一种基于近距离共焦面线阵探测器的多光谱分光系统

摘要

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系统，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。

说明书

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）多光谱分光系统。

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系统，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系统，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系统，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：

$(t_2-t_1)\frac{1+\sin (\frac{\pi }{2}-2\theta )}{\cos (\frac{\pi }{2}-2\theta )}=t_2$

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、该分光系统可使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、分光系统结构更加简单、紧凑。

附图说明

图1本发明的分光系统图。

图2为本发明的分光系统的尺寸图。

图3为本发明的分光系统局部放大图。

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。

该多光谱分光系统包括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 入射光经分光系统后，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：

$(t_2-t_1)\times \mathrm{tg}(\frac{\pi }{2}-2\theta )=t_1\times \mathrm{tg\theta }$  （水平分开距离）

$t_1\times \mathrm{tg\theta }+\frac{t_2-t_1}{\cos (\frac{\pi }{2}-2\theta )}=t_2$  （等光程）

即：$(t_2-t_1)\frac{1+\sin (\frac{\pi }{2}-2\theta )}{\cos (\frac{\pi }{2}-2\theta )}=t_2$

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系统设计结构，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，整个分光系统结构简单、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。