CN103528680B

CN103528680B - 一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***

Info

Publication number: CN103528680B
Application number: CN201310468385.XA
Authority: CN
Inventors: 闫阿奇; 张建; 周祚峰; 武登山; 冷寒冰; 曹剑中; 张凯胜
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103528680A

Abstract

本发明提供一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，包括层叠设置的三层棱镜组，第一层的主体为第一平行四边形棱镜，第二层的主体为第二平行四边形棱镜，第三层的主体为矩形棱镜；其中，第一平行四边形棱镜的斜面角度为45度，左侧斜面镀制反射膜，右侧斜面镀制二色性分光膜；第二平行四边形棱镜的斜面角度为θ，右侧斜面镀制二色性分光膜；本发明解决了相距很近且共焦面的线阵探测器RGB多光谱分光难题。

Description

一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***

技术领域

本发明属于航空/航天遥感与测量技术领域，涉及一种R（红）、G（绿）、B（蓝）多光谱分光***。

背景技术

在遥感领域，鉴于不同的地物有不同的反射特征光谱，依据遥感相机得到的地物在不同波长处的反射率特征光谱曲线，就可将不同的地物区分开来。R（红）、G（绿）、B（蓝）作为常用的多光谱通道，它们在地物探测方面具有不同的作用，B（蓝）通道主要用来探测浅水地形，区分土壤和植被；G（绿）通道用于区分植被类型和监测作物长势；R（红）用于植物分类。

目前，R、G、B等多光谱实现分光的方法主要有：

1)多镜头分光，利用多个相同或者非常接近的镜头对同一景物成像，滤色片限定各镜头代表的谱段，一个镜头对应一个多光谱谱段。多镜头分光和配准时要求各镜头光轴平行到角秒精度，且装配后精度可以保持。因此，只适用于地面分辨率低、焦距短的小型多光谱CCD相机。

2)多线阵CCD多光谱成像，就是一个器件上有3条或数条平行排列的CCD线阵，它们相距较远，在该器件保护玻璃上分别镀上对应的滤光膜而得到多个谱段。优点：结构简单，适合于多光谱探测器之间相距较远，否则，多光谱干涉滤光膜镀制宽度极窄，镀膜工艺无法实现。缺点：地面目标的多光谱图像不是同时获得的，对同一目标配准时，因不同多光谱CCD照相时间有差别，平台姿态变化会造成配准误差。

3)单镜头分光，就是在镜头后设置分光***，将接收到的光分解成多个光谱段。一般通过在分光棱镜上镀制分光膜，将同一视场的入射光束分开。优点：这种方法得到的R、G、B图像严格对应的是同一场景的多光谱图像。

发明内容

本发明提出一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，解决了相距很近且共焦面的线阵探测器RGB多光谱分光难题。

本发明的基本技术方案如下：

基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，包括层叠设置的三层棱镜组，第一层的主体为第一平行四边形棱镜，第二层的主体为第二平行四边形棱镜，第三层的主体为矩形棱镜；其中，第一平行四边形棱镜的斜面角度为45度，左侧斜面镀制反射膜，右侧斜面镀制二色性分光膜；第二平行四边形棱镜的斜面角度为θ，右侧斜面镀制二色性分光膜；

光由第一平行四边形棱镜的下底面入射，经第一平行四边形棱镜的右侧斜面反射B波段，透射R、G波段；其中一路，反射的B波段光经第一平行四边形棱镜的左侧斜面再次反射，依次经第一平行四边形棱镜的上底面、第二平行四边形棱镜的左侧斜面、第二平行四边形棱镜的上底面、所述矩形棱镜出射；另一路，透射的R、G波段光经第二平行四边形棱镜的下底面，在第二平行四边形棱镜的右侧斜面再次分色，反射G波段，透射R波段，反射的G波段光经第二平行四边形棱镜的左侧斜面再次反射，依次经第二平行四边形棱镜的上底面、所述矩形棱镜出射；最终产生RGB光谱分量，三层棱镜组中的各棱镜厚度相适配，以保证各波段像面均为等光程、均共面；

第二平行四边形棱镜的斜面角度θ满足以下公式：

(t_{2} - t_{1}) \frac{1 + \sin (\frac{π}{2} - 2 θ)}{\cos (\frac{π}{2} - 2 θ)} = t_{2}

其中：t₁为R波段像面和G波段像面沿水平方向分开的距离；

t₂为第二平行四边形棱镜的底面边长。

基于上述基本方案，本发明还作如下优化限定和改进：

上述第一平行四边形棱镜的左、右两侧分别胶合第一直角梯形棱镜、第一三角形棱镜，第二平行四边形棱镜的左、右两侧分别胶合第二直角梯形棱镜、第二三角形棱镜，使得第一层和第二层棱镜组外形平整。

在第一三角形棱镜的右侧还设置有另一矩形棱镜，对应于全色探测器的像面。

以上所有棱镜均采用光学石英玻璃JGS1。

上述第二平行四边形棱镜的底面边长t2为2.24mm，第二平行四边形棱镜的斜面角度θ为44.6°。

本发明基于单镜头，采用分光棱镜分色，它克服了传统单镜头分光时，R、G、B三个探测器不能共焦面且鉴于分光棱镜的尺寸需相距较远的问题，解决了相距仅4个像元的两个线阵探测器的多光谱分光问题。具体有以下优点：

