包括滤光轮的多光谱图像采集设备制造技术

本发明专利技术涉及到包括滤光轮(4)和图像传感器的一种多光谱图像采集设备。滤光器(41‑46)的位置靠近用于形成图像的光束的聚焦面，而且滤光器中的至少一个比图像传感器的光场角度更窄。因此有利于滤光器的生产。有利的是，滤光器在轮中更靠近彼此，以便多个滤光器同时处于传感器的光场中。与每个滤光器覆盖传感器整个光场的情况相比，能够更快地采集每个多光谱图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到包括滤光轮的多光谱图像采集设备，以及用于收集多光谱图像的方法。
技术介绍
现有多种利用单一图像采集设备采集多光谱图像的方法。其中一种方法包括利用多个光谱滤光器，沿着光束路径交替地插入，所述光束用于形成所采集的图像。这种多光谱图像采集设备通常包括：-成像光学系统，适合在聚焦面中形成图像；-至少一个二维图像传感器，包括由外围轮廓限定的、位于聚焦面内的光敏面；-滤光轮，包括多个光谱滤光器，两个相邻滤光器之间没有重叠；以及-驱动系统，该驱动系统被设置成，以便使轮围绕旋转轴旋转，从而把每个滤光器带入光束中。通常，放置滤光轮，以便把滤光器带入成像光学系统的光瞳中。但是还已知放置轮，以便把滤光器保持在光束的聚焦平面中。这种聚焦平面可与一个中间图像相对应，所述中间图像是由成像光学系统形成的。在这种情况下，聚焦平面通常被称为中间图像平面。通常，滤光器并不是恰好位于中间图像平面中，而是接近该平面，以免滤光器上存在的缺陷清晰地出现在所采集的图像中。作为选择，聚焦平面可以是图像传感器的光敏面所在的聚焦面。于是，滤光轮位于十分靠近光敏面的位置，但是留有中间空间，以免滤光器在光敏面上摩擦。对于本专利技术之前存在的这种设备，由传感器采集每个图像，同时，单独一个滤光器覆盖其整个光敏面，或者覆盖与图像传感器整个光敏面光学共轭的整个部分中间图像平面。然后，轮的旋转把每个滤光器相继带入该位置。图1和图2显示了这样的设备，这些图中所示的参考号的含义如下：10 多光谱图像采集设备1 物镜2 二次成像系统Z-Z 多光谱图像采集设备的光轴L 形成采集的图像的光束3 图像传感器31 图像传感器3的感光像素，与图像传感器每次曝光过程中单独获取的像素相对应C3 图像传感器3光敏面的外围轮廓FP 图像传感器3光敏面所在的成像光学系统的聚焦面IP 中间图像平面，相对于聚焦面FP而言，构成光束L的一个附加聚焦平面30 通过二次成像系统2与图像传感器3整个光敏面光学共轭的中间图像平面IP的部分C30 中间图像平面IP的部分30的外围界限4 滤光轮A-A 滤光轮4的旋转轴5 用于驱动轮4旋转的系统41-46 轮4支撑的光谱滤光器，例如，数量为六个物镜1和二次成像系统2一起构成成像光学系统。可以沿着光轴Z-Z定该光学系统的中心。对于用这种方式构成的成像光学系统，物镜1在平面IP中形成一个中间图像，该中间图像的场景包含在该光学系统的输入场中，然后，二次成像系统2反过来通过这个中间图像在聚焦面FP中形成由传感器3采集的最终图像。传感器3光敏面的外围轮廓C3通过二次成像系统2与中间图像平面IP内的界限C30光学共轭。轮4位于靠近中间图像平面IP的位置，轮的旋转轴A-A与光轴Z-Z平行。在本专利技术以前已知的设备中，对于轮4围绕轴A-A的某些预定位置而言，滤光器41-46其中之一完全覆盖位于界限C30内的中间平面IP的部分30。图2显示了处于一定位置的轮4，滤光器41在该位置对于传感器3采集的图像起作用。轮4充分旋转使之能够在这个位置用其它滤光器42-46其中之一代替滤光器41。因此，可以相继采集同一场景的六个图像，所述场景包含在成像光学系统的输入场中，从而构成该场景的具有六个光谱分量的一个多光谱图像。在本说明书的其余部分，“图像”的意思是感光像素31的一组读值，是由图像传感器3的所有感光像素31的单次曝光产生的。“光谱图像”一词具体是指多光谱图像的每个光谱分量。在根据图1和图2的多光谱图像采集设备中，每个图像都刚好是一个光谱图像。但是，这种多光谱图像采集设备有下列缺点：-每个滤光器的表面都相当大，表面积越大，生产光学质量充足、没有点缺陷而且其滤光特性均匀的滤光器就越难，而且越昂贵；-采集一个完整的多光谱图像的周期无法缩短到低于滤光轮的转速所施加的最低周期，所述完整的多光谱图像是由针对滤光轮不同位置的多次光谱图像采集构成的。但是，利用更迅速的，并且因此动力更强的驱动系统导致震动更大，由此产生其本身的问题；-放在轮中的滤光器的数量受其大小限制，较大的轮还需要增加驱动系统的动力，以便使轮以保持恒定的角速度旋转；-采集高清晰度图像需要使用光敏面较大的传感器。于是，滤光器本身必须更大，结果，支撑所述滤光器的轮也必须如此；-更重要的是，采集高清晰度图像需要减少设备振动，尤其是驱动系统使滤光轮旋转时产生的振动。因此这一要求看似与增加驱动系统的动力相悖；-开发多光谱成像任务，尤其是在空间成像领域中，有助于增加滤光器的数量；而且-寻求采集多光谱图像的可能最短的总周期，既为了增加多光谱图像采集的频率，又为了减少由于设备移动导致或者由于采集的场景中出现的活动元素导致的伪影。
