CN106105189A - 包括滤光轮的多光谱图像采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到包括滤光轮(4)和图像传感器的一种多光谱图像采集设备。滤光器(41‑46)的位置靠近用于形成图像的光束的聚焦面，而且滤光器中的至少一个比图像传感器的光场角度更窄。因此有利于滤光器的生产。有利的是，滤光器在轮中更靠近彼此，以便多个滤光器同时处于传感器的光场中。与每个滤光器覆盖传感器整个光场的情况相比，能够更快地采集每个多光谱图像。

Description

包括滤光轮的多光谱图像采集设备

技术领域

本发明涉及到包括滤光轮的多光谱图像采集设备，以及用于收集多光谱图像的方法。

背景技术

现有多种利用单一图像采集设备采集多光谱图像的方法。其中一种方法包括利用多个光谱滤光器，沿着光束路径交替地插入，所述光束用于形成所采集的图像。这种多光谱图像采集设备通常包括：

-成像光学系统，适合在聚焦面中形成图像；

-至少一个二维图像传感器，包括由外围轮廓限定的、位于聚焦面内的光敏面；

-滤光轮，包括多个光谱滤光器，两个相邻滤光器之间没有重叠；以及

-驱动系统，该驱动系统被设置成，以便使轮围绕旋转轴旋转，从而把每个滤光器带入光束中。

通常，放置滤光轮，以便把滤光器带入成像光学系统的光瞳中。但是还已知放置轮，以便把滤光器保持在光束的聚焦平面中。这种聚焦平面可与一个中间图像相对应，所述中间图像是由成像光学系统形成的。在这种情况下，聚焦平面通常被称为中间图像平面。通常，滤光器并不是恰好位于中间图像平面中，而是接近该平面，以免滤光器上存在的缺陷清晰地出现在所采集的图像中。作为选择，聚焦平面可以是图像传感器的光敏面所在的聚焦面。于是，滤光轮位于十分靠近光敏面的位置，但是留有中间空间，以免滤光器在光敏面上摩擦。对于本发明之前存在的这种设备，由传感器采集每个图像，同时，单独一个滤光器覆盖其整个光敏面，或者覆盖与图像传感器整个光敏面光学共轭的整个部分中间图像平面。然后，轮的旋转把每个滤光器相继带入该位置。

图1和图2显示了这样的设备，这些图中所示的参考号的含义如下：

10 多光谱图像采集设备

1 物镜

2 二次成像系统

Z-Z 多光谱图像采集设备的光轴

L 形成采集的图像的光束

3 图像传感器

31 图像传感器3的感光像素，与图像传感器每次曝光过程中单独获取的像素相对应

C3 图像传感器3光敏面的外围轮廓

FP 图像传感器3光敏面所在的成像光学系统的聚焦面

IP 中间图像平面，相对于聚焦面FP而言，构成光束L的一个附加聚焦平面

30 通过二次成像系统2与图像传感器3整个光敏面光学共轭的中间图像平面IP的部分

C30 中间图像平面IP的部分30的外围界限

4 滤光轮

A-A 滤光轮4的旋转轴

5 用于驱动轮4旋转的系统

41-46 轮4支撑的光谱滤光器，例如，数量为六个

物镜1和二次成像系统2一起构成成像光学系统。可以沿着光轴Z-Z定该光学系统的中心。对于用这种方式构成的成像光学系统，物镜1在平面IP中形成一个中间图像，该中间图像的场景包含在该光学系统的输入场中，然后，二次成像系统2反过来通过这个中间图像在聚焦面FP中形成由传感器3采集的最终图像。传感器3光敏面的外围轮廓C3通过二次成像系统2与中间图像平面IP内的界限C30光学共轭。轮4位于靠近中间图像平面IP的位置，轮的旋转轴A-A与光轴Z-Z平行。在本发明以前已知的设备中，对于轮4围绕轴A-A的某些预定位置而言，滤光器41-46其中之一完全覆盖位于界限C30内的中间平面IP的部分30。图2显示了处于一定位置的轮4，滤光器41在该位置对于传感器3采集的图像起作用。轮4充分旋转使之能够在这个位置用其它滤光器42-46其中之一代替滤光器41。因此，可以相继采集同一场景的六个图像，所述场景包含在成像光学系统的输入场中，从而构成该场景的具有六个光谱分量的一个多光谱图像。

