用于对远程目标成像的高光谱成像系统和方法
【专利说明】用于对远程目标成像的高光谱成像系统和方法
优先权要求
本申请根据35U.S.C.§ 120要求2013年3月13日提交的美国申请S/N13/798816的优先权，该申请根据35U.S.C.§ 119要求2012年11月15日提交的美国临时申请S/N61/726650的优先权，基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。
相关专利申请
[0001]本申请与2012 年 7 月 23 日提交的且题为 “Hyperspectral Imaging System andMethod for Imaging a Remote Object (用于对远程目标成像的高光谱成像系统和方法)”的先前提交的美国专利申请S/N 13/555，428有关。此相关的专利申请的内容在此通过引用结合于此。
技术领域
[0002]本发明涉及用于提供远程目标(例如，感兴趣的场景)的一区域的高光谱图像的高光谱成像系统和方法。在一个方面，高光谱成像系统包括至少一个光学器件、可旋转的盘(其具有形成在其中的至少一个螺旋狭缝)、光谱仪、二维图像传感器和控制器。在另一个方面，高光谱成像系统包括至少一个光学器件、可旋转的盘(其具有形成在其中的多个直缝)、光谱仪、二维图像传感器和控制器。在又一方面，高光谱成像系统包括至少一个光学器件、可旋转的鼓(其具有形成在其外表面中的多个狭缝以及位于其中的折叠镜)、光谱仪、二维图像传感器和控制器。
背景
[0003]传统的高光谱成像系统通常具有成像透镜，该成像透镜将感兴趣的远程目标的图像形成到固定狭缝上，该固定狭缝继之以光谱仪。光谱仪可被配置为Offner光谱仪、Dyson光谱仪或若干其它类型光谱仪中的任何一种。然而，具有固定狭缝的高光谱仪架构局限于对来自远程目标的单行光形成高光谱。另外，具有固定狭缝的高光谱仪架构局限于仅填充图像传感器上与固定狭缝的光谱相对应的那些像素点。目前有两种已知的技术用于将来自远程目标单行光的高光谱图像扩展到远程目标的二维区域。第一种已知技术涉及在垂直于固定狭缝的方向上移动整个高光谱成像系统并同步在移动过程中所采集的图像以获得远程目标一区域的高光谱图像。此技术常常被称为“推扫式(push broom)”方法。第二种已知技术涉及在成像透镜的前面放置旋转镜并接着同步在镜子旋转过程中所采集的图像以获得远程目标一区域的高光谱图像。虽然传统的用于获得远程目标一区域的高光谱图像的高光谱成像系统和这些已知技术可在一些应用中工作良好，但仍然期望开发新的可被用于获得远程目标一区域的高光谱图像的高光谱成像系统。
【发明内容】
[0004]已经在本申请的独立权利要求中描述了用于提供远程目标的一区域的高光谱图像的高光谱成像系统和方法。已经在从属权利要求中描述了用于提供远程目标的一区域的高光谱图像的高光谱成像系统和方法的有利实施例。
[0005]在本发明的一个方面，存在用于提供远程目标的二维区域的高光谱图像的高光谱成像系统(以及相关联的方法)。所述高光谱成像系统包括:(a)至少一个光学器件，配置成接收与所述远程目标相关联的光；(b)盘，在其中形成有螺旋狭缝，其中所述盘包括一表面，所述表面配置成从所述至少一个光学器件接收所述光，并且其中所述表面被进一步定位在所述至少一个光学器件的像平面处；(C)致动器，用于使所述盘旋转；(d)控制器，配置成控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使所述螺旋狭缝的第一部分被定位成允许与所述远程目标相关联的第一光线穿过那儿；(e)光谱仪，包括至少色散设备，所述色散设备配置成接收所述第一光线并输出第一色散光线；(f) 二维图像传感器，配置成接收所述第一色散光线并提供所述第一色散光线的第一二维图像；(g)所述控制器配置成获得所述第一二维图像并控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使所述螺旋狭缝的第二部分被定位成允许与所述远程目标相关联的第二光线穿过那儿；(h)所述光谱仪包括至少所述色散设备，所述色散设备配置成接收所述第二光线并输出第二色散光线；(i)所述二维图像传感器配置成接收所述第二色散光线并提供所述第二色散光线的第二二维图像；(j)所述控制器配置成获得所述第二二维图像；以及(k)所述控制器反复地控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使螺旋狭缝的不同部分被定位成允许与所述远程目标的所述光相关联的不同光线穿过那儿同时反复地从所述二维图像传感器中获得不同色散光线的二维图像并组合所述第一和第二二维图像以及不同的二维图像以提供所述远程目标的二维区域的高光谱图像。
[0006]在本发明的另一个方面，存在用于提供远程目标的二维区域的高光谱图像的高光谱成像系统(以及相关联的方法)。所述高光谱成像系统包括:(a)至少一个光学器件，配置成接收与所述远程目标相关联的光；(b)盘，在其中形成有多个直缝，其中所述盘包括一表面，所述表面配置成从至少一个前置光学器件接收所述光，并且其中所述表面被进一步定位在所述至少一个光学器件的像平面处；(C)致动器，使所述盘旋转；(d)控制器，配置成控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使所述多个直缝中的第一直缝被定位成允许与所述远程目标相关联的第一光线穿过那儿；(e)光谱仪，包括至少色散设备，所述色散设备配置成接收所述第一光线并输出第一色散光线；(f) 二维图像传感器，配置成接收所述第一色散光线并提供所述第一色散光线的第一二维图像；(g)所述控制器配置成获得所述第一二维图像并控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使所述多个直缝中的第二直缝被定位成允许与所述远程目标相关联的第二光线穿过那儿；(h)所述光谱仪包括至少所述色散设备，所述色散设备配置成接收所述第二光线并输出第二色散光线；(i)所述二维图像传感器配置成接收所述第二色散光线并提供所述第二色散光线的第二二维图像；(j)所述控制器配置成获得所述第二二维图像；以及(k)所述控制器反复地控制所述致动器以使得使所述盘旋转以使所述多个直缝中的不同直缝被定位成允许与所述远程目标的所述光相关联的不同光线穿过那儿同时反复地从所述二维图像传感器中获得不同色散光线的二维图像并组合所述第一和第二二维图像以及不同的二维图像以提供所述远程目标的二维区域的高光谱图像。
[0007]在本发明的又一方面，存在用于提供远程目标的二维区域的高光谱图像的高光谱成像系统(以及相关联的方法)。所述高光谱成像系统包括:(a)至少一个光学器件，配置成接收与所述远程目标相关联的光；(b)鼓，具有形成在其表面中的至少一个狭缝以及位于其中的折叠镜，其中旋转鼓在其一侧上具有开口，来自所述至少一个光学器件的所述光穿过所述开口并由所述折叠镜朝向所述表面的内部部分进行反射，并且其中所述表面的所述内部部分被定位在所述至少一个光学器件的像平面处；(C)致动器，使所述鼓旋转；(d)控制器，配置成控制所述致动器以使得使所述鼓旋转以使所述至少一个狭缝中的第一狭缝被定位成允许与所述远程目标相关联的第一光线穿过那儿；(e)光谱仪，包括至少色散设备，所述色散设备配置成接收所述第一光线并输出第一色散光线；(f) 二维图像传感器，配置成接收所述第一色散光线并提供所述第一色散光线的第一二维图像；(g)所述控制器配置成获得所述第一二维图像并控制所述致动器以使得使所述鼓旋转以使所述至少一个狭缝中的所述第一狭缝被定位成允许与所述远程目标相关联的第二光线穿过那儿；(h)所述光谱仪包括至少所述色散设备，所述色散设备配置成接收所述第二光线并输出第二色散光线；(i)所述二维图像传感器配置成接收所述第二色散光线并提供所述第二色散光线的第二二维图像；(j)所述控制器配置成获得所述第二二维图像；以及(k)所述控制器反复地控制所述致动器以使得使所述鼓旋转以使所述至少一个狭缝中的所述第一狭缝被定位成允许与所述远程目标的所述光相关联的不同光线穿过那儿同时反复地从所述二维图像传感器中获得不同色散光线的二维图像并组合所述第一和第二二维图像以及不同的二维图像以提供所述远程目标的二维区域的高光谱图像。
