光学系统技术方案

一种光学系统，包括至少一个物镜、光学滤波器、和成像透镜或包括多个孔径元件的第一孔径阵列。所述至少一个物镜、光学滤波器、和成像透镜或第一孔径阵列沿光轴布置，以在成像透镜上或在第一孔径阵列上形成光学滤波器的至少一个投影。所述光学系统还包括滤波器选择装置，用于选择要提供给成像透镜或第一孔径阵列的滤波的电磁辐射。

optical system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学系统
本专利技术涉及光学系统，例如用于执行光强度滤波或偏振滤波的光学系统或快照式超光谱或多光谱光学系统。更具体地，本专利技术涉及超光谱或多光谱光学系统，其用于例如在多个不同波长的空间域或频率(傅里叶)域中，通过多波长滤波器阵列以像素类似方式重复以便滤波成像物体的不同部分(以与已知的拜耳滤波器配置类似的方式)的配置、或者通过生成物体的多个图像(其中在特定波长滤波生成的多个图像中的每一个)的配置，来获得图像数据。本专利技术还涉及用于获得物体的多光谱/超光谱超方形测量的超光谱或多光谱光学系统。
技术介绍
快照式超光谱/多光谱相机拍摄多个波长的图像。有许多在检测器或图像传感器上组织空间和波长信息的方法。两种最常见的配置是在检测器上将波长信息分组成“超级”像素—这是在具有众所周知的拜耳配置(配置A，图1g)的彩色相机中使用的系统，或者在检测器上将空间信息一起分组成多个图像，其中每个图像具有不同波长(配置B，图1h)。从概念上讲，这两个配置可以在图1g和1h中看到。在这两种配置中，一个挑战是制造滤波器以实现波长选择。滤波器可以位于检测器上或紧靠检测器前方，或者可以将它们成像到检测器上，或者它们可以简单地阻挡通向检测器的所有平行路径，这可以用于有效的多相机阵列的情况，即，系统设置成好像它是多个相机的阵列但使用一个检测器。如果滤波器放置在检测器上或检测器附近，则有两个问题，首先，各个滤波器应该是配置A(图1g)中的像素大小或配置B(图1h)中的可以是非常小的或者固定的多个图像中的一个图像的大小，其次，当滤波器放置在检测器附近时，滤波器看到的角度范围与相机的数值孔径相同。对于敏感的相机，数值孔径通常很大，导致滤波器上的角度范围很宽。诸如标准窄带滤波器之类的滤波器具有强烈的角度依赖性，因此这限制了滤波器的线宽。为了解决这两个不便之处，可以将滤波器放置在其他地方并远离检测器。如果滤波器放置在其他位置并重新成像到检测器上，则至少有两个系统配置可能会限制滤波器的数量。在一个系统配置中，滤波器在微透镜阵列后重新成像以重新创建配置A(图1g)，这是在光场成像方面的滤波的Plenoptics1.0配置。这里我们称为系统配置A，因为此系统配置的目标是生成超像素配置，如图1g所示。出于理解的原因，该系统配置在图4和5中以有限的程度示出，物体1的每个部分使用两个透镜(第一透镜2和第二透镜3)成像到微透镜阵列4的一部分上。微透镜阵列4将孔径6成像到检测器上。滤波器可以放在孔径光阑6处，这允许在检测器上制作相同的滤波器图像阵列。孔径光阑6限制从物体1到图像点的光线束的横截面积。这里，在透镜2的焦点处的孔径光阑6控制在微透镜阵列4的透镜元件的表面上方的光线分布，以便控制允许远心方案的物体1的透视。在将使用有限数量的滤波器的第二系统配置中(这里我们称为系统配置B，因为该系统配置的目标是产生物体的多个图像，如图1h中示意性所示)，微透镜阵列4可用于形成物体的多个平行图像，并且滤波器可以放置在微透镜阵列4的正后方或前方。多个平行图像均由滤波器在特定波长处滤波。上述两种系统配置的优点在于滤波器的尺寸不受检测器尺寸的限制，并且可以使成像在滤波器上的角度范围减小相同的量。入射在滤波器上的较小角度允许实现改进的滤波功能。另外，与将单独的滤波片附接到传感器上相比，实现这样的系统更便宜。滤波器不在传感器上，并且允许在系统中定位滤波器的大量可能性，因为可以灵活地选择滤波器在系统中的定位。此外，可以容易地更换或替换滤波器，从而提供自适应系统。最后，只需要一个滤波器，并且绝对不需要包括多个滤波器。在所有上述情况中，滤波器的数量与要滤波的波长数量相同，并且人们认为可以制作滤波器阵列，每个波长一个滤波器。然而，滤波器阵列的制造既困难又昂贵。此外，还期望提供用于获得物体的多光谱/超光谱超方形测量的超光谱或多光谱光学系统。
技术实现思路
因此，本公开的一个方面提供了一种克服上述不便的光学系统。优选地，该光学系统包括：-至少一个物镜；-光学滤波器；-成像透镜，或包括多个孔径元件的第一孔径阵列；其中，所述至少一个物镜、所述光学滤波器和所述成像透镜或所述第一孔径阵列沿光轴布置，以在所述成像透镜上或在所述第一孔径阵列上形成所述光学滤波器的至少一个投影，并且其中，所述光学系统还包括滤波器选择装置，用于选择将提供给所述成像透镜或所述第一孔径阵列的滤波的电磁辐射。该光学系统有利地允许获得物体的多光谱/超光谱超方形测量。根据本公开的一个方面，成像透镜或第一孔径阵列布置在光学系统中，以形成将在第二孔径阵列或第二孔径阵列平面上滤波的物体的至少一个投影。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成选择滤波器的一个滤波地带或多个滤波地带，以选择将提供给成所述成像透镜或所述第一孔径阵列的滤波的电磁辐射。