基于同心球聚焦元件的新型多光谱成像光学系统，属于多光谱成像技术领域，为了解决现有多光谱成像装置中所存在的问题，以满足现代多光谱成像对实时、快速、精确成像的使用需求，入射光线经过前置物镜将光线会聚成像到狭缝，再入射到准直透镜上，光线经准直透镜准直入射到分光光栅，分光光栅将光分成不同谱段的光，不同谱段的光通过同心球聚焦元件，将光谱采样转换成不同入射角的空间采样，然后光经中继成像镜组聚焦成像在CMOS探测器上，获得光谱信息；该系统的中继系统为同心球聚焦元件提供虚拟光阑，提高了同心球聚焦元件的光阑自由度，使不同角度的入射光具有相同的近轴特性，具有共光路多光轴特性，实现多光谱的凝视成像。
1.基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统，其特征是，其结构包
括：前置物镜组、准直分光镜组和多通道频-空转换采样系统，前置物镜组发出 的光经过准直分光镜组出射为平行光，平行光通过多通道频-空转换采样系统实 现多光谱成像；
前置物镜组由前置物镜（1）和狭缝（2）组成； 准直分光系统由准直透镜（3）和分光光栅（4）组成；
多通道频-空转换采样系统由同心球聚焦元件（5）、中继成像镜组（6）和 CMOS 探测器（7）组成，中继成像镜组（6）的入瞳与同心球聚焦元件（5）的 中心位置重合；
入射光线经过前置物镜（1）将光线会聚成像到狭缝（2），再入射到准直透 镜（3）上，光线经准直透镜（3）准直入射到分光光栅（4），分光光栅（4）将 光分成不同谱段的光，不同谱段的光通过同心球聚焦元件（5），将光谱采样转 换成不同入射角的空间采样，然后光经中继成像镜组（6）聚焦成像在 CMOS 探测器（7）上，获得光谱信息。
2.根据权利要求 1 所述的基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统， 其特征在于，中继成像镜组（6）在同心球聚焦元件（5）上投影形成虚拟光阑（8）。
3.根据权利要求 1 所述的基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统， 其特征在于，所述的同心球聚焦元件（5）具有多层不同折射率的同心球对称结 构。
4.根据权利要求 1 所述的基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统， 其特征在于，所述同心球聚焦元件（5）由透明光学材料制成，对于红外波段光 谱成像，同心球聚焦元件（5）由红外光学材料锗或硒化锌制成；对于可见光波 段光谱成像，同心球聚焦元件（5）由普通的透明光学材料制成；对于紫外波段 光谱成像，同心球聚焦元件（5）由紫外光学材料氟化镁或氟化钙制成。
5.根据权利要求 1 所述的基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统， 其特征在于，所述的中继成像镜组（6）和 CMOS 探测器（7）的位置与同心球聚焦元件（5）出射光的空间角度相对应，达到并行处理的目的。
基于同心球聚焦元件的多光谱成像光学系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于同心球聚焦元件的多光谱成像光学系统，属于多光谱成像技术领域。
背景技术
[0002] 随着光谱成像技术的逐渐发展，多光谱成像设备在许多领域都得到了广泛的应用。因此，如何快速、准确的得到多个不同波段的光谱图像，对于光谱成像技术的研究具有非常重要的意义。中国专利申请号为“201010190068.2”，专利名称为“多光谱面阵CCD成像仪的光学系统”，该系统由两套子系统组成，第一套子系统实现了紫外、蓝、绿、红和近红外波段的光谱信息，系统由两个透镜组和相应的探测器获得不同波段的信息并进行成像；第二套子系统采用两片锗透镜和长波红外探测器对获得的信息成像，实现长波红外波段的光谱信息；该发明采用两套光学系统实现目标在六个波段同时成像。然而，该发明仅实现在六个波段同时成像，光谱成像范围有限，同时利用多个分束镜分光将会降低光学能量利用率。
[0003] 中国专利申请号为“201510670422.4”，名称为“一种共光路小型化多光谱成像系统”，公开了一种由成像物镜、棱镜分光系统、多光谱滤光片的组合系统、探测器系统以及信号处理系统组成的实现四路光谱信号的同时获取和记录的共光路多光谱成像系统，其中棱镜分光系统包括三个分光棱镜；探测器系统包括四个探测器；多光谱滤光片组合系统包括四组滤光片组。但是这种方法的缺点主要表现为：由12个不同中心波长的滤光片获得不同波段的光谱信息，系统光谱成像范围有限；每当滤光器件获得一帧准单色图，光谱成像系统利用推扫，及改变通光参数得到特定目标或场景的光谱和空间信息牺牲了时间分辨率，实时性较差；同时镀膜工艺对多光谱成像效果影响很大。
发明内容
[0004] 本发明为了解决现有多光谱成像装置中所存在的问题，提供一种基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统，以满足现代多光谱成像对实时、快速、精确成像的使用需求。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 基于同心球聚焦元件的新型实时多光谱成像光学系统，其包括：前置物镜组、准直分光镜组和多通道频-空转换采样系统，前置物镜组发出的光经过准直分光镜组出射为平行光，平行光通过多通道频-空转换采样系统实现多光谱成像；
[0007] 前置物镜组由前置物镜和狭缝组成；
[0008] 准直分光系统由准直透镜和分光光栅组成；
[0009] 多通道频-空转换采样系统由同心球聚焦元件、中继成像镜组和CMOS探测器组成，中继成像镜组的入瞳与同心球聚焦元件的中心位置重合；
[0010] 入射光线经过前置物镜将光线会聚成像到狭缝，再入射到准直透镜上，光线经准直透镜准直入射到分光光栅，分光光栅将光分成不同谱段的光，不同谱段的光通过同心球聚焦元件，将光谱采样转换成不同入射角的空间采样，然后光经中继成像镜组聚焦成像在CMOS探测器上，获得光谱信息。
[0011] 中继成像镜组在同心球聚焦元件上投影形成虚拟光阑。
[0012] 所述的同心球聚焦元件是由多层折射率不同的透明光学材料制成的同心球，具有球对称性。
[0013] 对于红外波段光谱成像，所述同心球聚焦元件由红外光学材料锗或硒化锌制成；对于可见光波段光谱成像，所述同心球聚焦元件由普通的透明光学材料制成；对于紫外波段光谱成像，所述同心球聚焦元件由紫外光学材料氟化镁或氟化钙制成。
[0014] 所述的中继成像镜组和CMOS探测器的位置与同心球聚焦元件出射光的空间角度相对应，达到并行处理的目的。
[0015] 本发明的有益效果：
[0016] 1、该装置是多光轴系统，提高光谱分辨率。
[0017] 2、无需解算获得多光谱图像信息，实时性较高。
[0018] 3、无需利用多的分束镜进行分光，提高光学能量的利用率。
[0019] 4、可同时得到同一视场下连续性较高的多个波段的光谱图像，时效性较高。
[0020] 5、可探测的成像光谱波段数量可调，系统光谱成像范围相对现有技术有很大的提高，理论上只要技术允许可以得到想要的所有波段的光谱信息。
[0021] 6、该系统的中继系统为同心球聚焦元件提供虚拟光阑，提高了同心球聚焦元件的光阑自由度，使不同角度的入射光具有相同的近轴特性，具有共光路多光轴特性，实现多光谱的凝视成像。
附图说明
[0022] 图1为基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统的结构示意图。
[0023] 图中：1、前置物镜；2、狭缝；3、准直透镜；4、分光光栅；5、同心球聚焦元件；6、中继成像镜组；7、COMS探测器 ；8、虚拟光阑。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0025] 如图1所示，基于同心球聚焦元件的实时多光谱成像光学系统，其结构包括：前置物镜组、准直分光镜组和多通道频-空转换采样系统。前置物镜组发出的光经过准直分光镜组出射为平行光，平行光通过多通道频-空转换采样系统实现多光谱成像。
[0026] 前置物镜组由前置物镜1和狭缝2组成；
[0027] 准直分光系统由准直透镜3和分光光栅4组成；
[0028] 多通道频-空转换采样系统由同心球聚焦元件5、中继成像镜组6和CMOS探测器7组成。中继成像镜组6的入瞳与同心球聚焦元件5的中心位置重合，即虚拟光阑8位于同心球聚焦元件5的中心位置。
[0029] 入射光线经过前置物镜1将光线会聚成像到狭缝2，再入射到准直透镜3上，光线经准直透镜3准直入射到分光光栅4，分光光栅4将光分成不同谱段的光，不同谱段的光通过同心球聚焦元件5，将光谱采样转换成不同入射角的空间采样，然后光经中继成像镜组6聚焦成像在CMOS探测器7上，获得光谱信息。中继成像镜组6在同心球聚焦元件5上投影形成虚拟光阑8。
[0030] 所述的同心球聚焦元件5是由多层折射率不同的透明光学材料制成的同心球，具有球对称性。对于红外波段光谱成像，同心球聚焦元件5可由红外光学材料如锗、硒化锌等制成；对于可见光波段光谱成像，可由普通的透明光学材料制成；对于紫外波段光谱成像，可由紫外光学材料如氟化镁、氟化钙等制成。
[0031] 同心球聚焦元件5将光谱采样转换成不同入射角的空间采样，后经中继成像镜组6成像在CMOS探测器7上，利用多通道频-空转换采样系统可将光谱采样转换为出射空间角度采样，此时系统光谱分辨率由CMOS探测器7的相对夹角决定。
[0032] 所述中继成像镜组6其数量可调，数量的多少决定成像光谱的范围，也影响光谱分辨率。
[0033] 所述的中继成像镜组6和CMOS探测器7的位置与同心球聚焦元件5出射光的空间角度相对应，达到并行处理的目的。
[0034] 所述的虚拟光阑8是由中继成像镜组6在同心球聚焦元件5中投影形成的，它提高了同心球聚焦元件5的光阑自由度，使不同角度的入射光具有相同的近轴特性，具有共光路多光轴特性，实现多光谱的实时凝视成像，同时和实际光阑一样具有限制光束口径等作用。