技术实现思路
从这种情况以及多光谱成像领域的新需求出发，本专利技术的一个目的是减少现有技术的设备的前述缺点和限制。更具体而言，本专利技术的第一个目的是增加由轮支撑的滤光器的数量，而不把轮的大小增加到像现有技术已知的滤光轮一样大。本专利技术的第二个具体目的是使得滤光轮能够更迅速地旋转，而无需明显增加其驱动系统的动力。本专利技术的第三个具体目的是使之能够更迅速地采集连续的多光谱图像。最后，本专利技术的第四个目的是缩短两个光谱图像采集时间之间的有效周期，所述两个光谱图像是同一个多光谱图像的一部分，从而减少为了在成像光学系统的输入场中移动对象而出现的色彩伪影。为了实现这些目的中的至少一个目的或其它目的，本专利技术的第一方面提出改造上文所述的多光谱图像采集设备，其中，由轮平行地支撑滤光器，使其靠近聚焦面或成像光学系统的中间图像平面。根据本专利技术介绍的改造，滤光器中的至少一个，被称为角域狭窄的滤光器，当滤光器靠近聚焦面时，其角度延伸小于图像传感器光敏面的角度延伸。作为选择，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于通过成像光学系统的二次成像部分与整个光敏面光学共轭的一部分中间图像平面的角度延伸。为此目的，相对于轮的旋转轴测量角度延伸。换言之，采集图像时，由轮支撑的至少一个滤光器不覆盖整个图像传感器光场。因此缩小了该滤光器的表面积，所以对于滤光器的相同光学质量要求而言，促进了其生产，并减少了其成本。实际上，相对于分别覆盖整个图像传感器的光场的滤光器而言，生产没有点缺陷、平整度缺陷以及光谱滤光不均匀性的尺寸较小的滤光器更容易。优选的是，角域狭窄的滤光器可位于其它两个滤光器之间的轮中，并与之靠近，以至于对于轮围绕旋转轴的任何位置而言，至少一部分角域狭窄的滤光器对包含在图像传感器光敏面的外围轮廓内的一部分图像有效，于是，其它两个滤光器中至少一个滤光器的一部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的同一个图像另一部分有效。换言之，多个滤光器的部分同时位于图像传感器的光场内。在传感器一次曝光过程中采集的图像因此包含通过一个滤光器采集的该图像的一部分，以及通过另一滤光器采集的这同一个图像的至少另一部分。通过把与该滤光器有关的、而且在图像传感器连续曝光过程中采集的图像的部分结合在一起，可以重新构建由单独一个滤光器均匀过滤的一个完整的光谱图像。优选的是，角域狭窄的滤光器的角度延伸以及其它两个滤光器的各自角度延伸能够使得轮围绕旋转轴的至少一个位置、角域狭窄的滤光器与其它两个滤光器的各自部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的图像的三个单独部分有效。更普遍而言，更可取的是，数量更多的滤光器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
多光谱图像采集设备(10)，包括：‑成像光学系统(1、2)，适合在聚焦面(FP)中形成图像；‑至少一个二维图像传感器(3)，包括由外围轮廓(C3)限定的、位于聚焦面(FP)内的光敏面；‑轮(4)，包括多个光谱滤光器(41‑46)，所述轮被设置成以便保持所述滤光器平行并且靠近聚焦面(FP)或靠近成像光学系统(1、2)的中间图像平面(IP)；以及‑驱动系统(5)，被设置成以便使轮(4)围绕旋转轴(A‑A)旋转，从而把每个滤光器(41‑46)带入光束(L)中；其中，滤光器(41‑46)中的至少一个，被称为角域狭窄的滤光器，当滤光器靠近聚焦面(FP)时，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于图像传感器(3)光敏面的角度延伸，或者，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于通过成像光学系统的二次成像部分(2)与整个光敏面光学共轭的一部分(30)中间图像平面(IP)的角度延伸，相对于轮(4)的旋转轴(A‑A)测量角度延伸，驱动系统(5)适于使在由图像传感器(3)连续采集几个图像的同时，使轮(4)连续旋转；设备的特征在于，所述图像传感器(3)包括多个单独的感光像素(31)，所述多个单独的感光像素适于按照采集顺序分别运行，所述采集顺序至少相继包括信号积累的一个阶段以及读取积累的信号的一个阶段；特征还在于，角域狭窄的滤光器的角度延伸大于在采集顺序的整个周期与额外的积累阶段的周期的总和周期过程中由轮(4)所形成的旋转角。