根据本公开的又一方面，所述滤波器选择装置包括多个可寻址区域，所述多个可寻址区域被配置成允许或阻挡电磁辐射通过所述区域，以分别允许或阻挡电磁辐射通过所述滤波器选择装置。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成限定电磁辐射通过的至少一个或多个图案。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成限定电磁辐射通过的透明带。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成限定电磁辐射通过的透明带，并且被配置成限定所述透明带周围的阻挡电磁辐射的传输的不透明区域或地带。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成限定电磁辐射通过的透明带，并且被配置成限定所述透明带周围的阻挡电磁辐射的传输的不透明区域或地带，以使得仅所述透明带允许电磁辐射通过到达所述成像透镜或所述第一孔径阵列。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成移位或扫描所述透明带以允许光谱扫描。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置被配置成移位或扫描所述透明带以执行推扫扫描。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置位于所述滤波器的下游，或者位于所述滤波器的上游。根据本公开的另一方面，滤波器选择装置直接或间接地接触滤波器。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置包括电子可寻址光学装置或仅由电子可寻址光学装置组成，所述电子可寻址光学装置包括多个电子可寻址地带、区域或像素，其被配置成在电子寻址时阻挡或允许光传输。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置包括空间光调制器或仅由空间光调制器组成，所述空间光调制器包括多个电子可寻址地带、区域或像素。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置包括电子可寻址光学装置或仅由电子可寻址光学装置组成，所述电子可寻址光学装置包括液晶和多个电子可寻址地带、区域或包括液晶材料的像素。根据本公开的另一方面，所述滤波器选择装置包括液晶装置或数字微镜装置、或仅由液晶装置或数字微镜装置组成。根据本公开的另一方面，第一孔径阵列是包括多个图像形成元件的图像形成元件阵列。根据本公开的另一方面，该系统还包括第二孔径阵列，该第二孔径阵列包括图像传感器，该图像传感器包括多个光传感元件。根据本公开的另一方面，所述光学系统包括所述第一孔径阵列，并且所述第一孔径阵列包括图像形成元件阵列，所述图像形成元件阵列包括多个透镜、微透镜或针孔；以及其中，所述第一孔径阵列布置在光学系统中，以在传感器平面或传感器阵列上形成物体的多个完整或整体的复制；以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统，包括：‑至少一个物镜(2)；‑光学滤波器(F)；以及‑成像透镜(4b)，或包括多个孔径元件的第一孔径阵列(4)；其中，所述至少一个物镜(2)、所述光学滤波器(F)和所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)沿光轴(8)布置，以在所述成像透镜(4b)上或在所述第一孔径阵列(4)上形成所述光学滤波器(F)的至少一个投影，并且其中，所述光学系统还包括滤波器选择装置(FSM)，用于选择将提供给所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)的已被滤波的电磁辐射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.21 EP PCT/EP2016/0820541.一种光学系统，包括：-至少一个物镜(2)；-光学滤波器(F)；以及-成像透镜(4b)，或包括多个孔径元件的第一孔径阵列(4)；其中，所述至少一个物镜(2)、所述光学滤波器(F)和所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)沿光轴(8)布置，以在所述成像透镜(4b)上或在所述第一孔径阵列(4)上形成所述光学滤波器(F)的至少一个投影，并且其中，所述光学系统还包括滤波器选择装置(FSM)，用于选择将提供给所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)的已被滤波的电磁辐射。2.根据前述权利要求所述的系统，其中，所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)布置在光学系统中，以形成将在第二孔径阵列(S)或第二孔径阵列平面(SP)上被滤波的物体的至少一个投影。