一种滤光片阵列式的多光谱成像系统
阅读说明：本技术 一种滤光片阵列式的多光谱成像系统 (Multispectral imaging system of light filter array ) 是由 罗晓霞 孙金霞 王健 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种滤光片阵列式的多光谱成像系统,该系统包括成像镜头、滤光片阵列和相机；所述的滤光片阵列位于成像镜头与相机之间并与相机靶面紧贴；所述的成像镜头包括沿光线入射方向依次设置的具有负屈光度的第一、第二透镜,具有正屈光度的第三、第四透镜,具有负屈光度的第五透镜,具有正屈光度的第六透镜,具有负屈光度的第七透镜和具有正屈光度的第八、第九透镜；各透镜表面均为球面。本发明消除了大视场应用下,边缘光线大入射角对滤光片的影响,且使光谱混叠区域最小化,具有大视场、结构简单、覆盖波段范围宽,像质好等特点。(The invention relates to a multispectral imaging system of optical filter array type, the system includes imaging lens, optical filter array and camera; the optical filter array is positioned between the imaging lens and the camera and is tightly attached to the target surface of the camera; the imaging lens comprises a first lens, a second lens, a third lens, a fourth lens, a fifth lens, a sixth lens, a seventh lens, an eighth lens and a ninth lens, wherein the first lens and the second lens are sequentially arranged along the light incidence direction and have negative diopter; the lens surfaces are spherical. The invention eliminates the influence of the edge light large incidence angle on the optical filter under the application of a large field of view, minimizes the spectrum aliasing area, and has the characteristics of large field of view, simple structure, wide coverage wave band range, good image quality and the like.)
技术领域
本发明属于遥感成像技术领域，特别涉及一种滤光片阵列式的多光谱成像系统，可用于进行机载、车载或便捷方式对目标进行多光谱成像和信息的采集。
背景技术
光谱成像技术将空间信息和光谱信息结合起来，大大增加了遥感数据的信息量。多光谱相对于高光谱谱段较少，在后期的数据处理上实时性更高，且通过选择目标特性较为突出的谱段，目标性更强，适用于地物分类、灾害评估和揭露伪装等。系统的分光技术直接影响着整个系统的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。滤光片阵列分光将探测器靶面划分为多个区域，每个区域对应不同谱段的信息，结构简单，体积小巧。
多光谱成像系统包括成像镜头、滤光片阵列和相机三部分，滤光片阵列放置在镜头与相机之间。滤光片对光线的入射角度比较敏感，随着入射角的加大，中心波长会向短波方向偏移，考虑到滤光片的入射角度效应，成像镜头应为像方远心镜头。在伪装识别领域，紫外波段对雪地、炸药等具有较为明显的目标特性，而现有的成像镜头中，大多以可见光波段为主，鲜有包含紫外波段的宽光谱遥感镜头。在CN202010421832.6“一种超宽光谱波段成像镜头”中虽然波段范围较宽，但视场角小，且镜头非远心结构，较大入射角经过滤光片时会产生较大的谱段漂移，在实际使用时存在一定的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种滤光片阵列式的多光谱成像系统，该系统解决了大视场下边缘光线入射角度大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的滤光片阵列式的多光谱成像系统包括成像镜头、滤光片阵列和相机；所述的滤光片阵列位于成像镜头与相机之间并与相机靶面紧贴；所述的成像镜头包括沿光线入射方向依次设置的具有负屈光度的第一、第二透镜，具有正屈光度的第三、第四透镜，具有负屈光度的第五透镜，具有正屈光度的第六透镜，具有负屈光度的第七透镜和具有正屈光度的第八、第九透镜；各透镜表面均为球面。
