CN102494769A - 一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，包括：可见光复合棱镜、负透镜、复合环形反射镜、可见光谱探测器和热红外探测器。可见光复合棱镜的通光口径与负透镜的通光口径的比值小于0.73。可见光复合棱镜、负透镜、复合环形反射镜同轴，并且依次放在成像目标的出射光线方向；可见光谱探测器放置在可见光复合棱镜和负透镜之间；热红外探测器放置在复合环形反射镜远离成像目标的一侧。可见光谱探测器的像面与热红外探测器的像面相互平行，并且可见光谱探测器与热红外探测器的像面中心连线与系统光轴重合。本发明采用多次反射环形结构，具有压缩系统光路，减小系统纵向长度，系统整体刚度好，可靠性高，体积小，重量轻等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，属于光学设计领域。
背景技术
多光谱成像光学系统是将对成像目标的图像信息按不同的光谱波段分别成像在相应的感光材料上，从而得到成像目标不同光谱波段内的图像。利用多光谱成像光学系统可以将人类视觉范围从可见光部分向红外和紫外方向扩充，获取成像目标在光谱波段内的图像，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。
目前已有的单通道多光谱成像光学系统通常采用R-C系统结构，是由主副两片反射镜构成。如美国专利5,400,169和5,841,574，可实现多光谱光学成像，设计系统是主副镜结构，将分光棱镜放在探测器前实现光谱分割，使之分别聚焦在不同焦平面上；美国专利7,053,928中，采用一路进光方案，则是先利用分光棱镜实现光谱分割，使之分别在系统内部的可见光和红外光通道成像。尽管采用R-C结构的多光谱方案可以对光路实现一定压缩，但两片反射镜的结构形式在减小光机系统体积方面贡献有限。而利用分光棱镜实现一路进光，按照不同谱段在系统内部两个通道分别成像，容易保证谱段间的配准精度，但因内部仍采用双通道光轴平行的结构设计，系统体积大，而且当入射角增加时，分光棱镜的体积也会随之增大，难以实现微小型化。
发明内容
本发明的目的是针对目前已有的一路进光多光谱成像光学装置单通道方案存在的不足，提出一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统。
一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，包括：可见光复合棱镜、负透镜、复合环形反射镜、可见光谱探测器和热红外探测器。
所述可见光复合棱镜的通光口径用符号φv表示，负透镜的通光口径用符号φi表示，φv/φi＜0.73。
所述可见光复合棱镜为N次复合环形反射棱镜结构，N＞3且N为偶数；即由N个同轴环形反射面围成的棱镜，并且各个反射面设计为非球面面型；其中N/2个环形反射面位于靠近成像目标一端，N/2个环形反射面位于远离成像目标一端，入射可见光线在每个反射面的反射次数为1，各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
所述复合环形反射镜为M次复合环形反射结构，M＞3且M为偶数；即由M个同轴环形反射面围成一个空腔，空腔内部介质为空气；各个反射面的面型设计为非球面；其中M/2个环形反射面位于靠近成像目标一端，M/2个环形反射面位于远离成像目标一端，入射光线在每个反射面的反射次数为1，各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
所述可见光谱探测器的作用是将成像到其像面上的可见光图像转换成电子图像信号并输出。
所述热红外探测器的作用是将成像到其像面上的红外图像转换成电子图像信号并输出。
所述可见光复合棱镜的制备材料为：587nm波段的折射率大于1.4的光学材料；
所述负透镜的制备材料为：10000nm波段折射率大于4的光学材料；
所述复合环形反射镜由金属料加工而成，通过对其表面进行镀膜形成内部环形反射面。
上述各组成部分的连接关系为：
可见光复合棱镜、负透镜、复合环形反射镜同轴，并且依次放在成像目标的出射光线方向；可见光谱探测器放置在可见光复合棱镜和负透镜之间；热红外探测器放置在复合环形反射镜远离成像目标的一侧。可见光谱探测器的像面与热红外探测器的像面相互平行，并且可见光谱探测器与热红外探测器的像面中心连线与系统光轴重合。
所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的可见光进行成像的过程为：
第1.1步：将可见光成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统大于或等于300米的某一位置。
第1.2步：可见光成像目标发出的可见光线到达可见光复合棱镜的第一折射面，经过可见光复合棱镜的第一折射面的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第一反射面，经过第一反射面反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二反射面，在可见光复合棱镜的第二反射面反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第三反射面，经过可见光复合棱镜的第三反射面的反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行......以此类推，经过M次反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二折射面，并经过可见光复合棱镜的第二折射面的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光谱探测器，在可见光谱探测器的像面上成像。
