用于對遠(yuǎn)程目標(biāo)成像的高光譜成像系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于對遠(yuǎn)程目標(biāo)成像的高光譜成像系統(tǒng)和方法
優(yōu)先權(quán)要求
本申請根據(jù)35U.S.C.§ 120要求2013年3月13日提交的美國申請S/N13/798816的優(yōu)先權(quán)，該申請根據(jù)35U.S.C.§ 119要求2012年11月15日提交的美國臨時申請S/N61/726650的優(yōu)先權(quán)，基于其內(nèi)容并通過引用將其內(nèi)容整體結(jié)合于此。
相關(guān)專利申請
[0001]本申請與2012 年 7 月 23 日提交的且題為 “Hyperspectral Imaging System andMethod for Imaging a Remote Object (用于對遠(yuǎn)程目標(biāo)成像的高光譜成像系統(tǒng)和方法)”的先前提交的美國專利申請S/N 13/555，428有關(guān)。此相關(guān)的專利申請的內(nèi)容在此通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)(例如，感興趣的場景)的一區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)和方法。在一個方面，高光譜成像系統(tǒng)包括至少一個光學(xué)器件、可旋轉(zhuǎn)的盤(其具有形成在其中的至少一個螺旋狹縫)、光譜儀、二維圖像傳感器和控制器。在另一個方面，高光譜成像系統(tǒng)包括至少一個光學(xué)器件、可旋轉(zhuǎn)的盤(其具有形成在其中的多個直縫)、光譜儀、二維圖像傳感器和控制器。在又一方面，高光譜成像系統(tǒng)包括至少一個光學(xué)器件、可旋轉(zhuǎn)的鼓(其具有形成在其外表面中的多個狹縫以及位于其中的折疊鏡)、光譜儀、二維圖像傳感器和控制器。
背景
[0003]傳統(tǒng)的高光譜成像系統(tǒng)通常具有成像透鏡，該成像透鏡將感興趣的遠(yuǎn)程目標(biāo)的圖像形成到固定狹縫上，該固定狹縫繼之以光譜儀。光譜儀可被配置為Offner光譜儀、Dyson光譜儀或若干其它類型光譜儀中的任何一種。然而，具有固定狹縫的高光譜儀架構(gòu)局限于對來自遠(yuǎn)程目標(biāo)的單行光形成高光譜。另外，具有固定狹縫的高光譜儀架構(gòu)局限于僅填充圖像傳感器上與固定狹縫的光譜相對應(yīng)的那些像素點(diǎn)。目前有兩種已知的技術(shù)用于將來自遠(yuǎn)程目標(biāo)單行光的高光譜圖像擴(kuò)展到遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域。第一種已知技術(shù)涉及在垂直于固定狹縫的方向上移動整個高光譜成像系統(tǒng)并同步在移動過程中所采集的圖像以獲得遠(yuǎn)程目標(biāo)一區(qū)域的高光譜圖像。此技術(shù)常常被稱為“推掃式(push broom)”方法。第二種已知技術(shù)涉及在成像透鏡的前面放置旋轉(zhuǎn)鏡并接著同步在鏡子旋轉(zhuǎn)過程中所采集的圖像以獲得遠(yuǎn)程目標(biāo)一區(qū)域的高光譜圖像。雖然傳統(tǒng)的用于獲得遠(yuǎn)程目標(biāo)一區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)和這些已知技術(shù)可在一些應(yīng)用中工作良好，但仍然期望開發(fā)新的可被用于獲得遠(yuǎn)程目標(biāo)一區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]已經(jīng)在本申請的獨(dú)立權(quán)利要求中描述了用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的一區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)和方法。已經(jīng)在從屬權(quán)利要求中描述了用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的一區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)和方法的有利實(shí)施例。
[0005]在本發(fā)明的一個方面，存在用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)(以及相關(guān)聯(lián)的方法)。所述高光譜成像系統(tǒng)包括:(a)至少一個光學(xué)器件，配置成接收與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的光；(b)盤，在其中形成有螺旋狹縫，其中所述盤包括一表面，所述表面配置成從所述至少一個光學(xué)器件接收所述光，并且其中所述表面被進(jìn)一步定位在所述至少一個光學(xué)器件的像平面處；(C)致動器，用于使所述盤旋轉(zhuǎn)；(d)控制器，配置成控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使所述螺旋狹縫的第一部分被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第一光線穿過那兒；(e)光譜儀，包括至少色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第一光線并輸出第一色散光線；(f) 二維圖像傳感器，配置成接收所述第一色散光線并提供所述第一色散光線的第一二維圖像；(g)所述控制器配置成獲得所述第一二維圖像并控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使所述螺旋狹縫的第二部分被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第二光線穿過那兒；(h)所述光譜儀包括至少所述色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第二光線并輸出第二色散光線；(i)所述二維圖像傳感器配置成接收所述第二色散光線并提供所述第二色散光線的第二二維圖像；(j)所述控制器配置成獲得所述第二二維圖像；以及(k)所述控制器反復(fù)地控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使螺旋狹縫的不同部分被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的所述光相關(guān)聯(lián)的不同光線穿過那兒同時反復(fù)地從所述二維圖像傳感器中獲得不同色散光線的二維圖像并組合所述第一和第二二維圖像以及不同的二維圖像以提供所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像。
[0006]在本發(fā)明的另一個方面，存在用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)(以及相關(guān)聯(lián)的方法)。所述高光譜成像系統(tǒng)包括:(a)至少一個光學(xué)器件，配置成接收與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的光；(b)盤，在其中形成有多個直縫，其中所述盤包括一表面，所述表面配置成從至少一個前置光學(xué)器件接收所述光，并且其中所述表面被進(jìn)一步定位在所述至少一個光學(xué)器件的像平面處；(C)致動器，使所述盤旋轉(zhuǎn)；(d)控制器，配置成控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使所述多個直縫中的第一直縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第一光線穿過那兒；(e)光譜儀，包括至少色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第一光線并輸出第一色散光線；(f) 二維圖像傳感器，配置成接收所述第一色散光線并提供所述第一色散光線的第一二維圖像；(g)所述控制器配置成獲得所述第一二維圖像并控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使所述多個直縫中的第二直縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第二光線穿過那兒；(h)所述光譜儀包括至少所述色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第二光線并輸出第二色散光線；(i)所述二維圖像傳感器配置成接收所述第二色散光線并提供所述第二色散光線的第二二維圖像；(j)所述控制器配置成獲得所述第二二維圖像；以及(k)所述控制器反復(fù)地控制所述致動器以使得使所述盤旋轉(zhuǎn)以使所述多個直縫中的不同直縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的所述光相關(guān)聯(lián)的不同光線穿過那兒同時反復(fù)地從所述二維圖像傳感器中獲得不同色散光線的二維圖像并組合所述第一和第二二維圖像以及不同的二維圖像以提供所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像。
[0007]在本發(fā)明的又一方面，存在用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的高光譜成像系統(tǒng)(以及相關(guān)聯(lián)的方法)。所述高光譜成像系統(tǒng)包括:(a)至少一個光學(xué)器件，配置成接收與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的光；(b)鼓，具有形成在其表面中的至少一個狹縫以及位于其中的折疊鏡，其中旋轉(zhuǎn)鼓在其一側(cè)上具有開口，來自所述至少一個光學(xué)器件的所述光穿過所述開口并由所述折疊鏡朝向所述表面的內(nèi)部部分進(jìn)行反射，并且其中所述表面的所述內(nèi)部部分被定位在所述至少一個光學(xué)器件的像平面處；(C)致動器，使所述鼓旋轉(zhuǎn)；(d)控制器，配置成控制所述致動器以使得使所述鼓旋轉(zhuǎn)以使所述至少一個狹縫中的第一狹縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第一光線穿過那兒；(e)光譜儀，包括至少色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第一光線并輸出第一色散光線；(f) 二維圖像傳感器，配置成接收所述第一色散光線并提供所述第一色散光線的第一二維圖像；(g)所述控制器配置成獲得所述第一二維圖像并控制所述致動器以使得使所述鼓旋轉(zhuǎn)以使所述至少一個狹縫中的所述第一狹縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的第二光線穿過那兒；(h)所述光譜儀包括至少所述色散設(shè)備，所述色散設(shè)備配置成接收所述第二光線并輸出第二色散光線；(i)所述二維圖像傳感器配置成接收所述第二色散光線并提供所述第二色散光線的第二二維圖像；(j)所述控制器配置成獲得所述第二二維圖像；以及(k)所述控制器反復(fù)地控制所述致動器以使得使所述鼓旋轉(zhuǎn)以使所述至少一個狹縫中的所述第一狹縫被定位成允許與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的所述光相關(guān)聯(lián)的不同光線穿過那兒同時反復(fù)地從所述二維圖像傳感器中獲得不同色散光線的二維圖像并組合所述第一和第二二維圖像以及不同的二維圖像以提供所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像。
