像元级多通道滤光片和像元级可调谐视频高光谱成像仪的制作方法

本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及像元级多通道滤光片和像元级可调谐视频高光谱成像仪。

背景技术：

经典光谱仪是建立在空间色散(分光)原理上的仪器，典型分光手段如光栅、棱镜等。像元级多通道滤光片因其单元通道对应像元的大小而以席卷之势被广泛的用于视频高光谱成像仪中，以像元级分光技术为基础的视频高光谱成像技术的成像效果明显优于其他光谱仪。高光谱像元级多通道滤光片是视频高光谱成像仪的核心元件，它在工作波段内具有数十个光谱通道，且每个光谱通道的尺寸与cmos成像芯片的像元尺寸完全相同。成像时入射光将分成不同谱段的单色光，并投射到cmos像元上完成光谱采样。

但像元级多通道滤光片都是固定的阵列模式，基于固定阵列式的高光谱像元级滤光片，几何分辨率会有严重的下降。像元级多通道滤光片的这一缺点影响了视频高光谱成像仪的成像模式，视频高光谱成像仪只能在面阵视频成像和扫描模式下具有其他成像仪难以企及的效果。由于现今社会下社会需求和研究需求，视频高光谱成像仪的功能仍需继续突破，例如凝视成像分辨率的提高、尝试实现高帧频成像等等。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种像元级多通道滤光片和像元级可调谐视频高光谱成像仪。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种像元级多通道滤光片，包括基板和设置在基板上的阵列层，阵列层由多个单元阵列按照矩阵排列组成，单元阵列由多个子阵列按照矩阵排列组成，子阵列由多个单元通道按照矩阵排列组成，子阵列的任意两个单元通道对应的波带均不相同，单位阵列的任意一行中任意两个单元通道对应的波带均不相同，单位阵列的任意一列中任意两个单元通道对应的波带均不相同。

包括一种像元级多通道滤光片的像元级可调谐视频高光谱成像仪，还包括镜组、快反镜、摆动器、探测器和控制器；摆动器连接快反镜，控制器连接摆动器和探测器，控制器通过控制摆动器来控制快反镜摆动，控制器用于控制探测器的成像时间，多通道滤光片位于镜组的n次像面上，探测器位于镜组的(n+m)次像面上，n为大于等于1的整数，m为大于等于0的整数；

光束经镜组传输和快反镜反射后入射到多通道滤光片上，多通道滤光片将入射到其上的光束分成不同波带的单色光，所有单色光投射到探测器上，探测器获取高光谱图像。

像元级可调谐视频高光谱成像仪的成像方法，具体为：控制器通过控制摆动器来控制快反镜摆动，每当快反镜完成一次摆动时，控制器控制探测器成像，直至控制器通过控制摆动器来控制快反镜停止摆动。

像元级可调谐视频高光谱成像仪在凝视成像上的应用或在数字tdi推扫成像的应用。

本发明的有益效果是：

1、本发明的像元级多通道滤光片通过多个波段的像元级的单元通道能将经过其的光线分成多种谱段，通过每个单元阵列中内部单元通道排列各不相同的子阵列、每个单元阵列的单元通道排序相同，使得应用该像元级多通道滤光片的成像装置的分辨率能达到最高，也为成像装置实现高帧频拍摄提供了新的方式方法。

2、本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪可调谐成像模式、可调谐光谱分辨率、可调谐空间分辨率。其有极高的空间分辨率、有极高的光谱分辨率、有极高的时间分辨率和有极高的信噪比等多个优势。

3、像元级可调谐视频高光谱成像仪在成像工作时能实现工作模式分别是扫描模式、高分辨模式和高帧频模式，从而获得高质量的高光谱视频图像，在扫描成像模式下将tdi成像技术巧妙地与高光谱成像相结合，实现高分辨率高光谱成像的扫描应用，空间分辨率达最高。

附图说明

图1为本发明的一种像元级的多通道滤光片的结构示意图。

图2为本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪的结构图。

图3为本发明的多通道滤光片和探测器的集成示意图。

图4为本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪的扫描成像模式示意图。

图5为本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪的数字tdi高光谱成像模式的积分过程示意图.

图6为本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪的高分辨率凝视成像模式示意图。

图7为本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪的成像光谱图。

图中：1、多通道滤光片，1.1、单元阵列，1.11、子阵列，2.1、第一反射镜，2.2、第二反射镜，3、光阑，4、快反镜，5、摆动器，6、透射镜组，7、调焦机构，8、探测器，9、遮光罩。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种像元级的多通道滤光片1，包括基板和设置在基板上的阵列层。阵列层由多个单元阵列1.1组成，所有单元阵列1.1之间按照矩阵排列。单元阵列1.1由多个子阵列1.11组成，所有子阵列1.11之间按照矩阵排列。子阵列1.11由多个单元通道组成，所有单元通道按照矩阵排列。子阵列1.11的任意两个单元通道对应的波带均不相同。单位阵列的任意一行中任意两个单元通道对应的波带均不相同，单位阵列的任意一列中任意两个单元通道对应的波带均不相同。

也就是像元级的多通道滤光片1整体设计成x×y的阵列区域(x和y均为正整数)，阵列区域包括b个单位阵列(b为正整数，b＝x×y)，上述阵列层由多个单元阵列1.1无缝拼接组成，假设单元阵列1.1的单元通道数为c×c排列，即单元通道数为c×c个，c为≥4的正整数。每个单元阵列1.1由多个子阵列1.11无缝拼接组成，子阵列1.11以d×e的方式排列组成单元阵列1.1，子阵列1.11由e×d个单元通道构成，d×e＝e×d＝c，d、e均为大于等于2的正整数。子阵列1.11的e×d个单元通道分别对应一个波带，且e×d个波带互不相同，当光束入射到子阵列1.11时，得到e×d种不同波带的准单色光。单元阵列1.1每行有d×e个单元通道，每行的所有单元通道之间对应的波带互不相同；单元阵列1.1每列有e×d个单元通道，每列的所有单元通道之间对应的波带互不相同。如图1所示，单位阵列为16×16的单元通道，每个小矩形表示一个单元通道，粗实线框选了三个子阵列1.11，虚线所框选的为一个单元阵列1.1。单元通道该单位阵列类似于复杂的数独，图1中的“band”表示波带，band1～band16表示16个不同的波带，band1～band16分别指代一个波带，互不相同。单位阵列中设计16×16＝256个单元通道，单位阵列为4×4的子阵列1.11构成，子阵列1.11中设计4×4＝16个单元通道，每个子阵列1.11中包括band1～band16这16个不同的波带。单位阵列的每行和每列都包括band1～band16这16个不同的波带，单位阵列每一行中的波带不重复，每一列中的波带不重复，单位阵列的行与行之间的band1～band16的排列序不同，单位阵列的任意两行之间都不相同，单位阵列不具有完全相同的两行，单位阵列的列与列之间的band1～band16的排列序不同，单位阵列的任意两列之间都不相同，单位阵列不具有完全相同的两列。每个子阵列1.11中的通道数量和通道谱段均相同，但是通道谱段排布顺序不同。

单位阵列中各单元通道通过不同的镀膜实现分光，当光线入射到多通道滤光片1时，经过不同单元通道的光出射为不同波长，从而得到不同的窄带准单色光。探测器8采集到阵列内16个谱段的光谱信息，并对每个阵列内16个谱段的光谱数据进行重建和识别。

根据高光谱成像需求设计单位阵列中的单元通道数量m；根据探测器8像元大小设计单元通道尺寸；根据单位阵列中的单元通道数量m和探测器8像元数量n确定多通道滤光片1中单位阵列数量p，p≈n÷m。

以单元通道尺寸11μm×11μm为例，探测器8的像元大小也为11μm×11μm，单元通道尺寸和像元大小相同。当光线穿过像元级单元通道时，经过不同子阵列1.11或单元阵列1.1的光被分为16种不同谱段的窄带准单色光。多通道滤光片1的单元通道与探测器8像元的对准精度小于等于1微米。探测器8采集到阵列内16个谱段的光谱信息，并对每个子阵列1.11或单元阵列1.1内16个谱段的光谱数据进行重建和识别。上述的多通道滤光片1具有16个单元通道和排列顺序仅为本实施方式的一种举例，本发明像元级多通道滤光片1的实现不局限于上述举例的数量和排列顺序。

本发明的像元级多通道滤光片1通过多个波段的像元级的单元通道能将经过其的光线分成多种谱段，通过每个单元阵列1.1中内部单元通道排列各不相同的子阵列1.11、每个单元阵列1.1的单元通道排序相同，使得应用该像元级多通道滤光片1的成像装置的分辨率能达到最高。也为成像装置实现高帧频拍摄提供了新的方式方法。

像元级可调谐视频高光谱成像仪，包括上述的多通道滤光片1，还包括镜组、快反镜4、摆动器5、探测器8和控制器。镜组可以是反射镜组，可以是透射镜组6，还可以是反射镜组和透射镜组6。反射镜组和透射镜组6均不限制镜子块数。本实施方式中选用反射镜组和透射镜组6相结合的方式。作为优选，本实施方式中还设有光阑3和调焦机构7。光阑3用于限束，可位于位于镜组内，可位于反射镜组内、可位于透射镜组6内、也可位于反射镜组和透射镜组6之间。

反射镜组包括第一反射镜2.1和第二反射镜2.2，光阑3设置在第一反射镜2.1的靠近第二反射镜2.2的表面上。透射镜组6包括多块透镜。调焦机构7用于透射镜组6的调焦。快反镜4可设置在透射镜组6内，即设置在多块透镜之间，例如透射镜组6包括八块透镜，快反镜4可位于第四块透镜和第五块透镜之间。快反镜4还可设置在透镜组和多通道滤光片1之间，快反镜4还可设置在反射镜组和透射镜组6之间，如图2所示，图2为像元级可调谐视频高光谱成像仪的透视图。

摆动器5连接快反镜4，摆动器5用于带动快反镜4摆动。控制器连接摆动器5和探测器8，用于控制摆动器5工作，通过摆动器5控制快反镜4摆动；用于控制探测器8的成像时间。

调焦机构7用于透射镜组6的调焦，调焦机构7连接透射镜组6，通过调焦机构7对透射镜组6的调焦，使得透射镜组6将光束汇聚到多通道滤光片1上。透射镜组6实现对目标成像的功能，多通道滤光片1置于透射镜组6的n次像面上，将入射到其上的光束分成不同谱段的单色光，不同谱段的单色光入射到所述探测器8上，探测器8获取高光谱图像，探测器8位于透射镜组6的(n+m)次像面上，n为大于等于1的整数，m为大于等于0的整数。

拍摄目标的入射光束入射到反射镜组，经反射镜组反射和光阑3限束后，经快反镜4反射和透镜组汇聚，入射到多通道滤光片1上，多通道滤光片1将入射到其上的光束分成不同谱段的单色光，所有单色光投射到探测器8上，探测器8获取高光谱图像。

入射光束入射到第一反射镜2.1，经第一反射镜2.1反射到第二反射镜2.2，经第二反射镜2.2反射后经光阑3限束后入射到透镜组上或快反镜4上，或是在第一反射镜2.1和第二反射镜2.2间多次反射后经光阑3后入射到透镜组上或快反镜4上，入射到快反镜4上，快反镜4反射光束，光束入射到透镜组中，光束经透镜组汇聚入射到多通道滤光片1上。

m>0时，视频高光谱成像仪还包括中继镜组，中继镜组位于多通道滤光片1和探测器8之间，经由多通道滤光片1所分成不同谱段的单色光，经由中继镜组作用即折射后入射到探测器8上。中继镜组将n次像面聚焦于(n+m)次像面上。m等于0时，多通道滤光片1和探测器8位于同一次像面上，多通道滤光片1和探测器8之间不设置中继镜组，多通道滤光片1贴在相机一的镜头上。

n>1时，则在透射镜组6和多通道滤光片1之间设置调整镜组，即镜组包括调整镜组。入射光束经透射镜组6汇聚并传输至调整镜组，调整镜组将入射到其上的光束汇聚到n次像面，即汇聚到n次像面上的多通道滤光片1上，经多通道滤光片1分成不同谱段的单色光。若此时m不等于0，则所有单色光传输至中继镜组，经中继镜组作用(光束发生偏折)后，投射到位于(n+m)次像面的探测器8上获取高光谱图像。若n＝1，透射镜组6和多通道滤光片1之间不设置调整镜组。