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.14 FR 14004091.多光谱图像采集设备(10)，包括：-成像光学系统(1、2)，适合在聚焦面(FP)中形成图像；-至少一个二维图像传感器(3)，包括由外围轮廓(C3)限定的、位于聚焦面(FP)内的光敏面；-轮(4)，包括多个光谱滤光器(41-46)，所述轮被设置成以便保持所述滤光器平行并且靠近聚焦面(FP)或靠近成像光学系统(1、2)的中间图像平面(IP)；以及-驱动系统(5)，被设置成以便使轮(4)围绕旋转轴(A-A)旋转，从而把每个滤光器(41-46)带入光束(L)中；其中，滤光器(41-46)中的至少一个，被称为角域狭窄的滤光器，当滤光器靠近聚焦面(FP)时，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于图像传感器(3)光敏面的角度延伸，或者，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于通过成像光学系统的二次成像部分(2)与整个光敏面光学共轭的一部分(30)中间图像平面(IP)的角度延伸，相对于轮(4)的旋转轴(A-A)测量角度延伸，驱动系统(5)适于使在由图像传感器(3)连续采集几个图像的同时，使轮(4)连续旋转；设备的特征在于，所述图像传感器(3)包括多个单独的感光像素(31)，所述多个单独的感光像素适于按照采集顺序分别运行，所述采集顺序至少相继包括信号积累的一个阶段以及读取积累的信号的一个阶段；特征还在于，角域狭窄的滤光器的角度延伸大于在采集顺序的整个周期与额外的积累阶段的周期的总和周期过程中由轮(4)所形成的旋转角。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器位于其它两个滤光器之间的轮(4)中，并与所述的其它两个滤光器靠近，以至于对于轮围绕旋转轴(A-A)的任何位置而言，至少一部分角域狭窄的滤光器对包含在图像传感器(3)光敏面的外围轮廓(C3)内的一部分图像有效，所述其它两个滤光器中至少一个滤光器的一部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的同一个图像另一部分有效。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器的角度延伸以及所述其它两个滤光器的各自角度延伸使得轮(4)围绕旋转轴(A-A)的至少一个位置、角域狭窄的滤光器与所述其它两个滤光器的各自部分同时对包含在光敏面外围轮廓(C3)内的图像的三个单独部分有效。4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，相对于轮(4)的旋转轴(A-A)而言，以及对于所述旋转轴的相同径向距离而言，角域狭窄的滤光器以及所述其它两个滤光器的各自角度延伸可以相等。5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器具有分别相对于轮(4)的旋转轴(A-A)径向延伸的两条直边。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，轮(4)具有分别与三个不同的光谱滤波窗口相对应的至少三个滤光器(41-46)。7.根据权利要求6、结合权利要求3或4所述的设备，其特征在于，分别与三个不同光谱滤波窗口相对应的三个滤光器是角域狭窄的滤光器以及所述的其它两个滤光器，轮(4)包括至少一个附加光谱滤光器(51)...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮埃尔卢克·盖奥吉，
申请(专利权)人：空客防务与空间有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR