CN110381232A - 一体式多光谱成像摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体式多光谱成像摄像装置，包括机械壳体、位于所述机械壳体一端的光线采集窗口、分光装置和若干光学传感器，其特征在于：所述分光装置位于所述光线采集窗口的后方；所述机械壳体内设有若干光学成像装置。本发明结构紧凑、占用空间小，具有在保证成像具有一致性的前提下实现多光谱成像的特点。

Description

一体式多光谱成像摄像装置

技术领域

本发明涉及摄像机领域，尤其涉及一体式多光谱成像摄像装置。

背景技术

市面上的光学成像设备一般相机配备一个光学成像装置针对某一特定波段进行成像：如可见光和近红外波段成像的监控相机；远红外成像的热成像仪；长波的各种雷达、天文望远镜；短波的X射线***等等。不同波长的光线往往携带着不同的信息，将这些光线按照波长区分开来逐一进行成像分析，极其具有实际意义。

目前，很多方案在尝试设计出一种能在同一设备上同时针对多个光谱波段进行光学成像，尤其是航天领域，要求在有限的体积和载荷范围内经可能实现更多的功能。在民用领域，多光谱成像也有广泛的应用，比如森林防火实用的可见光和热成像混合相机，监控领域可见光和近红外配合实现透雾功能。所有这些应用本质上是一种将几个在不同光谱波段成像的相机放到一个相机里面实现的，但其紧凑性、成像一致性及相互之间的关联度都不是很理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在保证成像具有一致性的前提下实现多光谱成像，同时保证结构紧凑、占用空间小的一体式多光谱成像摄像装置。

为解决上述问题，本发明所述的一体式多光谱成像摄像装置，包括机械壳体、位于所述机械壳体一端的光线采集窗口、分光装置和若干光学传感器，其特征在于：所述分光装置位于所述光线采集窗口的后方；所述机械壳体内设有若干光学成像装置。

所述分光装置除入射面以外的每一个表面外均设有所述光学成像装置。

所述分光装置包括一块由多块子棱镜胶合而成的立方分光棱镜，其胶合面上镀有膜层。

所述分光装置包括两块立方分光棱镜；每块所述立方分光棱镜由多块子棱镜胶合而成，其胶合面上镀有膜层。

两块所述立方分光棱镜沿光线采集窗口主光轴依序排列，且第一分光棱镜和第二立方分光棱镜均由四块子棱镜胶合而成并具有四个胶合面；所述胶合面上镀有膜层，且四个胶合面两个一组形成两个反射面。

所述分光装置包括一块立方分光棱镜，该立方分光棱镜由两块子棱镜胶合而成并具有一个胶合面；所述胶合面上镀有形成反射面的膜层。

所述分光装置包括一块立方分光棱镜，该立方分光棱镜由四块子棱镜胶合而成并具有四个胶合面；所述胶合面上镀有膜层，且四个胶合面两个一组形成两个反射面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用了一套立方棱镜的分光***，而立方棱镜天然具有结构简单，高度对称的特征。在一块或多块简单棱镜组成的分光***中实现然本需要复杂光学结构才能实现的分光工作，可以大大降低***的复杂程度。同时，高度的对称性也能让结构变得紧凑、高效。另外，高度的对称性也使得结构的可重复设计变得简单，只要按照结构原理，在对称方向上可以任意派生新结构，类似于数学上的的分形，这样就使得更复杂***设计成为可能。而通过结构派生，可以将分光***做的更大，使用范围变得更广。

2、本发明由于整个***只有一个光学入射窗口，所有的光线都是从同一束光线分光获得，也就是说各个成像部分的成像具有高度的一致性，对同一物体的拍摄若干图像无需做后处理既可以完美的重合。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的实施例1示意图。

图2为本发明的实施例2示意图。

图3为本发明的实施例3示意图。

图4为本发明的实施例4主视图。

图5为本发明的实施例4俯视图。

图6为本发明的实施例4立体图。

图7为本发明的实施例4分光棱镜部分示意图。

图8为本发明实施例4分光示意图。

图中：001—红外光；002—可见光；003—紫外光；004—蓝光；005—红光；006—绿光；101—光线采集窗口；102—机械壳体；103—分光装置；1031—第一分光棱镜；1032—第二分光棱镜；1033—直角棱镜Ⅰ；1034—直角棱镜Ⅱ；104—第三光学成像装置；1042—第三镜片组；1041—第三镜片壳体；105—第一镜片壳体；106—第一镜片组；107—第一光学成像装置；1072—第二光学成像装置；1073—第三光学成像装置；1074—第四光学成像装置；1075—第五光学成像装置；108—第二镜片组；109—第二镜片组；112—密封垫； 201—入射面；2012第二入射面；202—胶合面；2021—第二胶合面；2023—第三胶合面；2024—第四胶合面；203—底边出射面；204—侧边出射面；205—第二侧边出射面；211—第三侧边出射面；212—第二底边出射面；213—第四侧边出射面；301—第一光学传感器；3010—第三光学接收装置；3011—第三光学传感器；3012—第三集成电路装置；302—第一集成电路装置；303—第一光学焦点；304—第二光学传感器；305—第二集成电路装置；306—第二光学焦点；331—第一光学接收装置；332—第二光学接收装置；333—第三光学接收装置；334—第四光学接收装置；335—第五光学接收装置。

具体实施方式

一体式多光谱成像摄像装置，包括机械壳体102、位于所述机械壳体102一端的光线采集窗口101、分光装置103和若干光学传感器。分光装置103位于光线采集窗口101的后方，入射光线通过光线采集窗口101直接进入分光装置103。机械壳体102内设有若干光学成像装置，入射光线被分光装置103分光处理后所形成的若干束子光线分别通过光学成像装置聚焦成像在不同的光学接收装置上。

其中：分光装置103除入射面以外的每一个表面外均设有所述光学成像装置，用于将入射光线被分光装置分光处理后所形成的若干束子光线分别聚焦成像在不同的光学接收装置上。

分光装置103包括一块由多块子棱镜胶合而成的立方分光棱镜，其胶合面上镀有膜层，用于反射特定波长的光线。

实施例1 如图1所示，分光装置103包括一块立方分光棱镜，该立方分光棱镜可以由两块子棱镜胶合而成，胶合面上镀有膜层，用于反射特定波长的光线；立方分光棱镜也可以由四块子棱镜胶合而成，具有四个胶合面，四个胶合面两个一组形成两个胶合平面，镀膜后成为反射面，反射面用于反射特定波长的光线，立方分光棱镜将入射光线分为三束子光线。立方分光棱镜还可以由若干块子棱镜胶合而成，具有若干个胶合面，同一平面上的胶合面形成一个胶合平面，镀膜后成为反射面，反射面用于反射特定波长的光线，立方分光棱镜将入射光线分为五束子光线。

入射光线进入分光装置103，按照波长被分成两束子光线，然后由两个正交排列光学成像***分别成像，组成最简单的一体式双光谱成像摄像装置。

图1中光线采集窗口101采用高透光学玻璃组成，表面镀增透膜和防护膜，同时提供摄像装置的正面防护。光线采集窗口101与机械壳体102紧固，同时增设密封垫112，用于密封、防水、防尘等功能。

分光装置103采用标准立方分光棱镜，该棱镜由直角棱镜Ⅰ1033、直角棱镜Ⅱ1034胶合而成，同时形成胶合面202。胶合面202镀有反射式红外截止光学薄膜，该镀膜为现有技术，其薄膜的主要功能为：波长700nm波长以下的光线高透，波长700nm以上光的光线被反射，分光装置103的上表面为分光***的入射面201；胶合面202为分光装置103的反射面，胶合面202刚好与入射面201呈45°夹角；分光装置103的侧面和底面组成分光***的侧边出射面204和底边出射面203。

其分光部分的工作方式为：入射光由可见光002（光谱范围400nm~700nm）和红外光001（光谱范围700nm~1100nm）两个波段组成，由光线采集窗口101到达入射面201进入分光装置103。在胶合面202表面上被分成两束，其中可见光002部分直接透射，通过底边出射面203射出；而红外光001则与主光轴呈90°反射，并由侧边出射面204射出。

其光学成像部分包含两个部分，分别为对应底边出射面203出射光线的第一光学成像装置，其包含第一镜片组106和第一镜片壳体105；对应侧边出射面204出射光线的第二光学成像装置，其包含第二镜片组108和第二镜片组109。

本实施例中还包含两套光学接收装置，光学接收装置均设置在各自对应的光学成像装置后方，并与其对应的光学成像装置的光轴同轴，分别是对应第一光学成像装置的第一光学接收装置，其包含第一光学传感器301，其为彩色图像传感器，通过第一集成电路装置302设置在摄像装置内；对应第二光学成像装置的第二光学传感器304，其为黑白图像传感器，通过第二集成电路装置305设置在摄像装置内；两个传感器的位置通过合理设计，使第一光学焦点303和第二光学焦点306分别落在其感光平面上。

以上实施例给出了一体式多光谱成像摄像装置一种最简单的应用实例，利用一块立方棱镜将入射光按照光谱分成两束，并分别成像，即可获得一个一体式双光谱成像摄像机。

实施例2 如图2所示，光线采集窗口101部分与图1相同，而分光装置103采用一块标准立方的二向色棱镜，也可以称为X棱镜。其由四块全等的直角三棱镜胶合而成，四个胶合面组成两个呈X形分布的交叉平面，分别是图中的胶合面202和第二胶合面2021。在胶合面202上镀红外反射膜层，在第二胶合面2021镀紫外反射膜层。二向色棱镜的上表面组成分光装置的入射面201；胶合面202和第二胶合面2021组成分光装置的反射面，两个胶合面均与入射面201呈45°夹角；立方棱镜的两个侧面以及底面组成分光***的出射面，侧边出射面204，第二侧边出射面205和底边出射面203。

当包含紫外光003（光谱范围<400nm）、可见光002（光谱范围400nm~700nm）和红外光001（光谱范围700nm~1100nm）的混合光由入射面201进入分光装置103之后，紫外光003被第二胶合面2021呈90°反射至第二侧边出射面205射出；可见光002直接透过胶合面202和第二胶合面2021两个反射面，由底边出射面203射出；红外光001则被胶合面202呈90°反射至侧边出射面204射出。至此，整个入射光线被分光***按照波长分成了三束，并由立方体其中三个面射出。

在本实施例中，由于入射光被分成了三束，因此需要三套光学成像装置分别对三束光线进行逐一成像。每套光学成像装置均包含一套光学镜片组和镜片壳体，镜片壳体包含镜片的固定装置和光学调节装置。第三光学成像装置104包含第三镜片组1042和第三镜片壳体1041，对应红外光001将其聚焦，并设置第三光学接收装置3010，包含第三光学传感器3011和第三集成电路装置3012，第三光学传感器3011与第二光学传感器304相同，为黑白图像传感器，配合第三光学成像装置，用于接收红外光001实现黑白成像。

第一光学成像装置包括第一镜片组106，对应可见光002，并设置第一光学传感器301，配合第一光学成像装置，用于接收可见光002实现为彩色成像；第二光学成像装置包括第二镜片组109，对应紫外光003，并设置第二光学传感器304，配合第二光学成像装置接收紫外光003实现黑白成像；每个光学接收装置均包含对应波长光线传感器和集成电路。

在本实施例中，采用了一块特殊设计的二向色棱镜（X棱镜）将入射光线按光谱分成三束，搭配三个光学传感器既可以实现三光谱成像。

实施例3 如图3所示，光线采集窗口101依然采用高透光学玻璃组成，表面镀增透膜和防护膜。101主要作为光线采集窗口，同时提供正面防护功能。光学玻璃下方与装置的机械壳体102紧固，同时兼顾密封设计，防水防尘。

与图2不同的地方在于分光装置103包含两块立方二向色棱镜，分别是第一分光棱镜1031和第二分光棱镜1032。每块立方二向色分光棱镜均由4块全等的直角三棱镜胶合而成，形成相互正交的胶合面。如图中所示：第一分光棱镜1031包含胶合面202，第二胶合面2021；第二分光棱镜包1032含第三胶合面2023，第四胶合面2024；其中胶合面202镀紫外光反射膜；第二胶合面2021镀红外光反射膜；第三胶合面2023镀蓝色反射膜；第四胶合面2024镀绿色反射膜；整个分光装置包含两个入射面，分别是位于第一分光棱镜1031上的入射面201和位于第二分光棱镜1032上的第二入射面2012；包含四个反射面，分别是位于第一分光棱镜上的胶合面202与第二胶合面2021，以及位于第二分光棱镜上的第三胶合面2023与第四胶合面2024；包含六个出射面，位于第一分光棱镜1031上的底边出射面203、侧边出射面204和第二侧边出射面205，以及位于第二分光棱镜1032上的第二底边出射面212、第三侧边出射面211和第四侧边出射面213。

光线自光线采集窗口101进入，由第一分光棱镜1031上的入射面201进入分光棱镜中，紫外光003被第二胶合面2021以90°方向反射，由侧边出射面204射出；红外光被第二胶合面2021以90°方向反射，由第二侧边出射面205射出；可见光002则直接透过胶合面202与第二胶合面2021，由底边出射面203射出，再经第二分光棱镜1032上的第二入射面2012进入第二分光棱镜，接着，可见光中，蓝色光谱部分被第三胶合面2023以90°方向反射，由第三侧边出射面211射出；红色光谱部分被第四胶合面2024以90°方向反射，由第四侧边出射面213射出；光谱中剩下的绿色部分则直接透过第三胶合面2023与第四胶合面2024，再由第二底边出射面212射出。至此，整个入射光线被分光***分成紫外光003、蓝光004、绿光006、红光005以及红外光001。

本实施例中，安排了五组光学成像镜头分别对5束光进行会聚成像。如图中所示，包括第一光学成像装置107，其包括第一镜片组106与第一镜片壳体105，接收红外光001成像；第二光学成像装置1072，接收紫外光003成像；第三光学成像装置1073，接收红光005成像；第四光学成像装置1074，接收蓝光004成像；第五光学成像装置1075，接收绿光006成像；每套光学成像装置结构与第一光学成像装置相同，均包含一套光学镜片组和镜片壳体，镜片壳体包含镜片的固定装置和光学调节装置，同时设置五套光学接收装置，第一光学接收装置331包含第一光学传感器301，其为红外光传感器，以及相应的第一集成电路装置302，对应第一光学成像装置；第二光学接收装置332包含第二光学传感器304，其为紫外光传感器，以及相应的第二集成电路装置，对应第二光学成像装置；第三光学接收装置333包含红色光传感器和相应的集成电路装置，对应第三光学成像装置；第四光学接收装置334包含蓝色光传感器和相应的集成电路装置，对应第四光学成像装置；第五光学接收装置335包含绿光传感器和相应的集成电路装置，对应第五光学成像装置；即每套光学接收装置均包含对应波长光线传感器和集成电路。

本实施例的核心在于，通过两个二向色分光棱镜，经过二次分光操作将光线按波长区间合计分为紫外光、蓝色光、绿色光、红光以及红外光5束，在分别用对应的光学成像***会聚成像，再由对应波长的光传感器接收光信号，生成电子信号，从而实现一体式五光谱成像摄像机的设计。考虑到只要分光装置103内部的反射面足够多，入射光可以从各个不同角度从分光装置103经分光后射出。

以上三种实施例只是按水平面来设置相应的光学成像装置和光学接收装置，而具体到实际运用的多样性，本发明的实施例4如图4~6所示，光线采集窗口等进光部分与上述实施例3相同，同时也具有五组光学成像装置和光学接收装置；与实施例3的不同之处在于，本实施例分光装置103中的一个立方分光棱镜由若干小棱镜组成，其内部可以组成四个胶合平面，如图7所示，分别有平面ABGH，平面CDEF，平面ADGF，平面BCHE，其每个胶合平面上分别镀有不同颜色的反射膜，本实施例中的四个胶合平面分别镀有红外光反射膜，紫外光反射膜，蓝光反射膜，绿光反射膜。

本实施例中同样设置了五组光学成像装置，这五组光学成像装置和实施例三的结构功能相同，都是将分光后的光线进行会聚成像；不同之处在于，以光线的入射方向作为前方，这五组光学成像装置分别设置在立方分光棱镜的上方，下方，左方，右方和后方，用于将从分光装置103中除入射面201以外的五个面所射出的五束子光线会聚成像，同时本实施例中同样设置了五组光学接收装置，结构功能与实施例3中相同，其位置与各组光学成像装置对应，用于接收会聚成像的光线。其中以光线入射面为正面，图4为本实施例主视图示意图，图5为本实施例俯视图示意图，图6为本实施例立体图示意图。

如图7~8所示，以光线的入射方向作为前方，从分光装置103的入射面201进入，入射光中其中四个波段的光线被该分光装置103内的四个镀有反射膜的胶合面呈90°反射，一个波段的光线透射，最终被分成五束子光线，分别为红外光001，紫外光003，蓝光004，绿光006，红光005，这五束子光线分别从分光装置103的上表面CDGH，下表面ABFE，左表面CBFG，右表面ADHE以及后表面EFGH射出，然后分别被第一光学成像装置107，第二光学成像装置1072，第三光学成像装置1073，第四光学成像装置1074，第五光学成像装置1075会聚成像，每一套光学成像装置均包含一套光学镜片组和镜片壳体，镜片壳体包含镜片的固定装置和光学调节装置，然后分别被对应的第一光学接收装置331，第二光学接收装置332，第三光学接收装置333，第四光学接收装置334，第五光学接收装置335接收，每套光学接收装置均包含对应波长光线传感器和集成电路装置。

本实施例的核心在于，通过一个立方分光棱镜，经过一次分光操作将光线按波长区间合计分为紫外光、蓝色光、绿色光、红光以及红外光5束，在分别用对应的光学成像***会聚成像，再由对应波长的光传感器接收光信号，生成电子信号，从而实现一体式五光谱成像摄像机的设计，相比于实施例三具有进一步节约空间的优势。

Claims (7)

1.一体式多光谱成像摄像装置，包括机械壳体（102）、位于所述机械壳体（102）一端的光线采集窗口（101）、分光装置（103）和若干光学传感器，其特征在于：所述分光装置（103）位于所述光线采集窗口（101）的后方；所述机械壳体（102）内设有若干光学成像装置。

2.如权利要求1所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）除入射面以外的每一个表面外均设有所述光学成像装置。

3.如权利要求1或2所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括一块由多块子棱镜胶合而成的立方分光棱镜，其胶合面上镀有膜层。

4.如权利要求1或2所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括两块立方分光棱镜；每块所述立方分光棱镜由多块子棱镜胶合而成，其胶合面上镀有膜层。

5.如权利要求4所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：两块所述立方分光棱镜沿光线采集窗口（101）主光轴依序排列，且第一分光棱镜（1031）和第二立方分光棱镜（1032）均由四块子棱镜胶合而成并具有四个胶合面；所述胶合面上镀有膜层，且四个胶合面两个一组形成两个反射面。

6.如权利要求3所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括一块立方分光棱镜，该立方分光棱镜由两块子棱镜胶合而成并具有一个胶合面（202）；所述胶合面（202）上镀有形成反射面的膜层。

7.如权利要求3所述的一体式多光谱成像摄像装置，其特征在于：所述分光装置（103）包括一块立方分光棱镜，该立方分光棱镜由四块子棱镜胶合而成并具有四个胶合面；所述胶合面上镀有膜层，且四个胶合面两个一组形成两个反射面。