上述中继镜组可以使用透射式中继镜组也可以使用反射式中继镜组。

本实施方式中，n＝1，m＝0，多通道滤光片1和探测器8都在一次像面上，将多通道滤光片1直接集成在探测器8靶面，探测器8采用cmos相机，多通道滤光片1集成在cmos表面，如图3。多通道滤光片1集成在cmos表面可最小化视频高光谱成像仪尺寸，避免了复杂而庞大的传统分光系统，极大地降低了系统的复杂度。

快反镜4摆动一次，入射到多通道滤光片1上的光束沿阵列层的行或列移动一个单元通道，入射到多通道滤光片1的阵列层上的光束相比于快反镜4摆动前移动了一行或一列单元通道，如果快反镜4摆动一次对应光束沿阵列层的行移动一个单元通道，则入射到阵列层的光束横向移动一个单元通道，即入射到阵列层的光束横向移动一列单元通道，如图6，图6的每个小矩形块代表一个单元通道；如果快反镜4摆动一次对应光束沿阵列层的列移动一个单元通道，则入射阵列层的光束纵向移动一个单元通道，即入射到阵列层的光束纵向移动一行单元通道。多通道滤光片1为像元级，每个单元通道对应探测器的一个像元，因此快反镜4的摆动称作是快反镜4的像元级移动。

视频高光谱成像仪能实现的成像模式有三种：扫描成像模式、高分辨率凝视成像模式和高帧频成像模式。

扫描成像模式能将tdi成像技术巧妙地与高光谱成像相结合，实现高分辨率高光谱成像的推扫应用，空间分辨率达最高，并大幅提高其成像灵敏度，有效解决应用场景受限问题。充分利用面阵cmos图像传感器开窗灵活、高帧频等优势，采用单个行周期曝光采集、多个行周期间隔光谱图像对应叠加的异步工作模式，如图4中所示相同谱段像元延扫描方向进行异步积分，箭头方向为扫描方向，粗实线所框选的两个相同波带band1像元延扫描方向进行异步积分。如图5所示，为视频高光谱成像仪实现数字tdi高光谱成像模式的积分过程，数字tdi推扫成像采用单个行周期曝光采集、多个行周期间隔光谱图像对应叠加的方式实现。t0～t32表示数字tdi行周期的始末时刻，推扫方向向下，采用隔行积分的方式，单行像元间隔连续曝光成像，t0～t16为一个积分周期，t16～t32为下一个积分周期，两个积分周期进行累加，即为间隔15行像元进行图像累加，虚线所框选的区域1-1累加虚线所框选的区域1-2，虚线所框选的区域2-1累加虚线所框选的区域2-2。

高分辨率凝视成像模式中，例如在1.7s时间内，通过控制器控制快反镜4的像元级移动依次对指定区域进行16个谱段的成像。高分辨率凝视成像模式原理如图6所示，快反镜4移动一个像元，探测器8进行一次成像，图中依次为第一次成像、第二次成像和第三次成像，以此类推，实现第n次成像，n为正整数。控制器通过控制摆动器5来控制快反镜4摆动，每当快反镜4完成一次摆动时，控制器控制探测器8成像，直至控制器通过控制摆动器5来控制快反镜4停止摆动，快反镜4每次摆动均为像元级摆动，通过这样的成像过程探测器获得的高光谱图像为高分辨率高光谱图像，也就是分辨率为像元级的分辨率，分辨率达到最高。通过快反镜4摆动实现依次串动一个像元，实现分辨率不变的凝视成像。本发明的视频高光谱成像仪通过采用了上述特殊阵列排布的高光谱像元级多通道滤光片1和可摆动的快反镜4的成像方式，利用快反镜4的微位移，遍历16个谱段，从而获得16幅高质量的光谱图像。操作人员根据16幅光谱图像，在每个像元得到1条16个点的光谱曲线，并根据目标反演算法对目标的材质、结构、功能进行识别。