3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成选择滤波器(F)的一个滤波地带或多个滤波地带，以选择将提供给所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)的已被滤波的电磁辐射。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)包括多个可寻址区域，所述多个可寻址区域被配置成允许或阻挡电磁辐射通过所述区域，以分别允许或阻挡电磁辐射通过所述滤波器选择装置。5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成限定电磁辐射通过的至少一个或多个图案。6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成限定电磁辐射通过的透明带。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成限定电磁辐射通过的透明带，并且被配置成限定所述透明带周围的阻挡电磁辐射的传输的不透明区域或地带。8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成限定电磁辐射通过的透明带，并且被配置成限定所述透明带周围的阻挡电磁辐射的传输的不透明区域或地带，以使得仅所述透明带允许电磁辐射通过到达所述成像透镜(4b)或所述第一孔径阵列(4)。9.根据权利要求6至8中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成移位或扫描所述透明带以允许频谱扫描。10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)被配置成移位或扫描所述透明带以执行推扫式扫描。11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)位于所述滤波器(F)的下游，或者位于所述滤波器(F)的上游。12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)直接或间接地接触所述滤波器(F)。13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)包括电子可寻址光学装置或仅由电子可寻址光学装置组成，所述电子可寻址光学装置包括液晶和多个电子可寻址地带、区域或包括液晶材料的像素。14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器选择装置(FSM)包括空间光调制器、液晶装置(LCD)或数字微镜装置(DMD)或仅由空间光调制器、液晶装置(LCD)或数字微镜装置(DMD)组成。15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第一孔径阵列(4)是包括多个图像形成元件的图像形成元件阵列(4)。16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括第二孔径阵列(S)，所述第二孔径阵列包括图像传感器(S)，所述图像传感器包括多个光传感元件。17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学系统包括所述第一孔径阵列(4)，并且所述第一孔径阵列(4)包括图像形成元件阵列(4)，所述图像形成元件阵列(4)包括多个透镜、微透镜或针孔；以及其中，所述第一孔径阵列(4)布置在光学系统中，以在传感器平面(SP)或传感器(S)上形成物体(1)的多个完整或整体的复制；以及其中，所述滤波器(F)被成像以在第一孔径阵列(4)上形成所述滤波器(F)的至少一个投影，以便滤波多个物体(1)的复制。18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)包括或者是包括多个单独的光学滤波器的镶嵌滤波器。19.根据前一权利要求所述的系统，其中，每个单独的光学滤波器被配置成以不同波长滤波。20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)被配置成滤波多个波长。21.根据前述权利要求1至17中任一项所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)被配置成沿着所述滤波器(F)的恒定滤波方向(CFD)滤波相同的波长。22.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)包括滤波部分(FS)，所述滤波部分(FS)限定一个入射表面区域(IA)，所述滤波部分(FS)包括恒定滤波方向(CFD)并且还被配置成在随着恒定滤波方向的垂直方向沿着入射表面区域(IA)的方向以不同的波长连续地滤波。23.根据前述权利要求19至22中任一项所述的系统，其中，滤波部分(FS)还被配置成沿着与所述恒定滤波方向(CFD)不平行的任何方向或所有方向跨越入射表面区域(IA)以不同波长连续地滤波。24.