在本说明书的其余部分，“图像”的意思是感光像素31的一组读值，是由图像传感器3的所有感光像素31的单次曝光产生的。“光谱图像”一词具体是指多光谱图像的每个光谱分量。在根据图1和图2的多光谱图像采集设备中，每个图像都刚好是一个光谱图像。

但是，这种多光谱图像采集设备有下列缺点：

-每个滤光器的表面都相当大，表面积越大，生产光学质量充足、没有点缺陷而且其滤光特性均匀的滤光器就越难，而且越昂贵；

-采集一个完整的多光谱图像的周期无法缩短到低于滤光轮的转速所施加的最低周期，所述完整的多光谱图像是由针对滤光轮不同位置的多次光谱图像采集构成的。但是，利用更迅速的，并且因此动力更强的驱动系统导致震动更大，由此产生其本身的问题；

-放在轮中的滤光器的数量受其大小限制，较大的轮还需要增加驱动系统的动力，以便使轮以保持恒定的角速度旋转；

-采集高清晰度图像需要使用光敏面较大的传感器。于是，滤光器本身必须更大，结果，支撑所述滤光器的轮也必须如此；

-更重要的是，采集高清晰度图像需要减少设备振动，尤其是驱动系统使滤光轮旋转时产生的振动。因此这一要求看似与增加驱动系统的动力相悖；

-开发多光谱成像任务，尤其是在空间成像领域中，有助于增加滤光器的数量；而且

-寻求采集多光谱图像的可能最短的总周期，既为了增加多光谱图像采集的频率，又为了减少由于设备移动导致或者由于采集的场景中出现的活动元素导致的伪影。

发明内容

从这种情况以及多光谱成像领域的新需求出发，本发明的一个目的是减少现有技术的设备的前述缺点和限制。

更具体而言，本发明的第一个目的是增加由轮支撑的滤光器的数量，而不把轮的大小增加到像现有技术已知的滤光轮一样大。

本发明的第二个具体目的是使得滤光轮能够更迅速地旋转，而无需明显增加其驱动系统的动力。

本发明的第三个具体目的是使之能够更迅速地采集连续的多光谱图像。

最后，本发明的第四个目的是缩短两个光谱图像采集时间之间的有效周期，所述两个光谱图像是同一个多光谱图像的一部分，从而减少为了在成像光学系统的输入场中移动对象而出现的色彩伪影。

为了实现这些目的中的至少一个目的或其它目的，本发明的第一方面提出改造上文所述的多光谱图像采集设备，其中，由轮平行地支撑滤光器，使其靠近聚焦面或成像光学系统的中间图像平面。根据本发明介绍的改造，滤光器中的至少一个，被称为角域狭窄的滤光器，当滤光器靠近聚焦面时，其角度延伸小于图像传感器光敏面的角度延伸。作为选择，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于通过成像光学系统的二次成像部分与整个光敏面光学共轭的一部分中间图像平面的角度延伸。为此目的，相对于轮的旋转轴测量角度延伸。

换言之，采集图像时，由轮支撑的至少一个滤光器不覆盖整个图像传感器光场。因此缩小了该滤光器的表面积，所以对于滤光器的相同光学质量要求而言，促进了其生产，并减少了其成本。实际上，相对于分别覆盖整个图像传感器的光场的滤光器而言，生产没有点缺陷、平整度缺陷以及光谱滤光不均匀性的尺寸较小的滤光器更容易。

优选的是，角域狭窄的滤光器可位于其它两个滤光器之间的轮中，并与之靠近，以至于对于轮围绕旋转轴的任何位置而言，至少一部分角域狭窄的滤光器对包含在图像传感器光敏面的外围轮廓内的一部分图像有效，于是，其它两个滤光器中至少一个滤光器的一部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的同一个图像另一部分有效。换言之，多个滤光器的部分同时位于图像传感器的光场内。在传感器一次曝光过程中采集的图像因此包含通过一个滤光器采集的该图像的一部分，以及通过另一滤光器采集的这同一个图像的至少另一部分。通过把与该滤光器有关的、而且在图像传感器连续曝光过程中采集的图像的部分结合在一起，可以重新构建由单独一个滤光器均匀过滤的一个完整的光谱图像。

