光学多路复用成像系统及操作方法技术方案

本发明专利技术描述一种光学多路复用器，其用于增加至少两个视野上的光学数据收集效率。所述光学多路复用器包含：第一光径，其用于从第一视野操作地接收光学数据；以及至少一个光束偏转系统，其用于从至少一第二视野操作地接收光学数据。所述光学多路复用器还包含光学链，其用于将穿过所述光学链的所述光学数据聚焦到焦平面阵列的邻近部分上。本发明专利技术提供多处改进，包含扩大的轨迹交叉刈幅、较高的空间分辨率、每一帧上的实时参考的成像、沿单独路径的重合成像、立体成像和成像功能性的其它增加。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术描述一种光学多路复用器(opticalmultiplexer),其用于增加至 少两个视野上的光学数据收集效率。所述光学多路复用器包含第一光 径，其用于从第一视野操作地接收光学数据；以及至少一个光束偏转系 统，其用于从至少一第二视野操作地接收光学数据。所述光学多路复用 器还包含光学链(optical train),其用于将来自上述光径的光学数据聚焦 到焦平面传感器阵列的邻近部分上。在各个实施例中，本专利技术实现扩大 的轨迹交叉刈幅(across-track swaths)、较高的空间分辨率、每一帧上的 实时参考的成像、沿单独路径的重合成像、立体成像和成像功能性中的 其它改进。
技术介绍
不同的成像器系统是众所周知的用于收集和处理光学数据的系统。 已知的成像器系统包含所谓的"推扫式"、"掸扫式"和"帧"成像器。 在此文献内，"光学数据"意指电磁辐射，所述电磁辐射采取具有在从紫 外线到红外线范围内的波长的电磁射线的形式。推扫式成像器在远程感测仪器设备中广泛使用。通常在被成像的区 域与成像器之间存在相对运动的情形下使用这些成像器。可通过将成像 器安装在车辆、航空器或卫星上，并在成像器被定向的情况下横穿所关 注的区域，使得所关注区域穿过成像器的视野，来提供此类运动。或者， 成像器可以是固定的，且所关注区域移动穿过成像器的视野(例如在传 送带上)。成像的典型结果是产生条带状图像，通过以与成像器与所关注 区域之间的相对运动的轨迹近似成直角的关系一次对视野内的一整个线 或可能一连串连续的线进行成像来产生所述条带状图像。相比而言，掸扫式成像器一次对单个点进行成像，且以直角将此点 扫描到轨迹，以建立行式图像。帧成像器沿所述轨迹收集一连串固定帧 二维图像。推扫式成像器可在成像器的焦平面中利用一个或一个以上传感器， 所述焦平面由感测像素的线性阵列或感测像素的二维阵列组成。线性或二维阵列可统称为"焦平面阵列"(FPA)。通常，摄谱仪推扫式成像器具有较窄的狭缝，所述狭缝通常安装在 光学链的图像平面处，使得只有视野的较窄部分(通常与摄谱仪和被成 像的区域之间的相对运动的方向成直角)穿过所述狭缝进入第二光学链 (含有光谱色散光学元件)，且到达焦平面阵列(通常为二维焦平面阵列) 上。此经过狭缝的较窄空间区域通常被称为"轨迹交叉线图像)。二维焦 平面阵列通常经定向以使得摄谱仪推扫式成像器的光学元件使轨迹交叉 线图像沿所述阵列的一个轴线对准，且使来自此图像的光沿所述阵列的 另一正交("列")轴线在光谱上以直角色散。因此，传感器的每一"行" 暴露于来自地面(或另一所关注的区域)上的同一轨迹交叉线图像的视 野但具有不同波长的光。类似地，传感器的每一列记录轨迹交叉线图像 内的给定点的光谱。轨迹交叉线图像的光谱上色散的光能量或光学数据产生焦平面阵列 的每一暴露像素中的信息的可测量变化。通常，由与成像器相关联的电子设备在某一所需积分时间读出每一像素或像素的每一组合中的信息的 可测量变化。取样模式和积分时间的长度可根据具体仪器设计和针对特 定测量所选择的操作参数而改变。当多个光谱上色散的轨迹交叉线图像 被读出并记录在合适的记录媒体上时，产生由多个轨迹交叉线图像观看 的整个区域的"光谱图像"。在此描述内容的上下文中，"行"和"列" 的定义是按照惯例，且与本专利技术的本质无关。通常，与焦平面阵列的一个空间列相关联的个别光谱值的数目比定 义成像器的轨迹交叉刈幅所需的空间列的数目小得多。通过使来自景象中的任何给定点的可用辐射在与光谱带一样多的不同行上扩展，来实现 光谱分辨率的增加。较大数目的光谱带导致较弱的信号，使得必须在光 谱分辨率与信噪比之间进行权衡，其(部分地)由撞击每一像素的能量 的量控制。