根据前述权利要求20至23中任一项所述的系统，其中，所述滤波部分(FS)的光学厚度跨越整个滤波部分(FS)沿着所述垂直方向或者沿着与所述恒定滤波方向不平行的所述任何方向或所有方向变化，或者仅跨越所述滤波部分(FS)的一部分沿着所述垂直方向或沿着与所述恒定滤波方向不平行的所述任何方向或所有方向变化。25.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述滤波部分(FS)的光学厚度以线性或非线性方式连续变化，和/或根据阶跃而变化。26.根据前述权利要求20至25中任一项所述的系统，其中，所述滤波部分(FS)包括厚度变化的滤波器。27.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述滤波器(F)的厚度跨越与所述恒定滤波方向不平行的所有方向变化。28.根据前述权利要求22至27中任一项所述的系统，其中，所述滤波部分(FS)具有跨越整个滤波部分(FS)仅沿着限定所述恒定滤波方向(CFD)的一个方向恒定的光学厚度，以及其中，所述滤波部分(FS)围绕光轴(8)取向，使得所述滤波部分(FS)的恒定光学厚度的方向相对于图像形成元件阵列(4)或相对于图像传感器(S)成角度取向。29.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述滤波部分(S)沿恒定光学厚度的方向滤波相同的波长。30.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述滤波器(F)被配置成沿着与所述恒定滤波方向不平行的至少一个方向滤波不同波长，所述恒定滤波方向沿着所述滤波器(F)的至少一部分。31.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述滤波器(F)被配置成沿着与所述恒定滤波方向不平行的至少一个方向以不同波长连续地滤波，所述恒定滤波方向沿着所述滤波器(F)的至少一部分。32.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)和/或所述滤波器选择装置(FSM)位于所述至少一个物镜(2)的上游，或者所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)的前方或后方或所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)之上。33.根据前一权利要求所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)和/或所述滤波器选择装置(FSM)沿着所述光轴(8)布置在物体空间中或者基本上布置在距所述物镜(2)的物距(d1)的物体位置处，由所述系统成像的物体位于所述物体空间中。34.根据前述权利要求1至33中任一项所述的系统，其中，所述系统包括分别沿着所述光轴(8)布置的所述物镜(2)、第二透镜(3)、以及所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)，其中，所述光学滤波器(F)和所述滤波器选择装置(FSM)位于所述物镜(2)上游的位置，以使得所述滤波器(F)由所述物镜(2)和所述第二透镜(3)成像到所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)的至少一部分上；以及，所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)将物体(1)成像到图像传感器平面(SP)上，以在图像传感器平面(SP)处提供物体(1)的至少一个或多个图像；或者其中，所述光学滤波器(F)和/或所述滤波器选择装置(FSM)放置在所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)的前方、后方或所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)之上。35.根据前述权利要求1至33中任一项所述的系统，其中，所述系统包括分别沿着光轴(8)布置的所述物镜(2)、视场光阑(9)、第二透镜(3)、和所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)，其中，所述光学滤波器(F)和所述滤波器选择装置(FSM)位于所述物镜(2)上游的位置处或者所述滤波器(F)与所述物镜(2)接触，以使得所述滤波器(F)由所述物镜(2)和第二透镜(3)成像到所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)的至少一部分上；以及所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)将物体(1)成像到图像传感器平面(SP)上，以在图像传感器平面(SP)处提供物体(1)的多个图像。36.