[发明专利]一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪。

背景技术

目前，光谱成像技术是将光学成像技术和光谱分析技术相结合而得到的一种成像技术，利用光谱成像技术可以获得目标的二维空间图像和一维光谱曲线。获取的二维空间图像和一维光谱曲线能综合反映出被测物体的几何影像和理化属性，所以利用光谱成像技术可以对目标的特征进行精确感知和识别，该技术在在航空航天遥感、工农业检测、环境监测和资源探测等领域得到了十分广泛的应用。

根据分光原理的不同，可以将成像光谱仪分为色散型光谱仪、干涉型光谱仪和滤光型光谱仪三个种类。目前，常用的色散型成像光谱仪一般利用棱镜或光栅对光线的横向色散作用，将不同波长的光线沿着焦平面中的一个方向进行分离，色散型成像光谱仪具有结构简单、光谱分辨率较高的优点，但是由于系统中存在狭缝，其能量利用率低、仪器灵敏度低；常用的干涉型成像光谱仪是将目标所发出的光线剪切成两束相干的光线，两束相干光经过不同的物理路径并最终干涉成像在探测器上，两束相干光具有一定的光程差，可以形成干涉图，通过对干涉图进行傅里叶变换的方法可以获取目标的光曲线，干涉型成像光谱仪具有高通量的优点，但是光谱曲线复原精度受到诸多因素的制约；滤光型成像光谱仪是通过滤光片系统，在某一时刻或探测器的某一区域获取目标某一种波长的图像，通过更换滤光片或者是对探测器上不同区域图像的重构来获取目标的光谱数据立方体，色散型成像光谱仪具有结构简单的优点，但能量不足往往会限制其应用的范围。

如图1所示为现有基于微透镜阵列的多光谱成像结构示意图，其中前置光学系统的主面、入瞳与滤光片阵列的位置相互重合。参照图1，成像目标经过前置光学系统后成像在微透镜阵列之上，也即成像目标与微透镜阵列通过前置光学系统满足物像关系，其中目标点所在平面为物面，微透镜阵列面为像面；目标所发出的光线经过滤光片阵列之后被分解成多个子孔径，每一个子孔径对应于滤光片阵列的某一波长，子孔径的数目由滤光片阵列的组成单元数目确定。通过滤光片后的光线在微透镜阵列上汇聚到一点，对于单个微透镜来说，滤光片阵列可看成其物面，探测器平面可看滤光片阵列经过微透镜之后成像的像面，滤光片阵列经过一个微透镜之后在探测器的对应区域上得到与滤光片单元数目相同的、相互分离的多谱段图像。为准确的获取目标的光谱信息，前置光学系统、微透镜阵列以及探测器之间必须严格的满足关系式：并保证每一个子孔径通过微透镜成像后与探测器像元存在一一对应关系，如果l或l'与理论值存在百微米量级的偏差Δl，物像关系及与探测器像元一一对应关系将被破坏，必须通过机械的方式来调整微透镜阵列与探测器或前置光学系统与微透镜阵列之间的距离，Δl的调整精度需要达到十微米左右，这给调焦机构带来了很大的技术难度，即使将Δl调整到系统所要求的范围内，多光谱成像仪由于使用环境的震动或热胀冷缩等因素也可能会改变Δl，进而使得目标的图像不清晰、发生光谱混叠，无法复原出多光谱图像。

由上可见，上述多光谱成像技术中要求该光谱成像系统的机械调焦结构中必须包含运动部件，才能将探测器或微透镜阵列沿着光轴移动，这样必然增加了结构的复杂度，且该运动部件的引入降低了系统的稳定性，使得该光谱成像技术难以运用在手持环境和运动平台中；另外，机械调整方式调整时间长，这也使得系统难以满足实时调焦、实时成像的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪，能够消除基于微透镜阵列的多光谱成像系统中的机械调焦机构，降低系统结构的复杂度，增强系统的稳定性、提高系统的响应速度、提高系统的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于液态变焦技术的多光谱成像仪，所述多光谱成像仪包括滤光片阵列、前置光学系统、液态变焦透镜阵列、探测器和液态变焦透镜控制模块，其中：

所述滤光片阵列放置在所述前置光学系统的主面位置上；

成像目标与所述液态变焦透镜阵列通过所述前置光学系统满足物像关系：其中，l₁为成像目标与前置光学系统主面之间的距离，l′₁为液态变焦透镜阵列与前置光学系统主面之间的距离，f₁是前置光学系统的焦距；

所述前置光学系统的主面与所述探测器通过所述液态变焦透镜阵列满足物像关系：其中，l₂为前置光学系统主面与液态变焦透镜阵列的距离，l′₂为液态变焦透镜阵列与探测器之间的距离，f₂是液态变焦透镜阵列中单个透镜的焦距；