第一透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为弯月镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面，第四透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面，第六透镜为双凸透镜，第七透镜为双凹透镜，第八透镜为双凸透镜，第九透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面。
第一透镜的焦距为-311mm～-189mm，所述第二透镜的焦距为-30mm～-24mm，所述第三透镜的焦距为156mm～310mm，所述第四透镜的焦距为72mm～90mm，所述第五透镜的焦距为-42mm～-33mm，所述第六透镜的焦距为11mm～15mm，所述第七透镜的焦距为-12mm～-9mm，所述第八透镜的焦距为18mm～21mm，所述第九透镜的焦距为47mm～65mm。
第一透镜的厚度为8.1mm～8.4mm，所述第二透镜的厚度为1.7mm～2.0mm，所述第三透镜的厚度为6.1mm～6.3mm，所述第四透镜的厚度为3mm～6.1mm，所述第五透镜的厚度为1.7mm～2.0mm，所述第六透镜的厚度为4.9mm～8.2mm，所述第七透镜的厚度为1.4mm～2.8mm，所述第八透镜的厚度为3.8mm～5.0mm，所述第九透镜的厚度为6.1mm～6.4mm。
所述第一透镜和第二透镜的空气间隔为7-12mm，所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为5-6mm，所述第三透镜和第四透镜之间的空气间隔为0.2-1.5mm，所述第四透镜和第五透镜之间的空气间隔为26-37mm，所述第五透镜和第六透镜之间的空气间隔为1.9-2.4mm，所述第六透镜和第七透镜之间的空气间隔为0.6-0.8mm，所述第七透镜和第八透镜之间的空气间隔为0.3-1.0mm，所述第八透镜和第九透镜之间的空气间隔为26-30mm，所述第九透镜和像面之间的空气间隔为8.9-12mm；
所述的光阑设置在第四透镜与第五透镜之间或者第五透镜与第六透镜之间。
所述滤光片阵列包含4-8个光谱波段。
所述成像镜头各透镜采用紫外透过率高的熔融石英或氟化钙。
所述滤光片阵列采用不同基片拼接或者在同一基片上划分不同区域单独镀膜制成。
所述滤光片阵列各光谱波段的透过率均大于90％。
本发明成像镜头为像方远心结构，规避了边缘较大入射角度对滤光片的影响，同时减小了相邻波段的光谱混叠区域，成像波段可覆盖不同光谱波段范围，实现多光谱图像信息的最大化利用。
本发明的有益效果
本发明的有益效果是提供了一种滤光片阵列式多光谱成像系统，镜头为像方远心结构，消除了大视场应用下，边缘光线大入射角对滤光片的影响，且使光谱混叠区域最小化，该多光谱成像系统可覆盖紫外波段，波段范围为300-680nm，镜头焦距为20mm，对角线视场角为40°。具有大视场、结构简单、覆盖波段范围宽，像质好等特点。
附图说明
图1为本发明的滤光片阵列式的多光谱成像系统原理示意图；
图2为成像镜头的结构示意图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为实施例1成像镜头在紫外波段(300-380nm)、B波段(420-500nm)、G波段(520-600nm)、R波段(630-680nm)的MTF传递函数曲线。
图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为对比例成像镜头在紫外波段(300-380nm)、B波段(420-500nm)、G波段(520-600nm)R波段(630-680nm)的MTF传递函数曲线。
图中：1、成像镜头；11、第一透镜；12、第二透镜；13、第三透镜；14、第四透镜；15、第五透镜；16、第六透镜；17、第七透镜；18、第八透镜；19、第九透镜；2、滤光片阵列；3、相机；4、像面；5光阑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本发明的滤光片阵列式多光谱成像系统，主要由成像镜头1，滤光片阵列2和相机3组成。滤光片阵列2设置在成像镜头与相机之间并与相机靶面紧贴；滤光片阵列2包含多个光谱波段的滤光片条带，成像镜头获取的目标图像经过多个光谱波段的滤光片条带，被赋予不同的光谱信息，最终成像在相机上。滤光片阵列多个光谱波段的滤光片条带的排布方向与无人机飞行方向垂直，通过飞行平台的前向运动可获得完整的多光谱数据。滤光片阵列2在一次曝光时可获得目标图像多个光谱波段的信息。
所述滤光片阵列2包含紫外、R、G、B共4个光谱波段滤光片条带，滤光片条带宽度相等，等间隔分布。滤光片阵列2可通过将多个独立的滤光片条带拼接在一起制成，或者直接在基底材料(比如石英基底)上划分多个区域单独镀膜制成。
所述成像镜头设计为像方远心镜头，能够消除边缘光线大入射角度对窄带滤光片的影响，同时使相邻光谱波段的混叠区域最小化。优选的，所述成像镜头根据所述滤光片阵列2的具体波段信息，设置为多重结构进行设计。