[0008]本發(fā)明的其它方面將在以下詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求書中部分闡述，并從詳細(xì)說明書中部分得出，或可通過本發(fā)明的實(shí)踐來了解?？梢岳斫?，以上總體描述和以下詳細(xì)描述都僅是示例性和說明性的，并不對所公開的本發(fā)明進(jìn)行限制。
【附圖說明】
[0009]結(jié)合附圖參考以下詳細(xì)說明可更完整地理解本發(fā)明，附圖中:
[0010]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有可掃描狹縫機(jī)構(gòu)的示例性高光譜成像系統(tǒng)的基本部件的圖；
[0011]圖2A-2B是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的示例性高光譜成像系統(tǒng)以及使盤關(guān)于軸旋轉(zhuǎn)的致動器的幾幅圖，其中可掃描狹縫機(jī)構(gòu)是盤(其具有形成在其中的至少一個螺旋狹縫)；
[0012]圖2C是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的使用圖2A-2B中所示的高光譜成像系統(tǒng)來提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的示例性方法的步驟的流程圖；
[0013]圖3A-3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的示例性高光譜成像系統(tǒng)以及使盤關(guān)于軸旋轉(zhuǎn)的致動器的幾幅圖，其中可掃描狹縫機(jī)構(gòu)是盤(其具有形成在其中的多個直縫)；
[0014]圖3C是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的使用圖3A-3B中所示的高光譜成像系統(tǒng)來提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的示例性方法的步驟的流程圖；
[0015]圖4A-4B是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的示例性高光譜成像系統(tǒng)以及使鼓關(guān)于軸旋轉(zhuǎn)的致動器的幾幅圖，其中可掃描狹縫機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)鼓(其具有在其表面中的至少一個直縫以及位于其中的折疊鏡)；以及
[0016]圖4C是示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的使用圖4A-4B中所示的高光譜成像系統(tǒng)來提供遠(yuǎn)程目標(biāo)的二維區(qū)域的高光譜圖像的示例性方法的步驟的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參照圖1，存在一圖，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的被配置用于提供遠(yuǎn)程目標(biāo)104的一區(qū)域的高光譜圖像102的示例性高光譜成像系統(tǒng)100的基本部件。高光譜成像系統(tǒng)100包括一個或多個光學(xué)器件106、可掃描狹縫機(jī)構(gòu)(mechanism) 108、光譜儀110、二維圖像傳感器112以及控制器114。光譜儀110可以是Offner光譜儀(所示的)、Dyson光譜儀或包含色散設(shè)備116的其它公知的光譜儀中的任何一種。例如，光譜儀110可包含色散設(shè)備116，該色散設(shè)備116被配置為棱鏡116，對應(yīng)于基于折射的光譜成像組件?；蛘?，光譜儀110可包含色散設(shè)備116，該色散設(shè)備116被配置為衍射光柵116，對應(yīng)于基于衍射的光譜成像組件(所示的)。此外，高光譜成像系統(tǒng)100可包括外殼118，該外殼118封圍并支撐光學(xué)器件106、可掃描狹縫機(jī)構(gòu)108、光譜儀110以及二維圖像傳感器112。在此示例中，控制器114被示為被定位在外殼118的外面但仍然可操作地耦合至光學(xué)器件106 (為了使光學(xué)器件106聚焦)、可掃描狹縫機(jī)構(gòu)108以及二維圖像傳感器112。高光譜成像系統(tǒng)100可包含對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的其它部件，但為了清晰起見，在這里將只詳細(xì)討論那些對于解釋本發(fā)明有需要的部件106、108、110、112、114、116和118。
[0018]高光譜成像系統(tǒng)100被定位成使得光學(xué)器件106接收來自遠(yuǎn)程目標(biāo)104的光115a并且被配置成將表示遠(yuǎn)程目標(biāo)104的像107的聚焦光115b引導(dǎo)在可掃描狹縫機(jī)構(gòu)108上。可掃描狹縫機(jī)構(gòu)108被定位成使得接收來