此权衡通常表示所需的光谱带(行)的数目常远小于典型传 感器焦平面阵列上沿光谱轴线(其通常被选择为矩形焦平面阵列中的两 个尺寸中的较小者)的行的可用数目。因此，从推扫式成像器可用的轨迹交叉像素的数目通常受商业上可 购得的焦平面传感器阵列的像素布置限制。此焦平面传感器阵列通常被 设计成用于二维景象成像，且趋向于在行和列上具有近似相等的尺寸。 相反，用于成像光谱学的理想传感器的列(空间信息)的数目与其行(光 谱信息)的数目相比非常大。因此，推扫式成像光谱仪的当前设计可未 充分利用焦平面行(用于光谱尺寸)，且缺乏所需数目的列(用于轨迹交 叉空间尺寸)。可通过设计专门的定制传感器阵列来减轻焦平面阵列的这种不良利 用。然而，专门的定制传感器阵列的生产成本可非常高，其趋向于与提 供商业上可行的推扫式成像仪器的目的相悖，且另外通常由于制造限制 的缘故而在阵列的最大尺寸方面存在实际约束。此"标准"焦平面几何形状的最终结果是所需的空间分辨率可能要 折衷。由于有限的刈幅宽度的缘故，受到折衷的空间分辨率将因此使覆 盖区域所需要的单独经过所关注景象上方的所需次数增加。经过次数的 增加使获取此图像的时间和成本增加。此外，即使具有较大数目的空间像素的焦平面阵列是可用的，标准 设计也将导致需要增加尺寸的光学组件，以容纳较大的图像尺寸，从而 实质上导致光学器件的更大尺寸和成本。因此，己经需要一种系统，其允许光学焦平面的更有效使用。具体 地说，已经需要产生一种"虚拟"焦平面阵列，其轨迹交叉空间像素(列) 的数目比光谱方向(行)上的像素的数目多得多，同时仍采用与原始图像格式一致的光学器件。另外，已经需要实现系统光学器件的有效使用 的成像系统，其使得能收集来自一个或一个以上视野的光学数据，其中 来自每一视野的光学数据穿过共同光学链，以便使光学组件的物理尺寸 减到最小。类似地，非摄谱仪推扫式成像器中也存在相同的问题。在可见和近 红外波长范围内，存在具有数千个像素的较长线性传感器阵列的现成供 应。对于此波长范围，这些较长的线性阵列可解决如上文所述的问题， 以提供较宽(高分辨率)刈幅。然而，较佳的传感器可用性并不解决对 较大光学元件容纳这些较长线性阵列的相伴需要的问题。对于经设计以用于光谱的其它部分(例如，短波和热红外)的非摄 谱仪推扫式图像，最经济的传感器可能是具有近似相等数目的行和列的 二维阵列。对于这些波长范围，类似地，己经需要产生"虚拟"焦平面 阵列，其实质上大于所述阵列的最大物理尺寸。类似地，尽管摄谱仪成像器通常采用单个狭缝，且接着通过波长色 散光学器件将所述狭缝成像到传感器阵列上，但某些类型的摄谱仪光学 器件可以同一方式对多个并行狭缝起作用。在这些成像器中，在焦平面 中产生多个光谱，所述光谱根据所述狭缝的间隔与所述狭缝成直角而移 位。在此情况下，仅有必要使狭缝充分分隔，以避免光谱的重叠。因此， 还需要改进的成像系统，其实现利用多个狭缝的摄谱仪成像系统中的光 学焦平面的有效使用。现有技术的回顾表明过去的系统尚未提供对上述问题的有效解决方案。第5,936，771号美国专利描述窄和宽视野前视红外(FLIR)光学器 件，其在不同视野之间进行机械切换。第6,903,343号美国专利描述一种轻便激光指定器测距仪FLIR光学 器件系统。这是一种复杂的系统，其对从单个孔径传入的辐射进行划分， 并使其穿过单独的光学器件，到达两个不同的传感器上，以给出宽和窄视野。此专利描述一种系统，其中从单个景象传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学多路复用器，其用于增加在两个或两个以上视野上同时接收的光学数据收集效率，所述光学多路复用器包括：　第一光径，其用于操作地接收来自第一视野的光学数据；　第二光径，其具有第二光径光束偏转系统，所述第二光径光束偏转系统用于操作地接收来自第二视野的光学数据，所述第一光径和第二光径光束偏转系统用于引导来自所述第一和第二视野的所述光学数据穿过共同光学链，所述光学链用于将穿过所述光学链的所述光学数据聚焦到一个或一个以上焦平面阵列的不同部分上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬艾查尔，克利福德D安吉尔，
申请(专利权)人：ITRES研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]