优选的是，角域狭窄的滤光器的角度延伸以及其它两个滤光器的各自角度延伸能够使得轮围绕旋转轴的至少一个位置、角域狭窄的滤光器与其它两个滤光器的各自部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的图像的三个单独部分有效。更普遍而言，更可取的是，数量更多的滤光器的各自部分可同时处于检测器的光场中，从而缩小每个滤光器的单个尺寸。此外，有利的是，使滤光器在轮中更靠近彼此，使两个相邻滤光器之间的轮的区域最小，从而在每次曝光过程中，减少被没有滤光器的轮的区域所掩盖的图像传感器的光场的部分。

如此设置滤光器能够使其更靠近轮的旋转轴，所以轮可以更小、更轻。对于驱动轮旋转的系统的相同动力而言，可以旋转地更快，或者旋转驱动系统可以做得更小，同时仍保持滤光轮的相同转速。

在本发明的简单实施例中，相对于轮的旋转轴而言，以及对于该旋转轴的相同径向距离而言，角域狭窄的滤光器以及在轮中与其相邻的其它两个滤光器的各自角度延伸可以相等。

在本发明的某些实施例中，可调整驱动系统，以便把轮带入围绕旋转轴的连续位置，而且以便在图像传感器的至少一个曝光周期期间，使其分别固定在这些位置。

在本发明的其它实施例中，可以调整驱动系统，以便在由图像传感器连续采集几个图像的同时，使轮连续旋转。在这种情况下，当图像传感器包括多个单独的感光像素时，分别调整每个感光像素，以便按照采集顺序运行，所述采集顺序至少相继包括信号积累的一个阶段以及读取积累的信号的一个阶段，那么角域狭窄的滤光器的角度延伸则可有利地大于在采集顺序的整个周期与额外的积累阶段的周期的总和周期过程中由轮所形成的旋转角。因此，图像传感器的每个感光像素都能单独执行至少一次完整的像素值采集顺序，同时通过角域狭窄的滤光器将该像素曝光于光束。

在本发明的各个实施例中，可以单独地或相结合进行以下改进。

-角域狭窄的滤光器可具有分别相对于轮的旋转轴径向延伸的两条直边。于是有助于从开始生产的一张较大滤板上将其剪下；

-轮可具有分别与三个不同的光谱滤波窗口相对应的至少三个滤光器；

-滤光器可构成多个相同的组。在这种情况下，单独一组的滤光器可在轮中全部相邻，以便把每组滤光器容纳在轮的一个扇区中，而不插入属于其它组的滤光器；

-设备可包括指示出轮围绕旋转轴的位置的一个系统；

-轮可包括由相邻两个滤光器共享的一个标记，以便该标记的位置出现在采集的图像中，而这两个相邻滤光器的各自部分同时对包含在图像传感器光敏面的外围轮廓内的图像的单独部分起作用；而且

-驱动系统以及图像传感器的控制器可适于使由传感器连续采集的两个图像在通过单独一个滤光器采集的这些图像的各个部分之间有所重叠。

设备可包括重建光谱图像的单元，适于产生分别与图像传感器的整个光敏面相对应的光谱图像，每个光谱图像都是在至少两次不同曝光过程中通过单独一个滤光器由图像传感器采集的图像各部分并置产生的，在所述曝光过程中轮旋转。这种重建单元的位置可靠近图像传感器，通过物理连接使其彼此相连。作为选择，可通过无线传输系统使重建光谱图像的单元远离图像传感器，所述无线传输系统用于在图像传感器与重建单元之间传输图像。

根据本发明的设备特别能被用于空间成像用途。在这种情况下，其可适于被装载在飞机、宇宙飞船或卫星上。

根据本发明的设备可适于获取彩色图像。通过使通过宽光谱窗口采集的全色图像与通过窄光谱窗口采集的图像相结合创建这种彩色图像，所述窄光谱窗口包含在宽窗口内。为此目的，由轮支撑的、分别与三个不同光谱滤波窗口相对应的三个滤光器是上文提到的角域狭窄的滤光器以及所述的其它两个滤光器。于是，轮包括至少一个附加光谱滤光器，所述附加光谱滤光器具有宽光谱窗口，该宽光谱窗口包括角域狭窄的滤光器的光谱窗口以及所述其它两个滤光器的光谱窗口。当滤光器靠近聚焦面时，该附加光谱滤光器本身的角度延伸大于图像传感器光敏面的角度延伸，或者大于通过成像光学系统的二次成像部分与整个光敏面光学共轭的中间图像平面部分的角度延伸，附加光谱滤光器的角度延伸也是相对于轮的旋转轴测量的。附加光谱滤光器是全色滤光器，而且因此可以在由图像传感器执行的单个采集顺序过程中，在轮固定不动时，采集每个全色图像。

本发明的第二方面提出用于收集多光谱图像的方法，包括在地球上安装的站点接收图像数据，所述图像数据与由根据本发明的第一方面的设备采集的图像相关，采集图像时，该设备装载在飞行中的飞机、位于太空的宇宙飞船或者在轨道上的卫星上。然后，通过电磁辐射或者通过激光信号把图像数据从飞机、宇宙飞船或卫星传输到地球上的站点。

这种收集方法可包括重建光谱图像的步骤，所述光谱图像一起构成多光谱图像。在这个重建步骤过程中，与图像传感器整个光敏面相对应的每个光谱图像都是在至少两次不同曝光过程中通过单独一个滤光器由图像传感器采集的图像各部分并置产生的，在所述曝光过程中轮旋转。可以在飞机、宇宙飞船或卫星上实施这个重建步骤，但是，可优先地在地球上通过在站点接收的图像数据实施所述重建步骤。

最后，为了得到彩色图像，除了上文根据本发明介绍的具有窄光谱窗口的三个滤光器外，轮还装有一个全色滤光器。该方法还包括一个着色步骤，在着色过程中，分别通过角域狭窄的滤光器以及所述其它两个滤光器采集的光谱图像与通过附加光谱滤光器采集的图像相结合。因此，得到一个丰富图像，称之为彩色图像，该丰富图像的观察者可直接看到该丰富图像的光谱信息。

附图说明

通过非限制性实施例的如下描述，结合附图，本发明的其他特征和优点显而易见，在附图中：

-图1，如前所述，用图解法展示了本发明之前已知的一种多光谱图像采集设备，可根据本发明对其进行改动；

-图2，如前所述，展示了本发明之前已知的一种滤光轮；

-图3a至图3d展示了根据本发明的四个滤光轮；以及

-图4显示了根据本发明的多光谱图像采集设备的一种可能的用途。

具体实施方式

清晰起见，各图中所示的元件尺寸既不与实际尺寸相对应，也不与实际尺寸之间的关系相对应。此外，各图中所示的相同附图标记指代相同的元件或者具有相同功能的元件。

在图1所示的多光谱图像采集设备10中，可以用图3a至图3c中的一个轮代替图2中的滤光轮，以便应用本发明。

可以理解，尽管以单透镜的形式分别展示了物镜1和二次成像系统2，但其可以以基于一个或多个透镜、一个或多个镜子或者可能是至少一个透镜与至少一个镜子的组合的任何方式构成。

例如，图3a中的轮4可用于图1的设备中。它包括标为41……46……的多个滤光器，所述滤光器传输效率高，可具有相同的剪裁形状。每个滤光器可占据一个角域，所述角域包含在源自旋转轴A-A的两个半径之间，并且包含在轮4毂与其外圆边之间。在图3a中标为α的每个滤光器的角域宽度可小于15°(度)，乃至小于10°，例如，约等于4°。此外，根据把滤光器保持在轮上的方式，可使两个相邻的滤光器在角度上尽可能接近彼此，而不使其彼此重叠。

在本发明这样的实施例中，滤光器41……46……中的至少两个总是同时与平面IP的部分30重叠，所述部分与传感器3采集的图像相对应。在图3a至图3c中显示了这种重叠，表示界限C30，所述界限与检测器3光敏面的外围轮廓C3共轭。

根据应用到驱动系统5与图像传感器3的命令，可选择性地采用多种采集多光谱图像的模式。

按照根据本发明的设备的第一种操作，在由传感器3采集每个图像的同时，使轮4固定不动，并在两次连续采集图像过程中使其旋转。为此目的，必须通过图像传感器的曝光周期采集图像，所述周期在时间上是分开的。然后，属于连续采集的两个图像并且与单独一个滤光器相对应的图像的各部分相对于所观察的场景而言，可有利地有所重叠。为此目的，轮4在两个图像之间的旋转小于滤光器41-46所占据的每个角域的宽度α。通过如此重叠，与单一滤光器相关并且源自单独采集的图像之图像各部分很容易以连续光谱图像的形式结合在一起。由此形成多光谱图像的一个组成部分。通常，重叠本身的个别角宽可小于宽度α的十分之一。轮4在图像传感器3两次连续曝光过程中的旋转小于如图2所示的滤光轮所必需的旋转。因此，执行图像传感器组件3的两次连续曝光时中间等待时间较短，所以，总地来说，采集多光谱图像更迅速。在设备与所观察的场景相对彼此移动的情况下，针对整个多光谱图像缩短了的这个整体采集周期特别有益。尤其是对于从非同步卫星采集的地球的图像而言，存在这种情况，例如，所述非同步卫星是低轨道卫星。

此外，知晓或者确认滤光器41-46中哪个对例如由传感器3采集的一个图像的各个部分有效可能是有用的。这第一个可能性包括利用一个附加系统指示出轮4的角度位置。这种系统对于本领域技术人员是众所周知的。可将其融入驱动系统5中，或与之分开。另一个可能性包括在轮4上加标记40，使其位于轮上相邻滤光器之间的位置。假定轮4靠近中间图像平面IP，如果轮4的位置使该标记位于传感器3光场中，那么每个标记40可清晰地出现在传感器3采集的图像中。在采集的图像内，标记40使之能够准确地识别轮4的位置，并且能够确定哪个滤光器在图像各部分起作用。例如，每个标记40可以是在轮4中钻的孔，从轴A-A测量的所述孔的径向距离根据与该标记相邻的两个滤光器而变化(见图3a)。

按照根据本发明的设备的第二种操作，可连续驱动轮4旋转，旋转的角速度可以不变，但不一定不变。这种连续操作减少了轮4及其驱动系统5的振动。在这种情况下，对于传感器3采集的每个图像而言，通过一个滤光器只是把传感器3的一些感光像素31部分地曝光于光束L。换言之，在该像素的积累阶段，滤光器41-46其中一个的与轮4径向平行的一条边可能已经侵占了一个感光像素31的光通量的入口段。随后由该感光像素31产生的光通量的测量受到干扰，或者无关紧要。于是，可有利于限制轮4的转速，所以，每次滤光器41-46其中之一进入该像素的单个光场时，每个感光像素31都可有效地生成光通量的至少一个测量值，使滤光器的一条边不侵占该单个光场。最不利的情况发生于一个像素刚刚开始完一个新的采集顺序之后，刚刚到达的滤光器的一条边便侵占该像素31的光场时。可使每个滤光器充分地有角度地延伸，然后，在按次序的滤光器的末端边缘到达像素31的光场之前，像素31可以结束已经开始了的采集顺序，然后完成随后采集顺序的积累阶段。换言之，由滤光器占据的角域的宽度α有利地大于在待结束的采集顺序的整个周期与随后采集顺序的积累阶段的周期的总和周期过程中由轮4所形成的旋转角。通过已知的方式，图像传感器感光像素的采集功能包括一个积累阶段与一个读取阶段，电信号在所述积累阶段按比例地积累到在固定的积累周期期间接收的光通量，在所述读取阶段检测所积累的信号的振幅，然后重新初始化感光像素。当然，并非必须在轮4每次旋转时，在一个完整的积累阶段通过每个滤光器曝光所有感光像素31。可以选择有效曝光于光束L的那些感光像素，并且只保留由如此选择的感光像素生成的读取信号。在轮旋转过程中没有通过滤光器其中之一有效曝光的那些感光像素31，将在随后的轮旋转过程中通过该滤光器优先地使其曝光，或者在随后轮经过过程中通过光谱特性相同的滤光器使其曝光。作为选择，可以采用感光像素的命令的时间次序，使得至少某些感光像素以与滤光器之间的过渡而言同步的方式完成采集顺序。

驱动系统5强迫连续旋转时，还可以采用指示出轮4的角度位置的标记40。

关于采集图像时轮4停止的操作模式，在相继采集几个图像的同时，轮4连续旋转的情况下，有利于与同一个滤光器相关、但属于相继采集的图像之图像各部有所重叠。

在图3a的滤光轮中，每个滤光器41-46都有在轮4中径向延伸的两条直边。图3b显示了与本发明相配的滤光轮的另一种配置。通过使轮围绕轴A-A旋转而变形，由图3a可以推断出这另一种配置，旋转幅度根据从轴A-A测量的径向距离而变化。通过这种方式得到图3b中的滤光轮，每次旋转的变形幅度根据径向距离逐渐增加。

在图3a和图3b中的滤光轮中，所有滤光器可各不相同，也就是，所述滤光器与各不相同的光谱透射窗相对应。根据本发明的一个替代实施例，相同的滤光器在单个轮中可围绕旋转轴A-A循环重复。例如，有序系列的滤光器41至45可在围绕轴A-A旋转的同时，逐渐在图3c的轮中重复。

关于上述两种图像采集操作，在传感器3每次曝光过程中停止轮4或者在进行多次采集的同时连续旋转轮4，通过传感器3采集的图像重新构建光谱图像。为此目的，对于每个滤光器41-46中的每一个而言，与该滤光器相对应的图像各部分采样于由传感器3连续采集的图像。这些图像部分在与该滤光器相对应的一个光谱图像中结合在一起。该光谱图像最好覆盖传感器3的整个光场，而在两个相邻的图像部分之间没有任何缺失条。为了保证每个光谱图像都如此完整，使所述图像部分之间有所重叠是有利的。

根据图4，可以把多光谱图像采集设备10装载处于围绕标为E的地球的轨道上的卫星11上。设备10的光轴Z-Z指向待观察的地表区域的方向。把每次曝光时由图像传感器生成的，在图中标为D的图像数据直接或者经由中继卫星传输到地球上的接收站12。可以采用通过地球大气传输这种数据的一种已知的模式，比如无线电传输或通过激光信号传输。由专用单元完成光谱图像的重新构建，所述专用单元可装载在卫星11上，或者作为选择，位于地球上。可首选这第二种方案，从而降低卫星11的负载和能量消耗。在这种情况下，在卫星11与接收站12之间传输的数据D与由传感器3采集的图像有关。

例如，对于从太空，尤其是从地球同步卫星进行监视的任务而言，可以采用根据本发明以及根据图3d的滤光轮。附图标记41至43表示更多的角域狭窄的滤光器，分别与窄光谱透射窗相对应。为此原因，滤光器41-43被称为单色滤光器。例如，对于任何数量的单色滤光器而言，滤光器41传输蓝色，滤光器42传输绿色，滤光器43传输红色等等。滤光器51和52被称为全色滤光器，因为它们与宽光谱透射窗相对应，可包括单色滤光器41-43的光谱窗口。最好，全色滤光器51和52足够大，以便分别覆盖图像传感器的整个光场。附图标记C30-1和C30-2与轮4的两个位置的界限C30相对应，全色滤光器51或52分别针对每个位置对于同一个采集顺序过程中由传感器采集的整个图像有效。有可能在轮4中设置单独一个全色滤光器。利用这种设备获取彩色图像或视频的有利方法可包括下列步骤：

/1/首先使轮4固定在位置C30-1，然后，例如，在大约十秒内，可以使指向地表的目标区域的光轴Z-Z稳定；

/2/然后使轮4连续旋转，以便单色滤光器41-43在图像传感器前面经过，最好不超过由每个滤光器的角宽所确定的最高速度，以便传感器的每个感光像素能够针对每个滤光器41-43完成一次完整的采集顺序。然后，在轮4旋转的同时，图像传感器进行一系列的多次采集顺序；

/3/使轮4停在位置C30-2，在预期的观察周期期间完成目标区域的视频采集，例如，所述观察周期至少为10分钟；然后

/4/利用在步骤/2/中采集的光谱图像给在步骤/3/中采集的全色图像着色。

在实时监视的情况下，有必要在视频之前进行色彩采集：在步骤/3/之前执行步骤/2/。相反，如果实时可视不重要，则可以在视频采集之后进行色彩采集：在步骤/3/和步骤/4/之间执行步骤/2/。在后面这种情况下，还可以省略目标的稳定化。通常，对于这种彩色视频监视方法而言，针对步骤/1/至步骤/3/执行的轮4的旋转可以朝恒定的方向旋转，或者交替地向后和向前旋转。

可以理解，可以就刚刚所述的实施例调整本发明，而重现本发明，与此同时至少仍保持所述的一些优点。尤其是，可以进行如下调整：

-每个滤光器可以是任何形状；

-滤光器可在轮中成对地靠在一起，以便多个滤光器总是同时在图像传感器的光场中；

-滤光器可以只占据轮的有限部分，而轮的其余部分可用于除光谱滤波之外的其它功能；

-滤光轮可刚好位于图像传感器前面，因为其光敏面位于成像光学系统聚焦面的水平，所述聚焦面是光束的聚焦平面。在这种情况下，光学系统不必包括二次成像系统；

-本发明可应用于在任何光谱域有效的滤光器，并应用于任何数量的不同滤光器。尤其是在滤光器仅为两种类型的情况下很有利，滤光器以狭窄角域的形式在轮中交替。实际上，通过缩小每个滤光器的单个表面积有利于获取所需品质的这种窄滤光器；而且

-最后，本发明与市售的光栅图像传感器相配。例如，对于航空用途而言，尤其是在无人驾驶飞机上装载设备的情况下，快速光栅传感器，即能够以120Hz(赫兹)或更高的频率采集图像的传感器，在约为十个光谱波段的情况下，每秒钟可以提供至少十个多光谱图像。

Claims (16)

1.多光谱图像采集设备(10)，包括：

-成像光学系统(1、2)，适合在聚焦面(FP)中形成图像；

-至少一个二维图像传感器(3)，包括由外围轮廓(C3)限定的、位于聚焦面(FP)内的光敏面；

-轮(4)，包括多个光谱滤光器(41-46)，所述轮被设置成以便保持所述滤光器平行并且靠近聚焦面(FP)或靠近成像光学系统(1、2)的中间图像平面(IP)；以及

-驱动系统(5)，被设置成以便使轮(4)围绕旋转轴(A-A)旋转，从而把每个滤光器(41-46)带入光束(L)中；

其中，滤光器(41-46)中的至少一个，被称为角域狭窄的滤光器，当滤光器靠近聚焦面(FP)时，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于图像传感器(3)光敏面的角度延伸，或者，角域狭窄的滤光器的角度延伸小于通过成像光学系统的二次成像部分(2)与整个光敏面光学共轭的一部分(30)中间图像平面(IP)的角度延伸，相对于轮(4)的旋转轴(A-A)测量角度延伸，

驱动系统(5)适于使在由图像传感器(3)连续采集几个图像的同时，使轮(4)连续旋转；

设备的特征在于，所述图像传感器(3)包括多个单独的感光像素(31)，所述多个单独的感光像素适于按照采集顺序分别运行，所述采集顺序至少相继包括信号积累的一个阶段以及读取积累的信号的一个阶段；

特征还在于，角域狭窄的滤光器的角度延伸大于在采集顺序的整个周期与额外的积累阶段的周期的总和周期过程中由轮(4)所形成的旋转角。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器位于其它两个滤光器之间的轮(4)中，并与所述的其它两个滤光器靠近，以至于对于轮围绕旋转轴(A-A)的任何位置而言，至少一部分角域狭窄的滤光器对包含在图像传感器(3)光敏面的外围轮廓(C3)内的一部分图像有效，所述其它两个滤光器中至少一个滤光器的一部分同时对包含在光敏面外围轮廓内的同一个图像另一部分有效。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器的角度延伸以及所述其它两个滤光器的各自角度延伸使得轮(4)围绕旋转轴(A-A)的至少一个位置、角域狭窄的滤光器与所述其它两个滤光器的各自部分同时对包含在光敏面外围轮廓(C3)内的图像的三个单独部分有效。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，相对于轮(4)的旋转轴(A-A)而言，以及对于所述旋转轴的相同径向距离而言，角域狭窄的滤光器以及所述其它两个滤光器的各自角度延伸可以相等。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，角域狭窄的滤光器具有分别相对于轮(4)的旋转轴(A-A)径向延伸的两条直边。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，轮(4)具有分别与三个不同的光谱滤波窗口相对应的至少三个滤光器(41-46)。

7.根据权利要求6、结合权利要求3或4所述的设备，其特征在于，分别与三个不同光谱滤波窗口相对应的三个滤光器是角域狭窄的滤光器以及所述的其它两个滤光器，轮(4)包括至少一个附加光谱滤光器(51)，所述附加光谱滤光器具有一个光谱窗口，该光谱窗口包括角域狭窄的滤光器的光谱窗口以及所述其它两个滤光器的光谱窗口，

而且，当滤光器靠近聚焦面(FP)时，所述附加光谱滤光器本身的角度延伸大于图像传感器(3)光敏面的角度延伸，或者大于通过成像光学系统的二次成像部分(2)与整个光敏面光学共轭的中间图像平面(IP)部分(30)的角度延伸，附加光谱滤光器的角度延伸也是相对于轮(4)的旋转轴(A-A)测量的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，滤光器(41-45)构成多个相同的组，同一组的滤光器在轮(4)中全部相邻，以便把每组滤光器容纳在轮的一个扇区中，而不插入属于其它组的滤光器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括指示出轮(4)围绕旋转轴(A-A)的位置的一个系统。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，轮(4)包括在所述轮中相邻两个滤光器(41-46)之间的标记(40)，以便所述标记的位置出现在采集的图像中，而所述两个相邻滤光器的各自部分同时对包含在图像传感器(3)光敏面的外围轮廓内的图像的单独部分起作用。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，驱动系统(5)以及图像传感器(3)的控制器适于使由传感器连续采集的两个图像在通过单独一个滤光器(41-46)采集的所述图像的各个部分之间有所重叠。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括：

-重建光谱图像的单元，适于产生分别与图像传感器(3)的整个光敏面相对应的光谱图像，每个光谱图像都是在至少两次不同曝光过程中通过单独一个滤光器(41-46)由图像传感器采集的图像各部分并置产生的，在所述曝光过程中轮(4)旋转。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，适于装载在飞机、宇宙飞船或卫星(11)上。

14.收集多光谱图像的方法，包括在地球(E)上安装的站点(12)接收图像数据(D)，所述图像数据与由根据权利要求13所述的设备(10)采集的图像相关，采集图像时，所述设备装载在飞行中的飞机、位于太空的宇宙飞船或者在轨道上的卫星(11)上，而且，通过电磁辐射或者通过激光信号把所述图像数据从所述飞机、宇宙飞船或卫星直接或经由中继卫星传输到地球上的站点。

15.根据权利要求14所述的方法，包括重建光谱图像的步骤，所述光谱图像一起构成所述多光谱图像，在这个重建步骤过程中，与图像传感器(3)整个光敏面相对应的每个光谱图像都是在至少两次不同曝光过程中通过单独一个滤光器(41-46)由图像传感器采集的图像各部分并置产生的，在所述曝光过程中轮(4)旋转，在地球(E)上通过在站点(12)接收的图像数据(D)实施所述重建步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，根据该方法的多光谱图像采集设备(10)是按照权利要求7所述的设备，而且，该方法还包括一个着色步骤，在着色过程中，分别通过角域狭窄的滤光器以及所述其它两个滤光器采集的光谱图像与通过附加光谱滤光器(51)采集的图像相结合，从而得到一个丰富图像，所述丰富图像的观察者可看到所述丰富图像的光谱信息。