组是像方远心，且中间像面到各个探测器焦平面距离相等，不同探测器焦平面可以同时探测到图像，并且不同探测器焦平面探测到的视场相同，不会产生不同视场中心波长漂移的情况。

更进一步的，在多光谱系统给定视场和焦距的条件下，可以根据需要增大系统的口径。有益效果：通过引入分光元件，可以同时满足无时差和无视差两个优点。通过引入像方远心的中间像面，我们可以根据系统的光谱分辨率来确定物镜的f#，(一般光谱分辨率越高，f# 越大)可以通过调整物镜组的放大倍率，来调整全系统的f#。这样对于多光谱系统来说，图像的能量(空间分辨率)，和光谱分辨率，就成为互相独立可调的变量。

附图说明

图1为本实用新型的一种两光谱通道多光谱成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型的一种八光谱通道多光谱成像系统的结构示意图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。

图1为本实用新型所述一种两光谱通道多光谱成像系统的结构示意图，该多光谱成像系统包括两个光谱通道；视场光束首先通过入瞳10入射到所述多光谱成像系统中，通过所述物镜组11将光束聚焦于中间像面，光束经过第一分光镜21被分成两束，

其中一束光形成第一光谱通道，第一光谱通道以下述方式构成：第一分光镜21反射的光通过第一滤波片31滤波之后，再经过第一中继镜组41聚焦入射在第一探测器焦平面51 上；

另一束光形成第二光谱通道，第二光谱通道以下述方式构成：第一分光镜21透射的光束通过第二滤波片32滤波之后，再经过第二中继镜组42聚焦入射在第二探测器焦平面52 上；

第一探测器焦平面到中间像面的距离与第二探测器焦平面到中间像面的距离相等。

图2为本实用新型所述的一种八光谱通道多光谱成像系统的结构示意图，所述多光谱成像系统包括八个光谱通道；视场光束经过入瞳10入射到物镜组11上，物镜组11将光束聚焦于中间像面，光束经过第一分光镜21被分成两束；

其中第一分光镜21反射的光入射到第一二级分光镜22进行二级分光；被第一二级分光镜22透射的二级分光光束入射到第一三级分光镜24发生三级分光，其中的反射光束经过第一滤波片31和第一中继镜组41之后聚焦到第一探测器焦平面51，形成第一光谱通道，透射光束经过第二滤波片32和第二中继镜组42之后聚焦到第二探测器焦平面52，形成第二光谱通道；被第一二级分光镜22反射的二级分光光束入射到第二三级分光镜25发生三级分光，其中的反射光束经过第三滤波片33和第三中继镜组43之后聚焦到第三探测器焦平面 53，形成第三光谱通道，透射光束经过第四滤波片34和第四中继镜组44之后聚焦到第四探测器焦平面54，形成第四光谱通道；

第一分光镜21透射的光入射到第二二级分光镜23进行二级分光；被第二二级分光镜 23透射的二级分光光束入射到第三三级分光镜26发生三级分光，其中的透射光束经过第五滤波片35和第五中继镜组45之后聚焦到第五探测器焦平面55，形成第五光谱通道，反射光束经过第六滤波片36和第六中继镜组46之后聚焦到第六探测器焦平面56，形成第六光谱通道；被第二二级分光镜23反射的二级分光光束入射到第四三级分光镜27发生三级分光，其中的透射光束经过第七滤波片37和第七中继镜组47之后聚焦到第七探测器焦平面 57，形成第七光谱通道，反射光束经过第八滤波片38和第八中继镜组48之后聚焦到第八探测器焦平面58，形成第八光谱通道；八个探测器焦平面到中间像面的距离相等。

更进一步的，上述实施例中涉及的多光谱成像系统，其分光镜是能量分光或颜色分光，或者二者合理的组合。

首先根据测量视场和探测器焦平面的大小确定系统的相关参数，由于物镜组是像方远心的，光束聚焦形成中间像面时，如果物镜组的焦距过大，会使得中间像面的面积增大，进而增加系统的体积，而物镜组的焦距过小，会使得光束聚焦的锥角变大，使得入射到滤波片的光束入射角度增大，从而导致波段随光线入射角度增大向短波漂移量变大，通过对物镜组的调节可以实现系统体积与测量精度之间的平衡。

由于物镜组是像方远心，且中间像面到各个探测器焦平面距离相等，不同探测器焦平面可以同时探测到图像，并且不同探测器焦平面探测到的视场相同，不会产生不同视场中心波长漂移的情况。

通过在系统中引入具有像方远心的中间像面，克服了干涉滤波片式的多光谱系统不同市场中心波长漂移的问题；同时，在多光谱系统给定视场和焦距的条件下，可以根据需要增大系统的口径。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。