1、多光谱线阵探测器可共焦面。

2、RGB多光谱线阵探测器之间可相距很近，仅为几个像元。这对于内封装有多条线阵探测器的单个器件更加实用。

3、该分光***可使R、G、B对应的探测器同时获得地面同一目标的R、G、B多光谱图像。

4、多光谱二色性分光膜距离线阵探测器较远，对于膜层表面疵病要求有所降低。

5、分光***结构更加简单、紧凑。

附图说明

图1本发明的分光***图。

图2为本发明的分光***的尺寸图。

图3为本发明的分光***局部放大图。

具体实施方式

本实施例基于探测器布局而进行，单个探测器内封装有3组两两亚像元拼接的线阵探测器，每组探测器之间相距2.2mm。设计时选择其中4条作为R、G、B和全色探测器，需将入射的分成三束以产生R、G、B和全色影像。

该多光谱分光***包括8个小棱镜组成，其中包含两个矩形棱镜，两个三角形棱镜、两个直角梯形棱镜、两个平行四边形棱镜（一个斜边角度45度，一个44.6°）。棱镜材料为物理化学特性很好且膨胀系数很低的光学石英玻璃JGS1，设计中合理选择光学石英平板厚度和平行四边形棱镜斜边角度，保证入射光经分光***后，多光谱R、G、B与PAN各分量成像面均为等光程，且共面。

6条线阵探测器分别位于同一像面上，其方向垂直于纸面。B表示用于接收蓝色分量的线阵探测器，G表示用于接收绿色分量的线阵探测器，R表示用于接收红色分量的线阵探测器，PAN表示全色探测器，用于接收整个谱段的线阵探测器。

B与G像面需满足一定的水平分开距离且共面，即应满足以下公式：

(t_{2} - t_{1}) \times tg (\frac{π}{2} - 2 θ) = t_{1} \times tgθ

（水平分开距离）

t_{1} \times tgθ + \frac{t_{2} - t_{1}}{\cos (\frac{π}{2} - 2 θ)} = t_{2}

（等光程）

即：

(t_{2} - t_{1}) \frac{1 + \sin (\frac{π}{2} - 2 θ)}{\cos (\frac{π}{2} - 2 θ)} = t_{2}

其中：t₁为两像面沿水平方向分开的距离。

t₂为平行四边形棱镜(以面3、4为斜边）水平边长。

θ为平行四边形棱镜3、4面倾斜角度。

本实施例多光谱R与G像面水平分开距离仅为0.033mm，且共面；多光谱B与R像面水平分开距离仅为2.2mm，且共面；R与PAN像面水平分开距离也为2.2mm，且共面。

如图1所示，分色棱镜各反射面镀制二色性膜，光入射到分色棱镜后，首先经1面反射B波段，透射R、G波段，然后透射的R、G波段光被分色面3分离，反射出G波段，从而最终产生RGB光谱分量。四个反射面中，1、3面镀制二色性分光膜，2镀制反射膜。R、G、B和全色探测器共面，B、G波段使用其中一组两两亚像元拼接的探测器，两条探测器间距为4个像元。

对于1、3面的分色膜，可分别参照表1、表2所列镀膜要求。反射面2在相应通带内保证反射率R≥90%。

表1分色面1镀膜要求

表2分色面3镀膜要求

本发明这种独特的分光***设计结构，成功解决了相距很近（B和G之间仅相距4个像元，G与R之间2.2mm）且共面的多条线阵探测器的R、G、B多光谱分光问题，整个分光***结构简单、紧凑。特别适合于航空、航天多光谱遥感领域，对于解决近距离线阵探测器的多光谱分光具有极其重要的意义。

Claims

1.一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，其特征在于：包括层叠设置的三层棱镜组，第一层的主体为第一平行四边形棱镜，第二层的主体为第二平行四边形棱镜，第三层的主体为矩形棱镜；其中，第一平行四边形棱镜的斜面角度为45度，左侧斜面镀制反射膜，右侧斜面镀制二色性分光膜；第二平行四边形棱镜的斜面角度为θ，右侧斜面镀制二色性分光膜；

第二平行四边形棱镜的斜面角度θ满足以下公式：

(t_{2} - t_{1}) \frac{1 + \sin (\frac{π}{2} - 2 θ)}{\cos (\frac{π}{2} - 2 θ)} = t_{2}

其中：t₁为R波段像面和G波段像面沿水平方向分开的距离；

t₂为第二平行四边形棱镜的底面边长。

2.根据权利要求1所述的基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，其特征在于：第一平行四边形棱镜的左、右两侧分别胶合第一直角梯形棱镜、第一三角形棱镜，第二平行四边形棱镜的左、右两侧分别胶合第二直角梯形棱镜、第二三角形棱镜，使得第一层和第二层棱镜组外形平整。

3.根据权利要求2所述的基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，其特征在于：在第一三角形棱镜的右侧还设置有另一矩形棱镜，对应于全色探测器的像面。

4.根据权利要求2或3所述的基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，其特征在于：所有棱镜均采用光学石英玻璃JGS1。

5.根据权利要求2或3所述的基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光***，其特征在于：第二平行四边形棱镜的底面边长t2为2.24mm，第二平行四边形棱镜的斜面角度θ为44.6°。