[0008]本发明的其它方面将在以下详细描述、附图和权利要求书中部分阐述，并从详细说明书中部分得出，或可通过本发明的实践来了解。可以理解，以上总体描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，并不对所公开的本发明进行限制。
【附图说明】
[0009]结合附图参考以下详细说明可更完整地理解本发明，附图中:
[0010]图1是示出了根据本发明的实施例的具有可扫描狭缝机构的示例性高光谱成像系统的基本部件的图；
[0011]图2A-2B是示出了根据本发明的第一实施例的示例性高光谱成像系统以及使盘关于轴旋转的致动器的几幅图，其中可扫描狭缝机构是盘(其具有形成在其中的至少一个螺旋狭缝)；
[0012]图2C是示出了根据本发明的第一实施例的使用图2A-2B中所示的高光谱成像系统来提供远程目标的二维区域的高光谱图像的示例性方法的步骤的流程图；
[0013]图3A-3B是示出了根据本发明的第二实施例的示例性高光谱成像系统以及使盘关于轴旋转的致动器的几幅图，其中可扫描狭缝机构是盘(其具有形成在其中的多个直缝)；
[0014]图3C是示出了根据本发明的第二实施例的使用图3A-3B中所示的高光谱成像系统来提供远程目标的二维区域的高光谱图像的示例性方法的步骤的流程图；
[0015]图4A-4B是示出了根据本发明的第三实施例的示例性高光谱成像系统以及使鼓关于轴旋转的致动器的几幅图，其中可扫描狭缝机构是旋转鼓(其具有在其表面中的至少一个直缝以及位于其中的折叠镜)；以及
[0016]图4C是示出了根据本发明的第三实施例的使用图4A-4B中所示的高光谱成像系统来提供远程目标的二维区域的高光谱图像的示例性方法的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0017]参照图1，存在一图，该图示出了根据本发明的实施例的被配置用于提供远程目标104的一区域的高光谱图像102的示例性高光谱成像系统100的基本部件。高光谱成像系统100包括一个或多个光学器件106、可扫描狭缝机构(mechanism) 108、光谱仪110、二维图像传感器112以及控制器114。光谱仪110可以是Offner光谱仪(所示的)、Dyson光谱仪或包含色散设备116的其它公知的光谱仪中的任何一种。例如，光谱仪110可包含色散设备116，该色散设备116被配置为棱镜116，对应于基于折射的光谱成像组件。或者，光谱仪110可包含色散设备116，该色散设备116被配置为衍射光栅116，对应于基于衍射的光谱成像组件(所示的)。此外，高光谱成像系统100可包括外壳118，该外壳118封围并支撑光学器件106、可扫描狭缝机构108、光谱仪110以及二维图像传感器112。在此示例中，控制器114被示为被定位在外壳118的外面但仍然可操作地耦合至光学器件106 (为了使光学器件106聚焦)、可扫描狭缝机构108以及二维图像传感器112。高光谱成像系统100可包含对于本领域技术人员而言是公知的其它部件，但为了清晰起见，在这里将只详细讨论那些对于解释本发明有需要的部件106、108、110、112、114、116和118。
[0018]高光谱成像系统100被定位成使得光学器件106接收来自远程目标104的光115a并且被配置成将表示远程目标104的像107的聚焦光115b引导在可扫描狭缝机构108上。可扫描狭缝机构108被定位成使得接收来