根据前述权利要求1至33中任一项所述的系统，其中，所述系统包括分别沿着所述光轴(8)布置的所述物镜(2)、视场光阑(9)、第二透镜(3)、所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)，其中，所述光学滤波器(F)和/或所述滤波器选择装置(FSM)位于所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)的前方、后方或位于所述图像形成元件阵列(4)或所述成像透镜(4b)之上。37.根据前述权利要求32至37中任一项所述的系统，还包括分束器(BS)、第三透镜(3b)、和第二传感器(Sb)，其中，所述分束器(BS)位于所述物镜(2)和所述第二透镜(3)和所述第三透镜(3b)之间；或者还包括分束器(BS)、第三透镜(3b)、和第二传感器(Sb)，其中，所述分束器(BS)位于所述光学滤波器(F)和所述物镜(2)和所述第三透镜(3b)之间；或者还包括分束器(BS)、第三透镜(3b)、和第二传感器(Sb)，其中，所述分束器(BS)位于所述物镜(2)和所述图像形成元件阵列(4)和所述第三透镜(3b)之间。38.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统在图像空间中和/或在物体空间中是远心镜头。39.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一个物镜(2)和/或所述第二透镜(3)是远心透镜。40.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述光学滤波器(F)由所述光学滤波器的图像或光学滤波器图像的实像限定。41.根据前一权利要求所述的系统，还包括用于生成所述光学滤波器图像或真实光学滤波器图像并将所述真实光学滤波器图像定位在所述系统中的装置。42.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述图像形成元件阵列(4)包括透镜、微透镜或针孔。43.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述图像形成元件阵列(4)和/或所述物镜(2)安装成沿着光轴(8)移动，以允许所述光学系统的空间分辨率增加。44.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光学系统是多光谱光学系统或超光谱光学系统。45.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的光学系统的装置。46.根据前一权利要求所述的装置，其中，该装置是电话或智能电话。47.一种光学系统，包括：-至少一个光学投影元件(2)；-光学滤波器(F)，所述光学滤波器被配置成沿着所述滤波器(F)的恒定滤波方向滤波相同的波长、强度或偏振；-包括多个孔径元件的第一孔径阵列(4)，所述第一孔径阵列(4)上的孔径元件的位置由第一基矢(α1)和第二基矢(α2)限定，所述第一基矢(α1)在对准所述第一孔径阵列(4)的多个孔径元件的第一方向上延伸，所述第二基矢(α2)在对准所述第一孔径阵列(4)的多个孔径元件的第二方向上延伸，当所述第一孔径阵列(4)限定孔径元件的正方形或矩形矩阵时，所述第一基矢(α1)和所述第二基矢(α2)正交；-包括多个孔径元件的第二孔径阵列(S)，所述第二孔径阵列(S)上的孔径元件的位置由第三基矢(β1)和第四基矢(β2)限定，所述第三基矢(β1)在对准所述第二孔径阵列(S)的多个孔径元件的第一方向上延伸，所述第四基矢(β2)在对准所述第二孔径阵列(S)的多个孔径元件的第二方向上延伸，当所述第二孔径阵列(S)限定孔径元件的正方形或矩形矩阵时，所述第三基矢(β1)和所述第四基矢(β2)正交；其中，所述至少一个光学投影元件(2)、所述光学滤波器(F)、所述第一孔径阵列(4)和所述第二孔径阵列(S)沿着光轴(8)布置，以在所述第一孔径阵列(4)上或在所述第二孔径阵列(S)上形成所述光学滤波器(F)的至少一个投影；或者沿着光轴(8)布置，其中，所述光学滤波器(F)放置在所述第一孔径阵列(4)的前方、后方或所述第一孔径阵列(4)之上；以及其中，所述光学滤波器的恒定滤波方向或所述光学滤波器(F)的投影相对于所述第一基矢(α1)方向成角度取向；或者其中，所述光学滤波器(F)的至少一个投影的恒定滤波方向相对于由所述第三基矢(β1)方向限定的轴并且相对于由所述第四基矢(β2)方向限定的轴成角度取向。48.根据权利要求47所述的系统，其中，尾对尾放置的所述第三基矢(β1)和所述第四基矢(β2)将角度范围(AR)限定在所述第三基矢(β1)方向和所述第四基矢(β2)方向之间，并且所述光学滤波器(F)的至少一个投影的恒定滤波方向相对于所述第三基矢(β1)方向和所述第四基矢(β2)方向取向，并且以所述角度范围(AR)内的角度(A)取向，或者以所述角度(A)加上尾对尾放置的所述第三基矢(β1)和所述第四基矢(β2)之间的角度的正或负整数倍取向。49.根据权利要求47或48所述的系统，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·史丹利，A·夏比拉，L·A·邓巴尔，P·帕德，
申请(专利权)人：瑞士CSEM电子显微技术研发中心，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH