本發(fā)明涉及一種基于同心球聚焦元件的新型多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)，屬于多光譜成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光譜成像技術(shù)的逐漸發(fā)展，多光譜成像設(shè)備在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。因此，如何快速、準(zhǔn)確的得到多個(gè)不同波段的光譜圖像，對于光譜成像技術(shù)的研究具有非常重要的意義。中國專利申請?zhí)枮椤?01010190068.2”，專利名稱為“多光譜面陣ccd成像儀的光學(xué)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)由兩套子系統(tǒng)組成，第一套子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紫外、藍(lán)、綠、紅和近紅外波段的光譜信息，系統(tǒng)由兩個(gè)透鏡組和相應(yīng)的探測器獲得不同波段的信息并進(jìn)行成像；第二套子系統(tǒng)采用兩片鍺透鏡和長波紅外探測器對獲得的信息成像，實(shí)現(xiàn)長波紅外波段的光譜信息；該發(fā)明采用兩套光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在六個(gè)波段同時(shí)成像。然而，該發(fā)明僅實(shí)現(xiàn)在六個(gè)波段同時(shí)成像，光譜成像范圍有限，同時(shí)利用多個(gè)分束鏡分光將會降低光學(xué)能量利用率。
中國專利申請?zhí)枮椤?01510670422.4”，名稱為“一種共光路小型化多光譜成像系統(tǒng)”，公開了一種由成像物鏡、棱鏡分光系統(tǒng)、多光譜濾光片的組合系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)以及信號處理系統(tǒng)組成的實(shí)現(xiàn)四路光譜信號的同時(shí)獲取和記錄的共光路多光譜成像系統(tǒng)，其中棱鏡分光系統(tǒng)包括三個(gè)分光棱鏡；探測器系統(tǒng)包括四個(gè)探測器；多光譜濾光片組合系統(tǒng)包括四組濾光片組。但是這種方法的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：由12個(gè)不同中心波長的濾光片獲得不同波段的光譜信息，系統(tǒng)光譜成像范圍有限；每當(dāng)濾光器件獲得一幀準(zhǔn)單色圖，光譜成像系統(tǒng)利用推掃，及改變通光參數(shù)得到特定目標(biāo)或場景的光譜和空間信息犧牲了時(shí)間分辨率，實(shí)時(shí)性較差；同時(shí)鍍膜工藝對多光譜成像效果影響很大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有多光譜成像裝置中所存在的問題，提供一種基于同心球聚焦元件的新型實(shí)時(shí)多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代多光譜成像對實(shí)時(shí)、快速、精確成像的使用需求。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
基于同心球聚焦元件的新型實(shí)時(shí)多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)，其包括：前置物鏡組、準(zhǔn)直分光鏡組和多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)，前置物鏡組發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直分光鏡組出射為平行光，平行光通過多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多光譜成像。
前置物鏡組由前置物鏡和狹縫組成；
準(zhǔn)直分光系統(tǒng)由準(zhǔn)直透鏡和分光光柵組成；
多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)由同心球聚焦元件、中繼成像鏡組和cmos探測器組成，中繼成像鏡組的入瞳與同心球聚焦元件的中心位置重合；
入射光線經(jīng)過前置物鏡將光線會聚成像到狹縫，再入射到準(zhǔn)直透鏡上，光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直入射到分光光柵，分光光柵將光分成不同譜段的光，不同譜段的光通過同心球聚焦元件，將光譜采樣轉(zhuǎn)換成不同入射角的空間采樣，然后光經(jīng)中繼成像鏡組聚焦成像在cmos探測器上，獲得光譜信息。
中繼成像鏡組在同心球聚焦元件上投影形成虛擬光闌。
所述的同心球聚焦元件是由多層折射率不同的透明光學(xué)材料制成的同心球，具有球?qū)ΨQ性。
對于紅外波段光譜成像，所述同心球聚焦元件可由紅外光學(xué)材料鍺或硒化鋅制成；對于可見光波段光譜成像，所述同心球聚焦元件可由普通的透明光學(xué)材料制成；對于紫外波段光譜成像，所述同心球聚焦元件可由紫外光學(xué)材料氟化鎂或氟化鈣制成。
所述的中繼成像鏡組和cmos探測器的位置與同心球聚焦元件出射光的空間角度相對應(yīng)，達(dá)到并行處理的目的。
本發(fā)明的有益效果：
1、該裝置是多光軸系統(tǒng)，提高光譜分辨率。
2、無需解算獲得多光譜圖像信息，實(shí)時(shí)性較高。
3、無需利用多的分束鏡進(jìn)行分光，提高光學(xué)能量的利用率。
4、可同時(shí)得到同一視場下連續(xù)性較高的多個(gè)波段的光譜圖像，時(shí)效性較高。
5、可探測的成像光譜波段數(shù)量可調(diào)，系統(tǒng)光譜成像范圍相對現(xiàn)有技術(shù)有很大的提高，理論上只要技術(shù)允許可以得到想要的所有波段的光譜信息。
6、該系統(tǒng)的中繼系統(tǒng)為同心球聚焦元件提供虛擬光闌，提高了同心球聚焦元件的光闌自由度，使不同角度的入射光具有相同的近軸特性，具有共光路多光軸特性，實(shí)現(xiàn)多光譜的凝視成像。
附圖說明
圖1為基于同心球聚焦元件的新型實(shí)時(shí)多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1、前置物鏡；2、狹縫；3、準(zhǔn)直透鏡；4、分光光柵；5、同心球聚焦元件；6、中繼成像鏡組；7、coms探測器；8、虛擬光闌。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，基于同心球聚焦元件的新型實(shí)時(shí)多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括：前置物鏡組、準(zhǔn)直分光鏡組和多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。前置物鏡組發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直分光鏡組出射為平行光，平行光通過多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多光譜成像。
前置物鏡組由前置物鏡1和狹縫2組成；
準(zhǔn)直分光系統(tǒng)由準(zhǔn)直透鏡3和分光光柵4組成；
多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)由同心球聚焦元件5、中繼成像鏡組6和cmos探測器7組成。中繼成像鏡組6的入瞳與同心球聚焦元件5的中心位置重合，即虛擬光闌8位于同心球聚焦元件5的中心位置。
入射光線經(jīng)過前置物鏡1將光線會聚成像到狹縫2，再入射到準(zhǔn)直透鏡3上，光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直入射到分光光柵4，分光光柵4將光分成不同譜段的光，不同譜段的光通過同心球聚焦元件5，將光譜采樣轉(zhuǎn)換成不同入射角的空間采樣，然后光經(jīng)中繼成像鏡組6聚焦成像在cmos探測器7上，獲得光譜信息。中繼成像鏡組6在同心球聚焦元件5上投影形成虛擬光闌8。
所述的同心球聚焦元件5是由多層折射率不同的透明光學(xué)材料制成的同心球，具有球?qū)ΨQ性。對于紅外波段光譜成像，同心球聚焦元件5可由紅外光學(xué)材料如鍺、硒化鋅等制成；對于可見光波段光譜成像，可由普通的透明光學(xué)材料制成；對于紫外波段光譜成像，可由紫外光學(xué)材料如氟化鎂、氟化鈣等制成。
同心球聚焦元件5將光譜采樣轉(zhuǎn)換成不同入射角的空間采樣，后經(jīng)中繼成像鏡組6成像在cmos探測器7上，利用多通道頻-空轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)可將光譜采樣轉(zhuǎn)換為出射空間角度采樣，此時(shí)系統(tǒng)光譜分辨率由cmos探測器7的相對夾角決定。
所述中繼成像鏡組6其數(shù)量可調(diào)，數(shù)量的多少決定成像光譜的范圍，也影響光譜分辨率。
所述的中繼成像鏡組6和cmos探測器7的位置與同心球聚焦元件5出射光的空間角度相對應(yīng)，達(dá)到并行處理的目的。
所述的虛擬光闌8是由中繼成像鏡組6在同心球聚焦元件5中投影形成的，它提高了同心球聚焦元件5的光闌自由度，使不同角度的入射光具有相同的近軸特性，具有共光路多光軸特性，實(shí)現(xiàn)多光譜的實(shí)時(shí)凝視成像，同時(shí)和實(shí)際光闌一樣具有限制光束口徑等作用。