[发明专利]具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统

说明书

本发明提供了一种具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统，解决现有多光谱成像系统一次编码信息不足，多次编码系统复杂且成本较高等问题。该光学系统包括前置物镜组、分光棱镜、编码板、分光成像单元、第一短波红外探测器以及第二短波红外探测器；分光棱镜位于前置物镜组的出射光路上，将光线分为两路；一路光线汇聚成像于第一短波红外探测器上；另一路光线汇聚成像于编码板上，经编码板编码后的图像通过分光成像单元汇聚成像于第二短波红外探测器上；前置物镜组采用像方远心光路结构；分光成像单元采用物像双侧远心光路结构，其包括沿编码板出射光路间隔设置的凸面向像方的负弯月透镜及Offner分光组件。

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统。

背景技术

传统的多光谱成像技术可以通过时间扫描或空间扫描获得图谱合一的三维数据立方体。时间扫描式光谱成像仪通常是在不同时间段通过设置不同的带通滤波器来获得整个待测谱带中不同谱段信息；而空间扫描式光谱成像仪通常是需要移动或者本身具有运动部件且容易引入运动及对准误差；因此，传统的多光谱成像技术无法达到实时多光谱成像功能，即无法在一个快门的积分时间内直接或经过计算得到空间与光谱的三维数据集。

近年来，结合压缩编码的多光谱成像技术成为研究的热点，它冲破时间扫描和空间扫描的固有框架，利用其多通道编码优势，大大提高系统的信噪比指标。在满足压缩感知理论的前提下，经过压缩编码后的图像信息，再经过重构算法就得到三维光谱信息。但经过一次编码的图像往往由于信息不足，导致最终重构的图像峰值信噪比太低，而采用多次编码的方法虽然可以提高图像信噪比，但多次编码需要在光路中加入数字微镜阵列等器件，该器件不仅昂贵且大大增加系统复杂性，此外，多次编码还会失去原有系统最为重要的实时性优势。

显然，研制具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统是光谱成像技术发展及应用的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的在于解决现有多光谱成像系统一次编码信息不足，多次编码系统复杂且成本较高等问题，而提供了一种具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种具有实时多光谱成像功能的紧凑型长焦短波光学系统，其特殊之处在于，包括前置物镜组、分光棱镜、二维编码板、分光成像单元、第一短波红外探测器以及第二短波红外探测器；

所述分光棱镜位于前置物镜组的出射光路上，将光线分为两路；

一路光线汇聚成像于第一短波红外探测器上；

另一路光线汇聚成像于二维编码板上(即二维编码板位于一次像面上)，经所述二维编码板编码后的图像通过分光成像单元后，汇聚成像于第二短波红外探测器上；

上述前置物镜组和分光棱镜构成该光学系统的全色成像臂(即实现对目标的全色谱段高分辨成像)，第一短波红外探测器得到由全色成像臂输出的全色图像；上述前置物镜组、分光棱镜、二维编码板、分光成像单元构成光谱成像臂(即实现对目标的多光谱段高分辨成像)，第二短波红外探测器得到由光谱成像臂输出的多光谱图像；全色图像与多光谱图像进行图像融合便可得到具有高分辨率的多光谱图像。其中，前置物镜组和分光棱镜为整个光学系统的共光路部分；

所述前置物镜组采用像方远心光路系统；一方面能够保证出射光瞳与二次像面系统的入射光瞳完美衔接；另一方面，系统像方主光线平行于光轴，在一定程度上增大二次像面系统中的入射光束与反射光束的夹角，从而实现两光束的完全分离，解决了入射光束和反射光束的分离问题；

所述分光成像单元采用物像双侧远心光路结构，其包括沿二维编码板出射光路间隔设置的凸面向像方的负弯月透镜及Offner分光组件，由于增加弯月形透镜，可以在较宽的区域保证入射光束的远心性，从而降低系统的球差和匹兹伐场曲，获取理想的成像质量。