如图2所示，所述成像镜头由9片透镜组成，包括沿光线入射方向依次设置的具有负屈光度的第一、第二透镜，具有正屈光度的第三、第四透镜，具有负屈光度的第五透镜，具有正屈光度的第六透镜，具有负屈光度的第七透镜和具有正屈光度的第八、第九透镜。光阑设置在第四透镜与第五透镜之间。其中，第一透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为弯月镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面，第四透镜为双凸透镜，第五透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面，第六透镜为双凸透镜，第七透镜为双凹透镜，第八透镜为双凸透镜，第九透镜为弯月镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面。
本实施例中，在光学设计软件Zemax中利用多重结构构建不同光谱波段系统。
实施例1-4各透镜的基本参数及材料分别见表1-4，其中f为透镜的焦距，t为透镜厚度，d为透镜后表面与下一透镜前表面的距离。
表1
透镜序号
f(mm)
t/d(mm)
材料
1
-189.07
8.243/9.697
熔融石英
2
-29.98
1.925/5.241
氟化钙
3
167.59
6.113/0.262
熔融石英
4
89.06
6.012/36.985
熔融石英
5
-41
1.968/2.201
熔融石英
6
14.75
8.19/0.798
氟化钙
7
-11.35
2.756/0.314
熔融石英
8
19.39
4.923/29.098
氟化钙
9
64.31
6.335/8.956
氟化钙
本实施例1中成像镜头的有效焦距为20mm，全视场角为40°，波段范围为300-680nm，相机靶面为1英寸，可实现紫外/R/G/B共4个波段的多光谱图像。
图3(a)-(d)分别为实施例1成像镜头在紫外/R/G/B，4个不同波段下，在0°、5°、11°、17°、20°半视场角下的调制传递函数曲线MTF。图中，B波段(420-500nm)和R波段(630-680nm)的MTF相对其他波段稍差，在110lp/mm下调制传递函数值MTF约为0.3，其他各波段各视场在110lp/mm下调制传递函数值MTF均大于0.4，曲线平滑，紧凑，色差校正较好，在全波段全视场均具有很好的成像质量。
表2
透镜序号
f(mm)
t/d(mm)
材料
1
-265.33
8.239/11.892
熔融石英
2
-28.3
1.887/5.683
氟化钙
3
251.87
6.161/0.25
氟化钙
4
81.10
4.16/36.267
熔融石英
5
-41.17
1.918/2.302
熔融石英
6
14.20
7.976/0.658
氟化钙
7
-11.29
2.187/0.472
熔融石英
8
20.28
4.575/28.98
氟化钙
9
60.37
6.239/10.196
氟化钙
表3
透镜序号
f(mm)
t/d(mm)
材料
1
-236.89
8.312/7.931
熔融石英
2
-26.97
1.832/5.349
氟化钙
3
309.61
6.171/1.429
氟化钙
4
76.08
4.223/30.649
熔融石英
5
-39.54
1.93/1.916
熔融石英
6
13.66
8.031/0.64
氟化钙
7
-10.87
1.769/0.469
熔融石英
8
19.71
4.397/28.087
氟化钙
9
55.67
6.183/10.712
氟化钙
表4
上述实施例2-4成像效果与实施例1类似，均具有较好的成像质量。
发明人曾尝试将光阑放置在第5和第6透镜之间，通过软件优化，同样可获得较好的成像质量。与实施例1有相似结果，B波段(630-680nm)和R波段(630-680nm)的MTF在110lp/mm下调制传递函数值MTF在0.3以上，其他各波段各视场在110lp/mm下调制传递函数值MTF均大于0.4。
发明人曾尝试将镜片数量减少为8片，不同波段在大视场角的调制传递函数MTF在高频部分很难提高，图4(a)-(d)所示为成像镜头在紫外、R、G、B，4个不同波段下的调制传递函数MTF曲线，可见像质较差。
发明人在初始结构的优化中，曾将第五透镜设计为双凹结构，系统在经过长时间优化后，即使在低频部分，仍无法获取较好的成像质量，以最终结果不理想而告终。发明人曾尝试将第九透镜设计为双凸透镜，系统在全局优化算法下，将第四透镜优化为弯月镜，但在R波段(630-680nm)的高频部分效果较差，各视场的调制传递函数MTF在110lp/mm，仅为0.1。本发明不限于上述实施例，根据镜头设计参数需要，还可以更改光阑位置，镜片材料等，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
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