在高帧频成像模式中，快反镜4不摆动，保持锁定状态。成像如图1所示，图中左上角部分为16个像元组成一个逻辑成像像元即子阵列1.11，每个逻辑成像像元拥有16个谱段，在成像过程中根据这16个像元成像的dn值就可以绘制出一条16个点的光谱曲线，通过对光谱曲线的反演和分析即可得到目标的材质，同时也能够得到目标的几何特征。高帧频成像模式中成像一次便相当于其他相机成像16次，实现高帧频成像。在该成像模式中控制器控制探测器8的成像时间，即控制探测器8的帧频。由于像元级滤光片的使用，高帧频成像模式的帧频和探测器8的帧频一致。

快摆镜不摆动时，控制器控制探测器8拍摄可实现高帧频成像模式和扫描成像模式。通过控制器控制摆动器5驱动快反镜4摆动时，可实现高分辨率凝视成像模式。在扫描成像模式下快反镜4处于锁定状态，摆动器5不参与工作。在高分辨成像模式下摆动器5参与工作。在高帧频模式下，快反镜4处于锁定状态，摆动器5不参与工作，成像时间最优。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪具有调谐光谱分辨率功能。控制器根据地面工作人员发出的光谱分辨率的调谐指令和光谱分辨率的参数设置指令，实现临近谱段图像的叠加，叠加谱段数量与光谱分辨率由工作参数决定。即通过谱段之间的重构加减调谐光谱分辨率，如图7所示，将矩形所框选的两条曲线向加，则光谱分辨率变宽。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪在光学设计方面，相机采用紧凑的同轴折反射式光学结构实现长焦距、大视场成像。同时，利用快反镜4和摆动器5实现像移补偿，保证视频高光谱成像仪各谱段均具有良好的成像质量。系统光学传递函数高，稳定性公差宽松，光学元件制造难度低。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪提出了新型光谱探测机理，以视频高光谱成像技术为基础，在整体构型上采用传统的同轴折反射式光学系统与摆动式快反镜4相结合的设计方案使视频高光谱成像仪具备了低成本、高可靠、轻量化、可调谐光谱分辨率、甚高空间分辨率、甚高光谱分辨率、甚高时间分辨率和甚高信噪比等多个优势。视频高光谱成像仪在成像工作时共有3种工作模式分别是扫描模式、高分辨模式和高帧频模式，从而获得高质量的高光谱视频图像，在扫描成像模式下将tdi成像技术巧妙地与高光谱成像相结合，实现高分辨率高光谱成像的扫描应用，空间分辨率达最高。在高分辨模式下，快反镜4参与成像，空间分辨率达最高。在高帧频模式下，快反镜4处于锁定状态，空间分辨率可调，成像效率甚高，实现高帧频成像。本发明的视频高光谱成像仪可调谐成像模式、可调谐光谱分辨率、可调谐空间分辨率。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪选用基于压电陶瓷的摆动器5来驱动快反镜4像元级微位移以实现各谱段高精度成像。本发明视频高光谱成像仪外部结构设计上，可采用了高比刚度、高稳定性的桁架式结构，实现光学组件、焦平面的可靠支撑。选用高轻量化碳化硅反射镜组支撑结构支撑反射镜组。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪还包括遮光罩9，镜组(反射镜组和透射镜组6)、光阑3、快反镜4、多通道滤光片1、探测器8均安装在遮光罩9内。摆动器5安装在遮光罩9上或内，调焦机构7安装在遮光罩9上或内。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪还包括热控仪，热控仪连接控制器，热控仪控制视频高光谱成像仪内的温度。

本发明的像元级可调谐视频高光谱成像仪还包括定标机构，控制器连接定标机构，控制器用于控制定标机构的光束定标。

上述控制器还可控制调焦机构7的调焦。控制器通过外连接星务系统，操作人员通过星务系统发出的指令实现视频高光谱成像仪的成像。

上述控制器可以为一个，也可以不止一个，例如可包括第一控制器和第二控制器，第一控制器连接摆动器5并控制摆动器5，第二控制器连接探测器8控制探测器8。