所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的红外光进行成像的过程为：
第2.1步：将成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统大于或等于300米的某一位置。
第2.2步：成像目标发出的红外光线到达负透镜的前表面，经过负透镜前表面的折射后，折射光线向远离成像目标的一侧前行，在负透镜后表面发生折射后，其出射光线到达复合环形反射镜光阑面。
第2.3步：复合环形反射镜光阑面的入射光线穿过复合环形反射镜光阑面，其出射光线的传输角度不变，向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第一反射面，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行，到达复合环形反射镜的第二反射面上，反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第三反射面上，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行......以此类推，经过M次反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达热红外探测器，并在达热红外探测器的像面上成像。
有益效果
本发明提出的单通道多次反射环形多光谱成像光学系统与目前已有的单通道多光谱成像光学装置相比较具有以下优点：
①本发明中可见波段和红外波段采用多次反射环形结构，能够压缩系统光路，减小系统纵向长度，系统整体刚度好，系统可靠性高，体积小，重量轻，后续图像处理可省略配准步骤；
②红外波段在环形反射系统前引入了一片负透镜，可以增加穿过负透镜的光线在红外波段第一反射面的入射光线高度，在满足系统轴外光线像面聚焦要求同时，避免红外波段在各个反射面的反射光线相互干涉，有利于压缩系统光路实现系统微小型化。
③复合棱镜结构的各个反射面和复合环形反射镜的各个反射面的面型设计为非球面，校正系统像差，利于系统小型化和减少光能损失。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的结构示意图；
其中：1-可见光复合棱镜；2-负透镜；3-复合环形反射镜；4-可见光谱探测器；5-热红外探测器；
图2为本发明具体实施例中的可见光复合棱镜示意图；
其中：A-可见光复合棱镜的第一折射面，B-可见光复合棱镜的第一反射面，C-可见光复合棱镜的第二反射面，D-可见光复合棱镜的第三反射面，E-可见光复合棱镜的第四反射面，F-可见光复合棱镜的第二折射面；
图3为本发明具体实施例中的复合环形反射镜结构示意图；
其中：G-复合环形反射镜光阑面，H-复合环形反射镜的第一反射面，I-复合环形反射镜的第二反射面，J-复合环形反射镜的第三反射面，K-复合环形反射镜的第四反射面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细描述。
一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，如图1所示，包括：可见光复合棱镜1、负透镜2、复合环形反射镜3、可见光谱探测器4和热红外探测器5。
所述可见光复合棱镜1的通光口径用符号φv表示，负透镜2的通光口径用符号φi表示，φv/φi＜0.73。
所述可见光复合棱镜1为4次复合环形反射棱镜结构，如图2所示；可见光复合棱镜1的反射面B、反射面C、反射面D、反射面E的面型设计为非球面面型；各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
所述复合环形反射镜3为4次复合环形反射结构，如图3所示；由4个同轴环形反射面围成一个空腔，空腔内部介质为空气；复合环形反射镜3的反射面H、反射面I、反射面J、反射面K的面型设计为非球面面型；各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
所述可见光谱探测器4是CMOS图像传感器；
所述热红外探测器5采用微测辐射热计UL03191；
所述可见光复合棱镜1的制备材料为：CaF2；
所述负透镜2的制备材料为：锗；
所述复合环形反射镜3由金属料加工而成，通过对其表面进行镀膜形成内部环形反射面。
上述各组成部分的连接关系为：
可见光复合棱镜1、负透镜2、复合环形反射镜3同轴，并且依次放在成像目标的出射光线方向；CMOS图像传感器放置在可见光复合棱镜1和负透镜2之间；微测辐射热计UL03191放置在复合环形反射镜3远离成像目标的一侧。CMOS图像传感器的像面与微测辐射热计UL03191的像面相互平行，并且CMOS图像传感器与微测辐射热计UL03191的像面中心连线与系统光轴重合。
实施系统的设计视场为20°，此时系统光学参数如下：
可见光视场：对角线20°，像高：4.2mm，系统焦距f＝23.8mm，物象放大倍率：0.792e-4，物方(300m)观察范围大于63.6m×84.9m，空间分辨率小于0.11m.
单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的可见光进行成像的过程为：
第1.1步：将可见光成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统300米的某一位置。
第1.2步：可见光成像目标发出的可见光线到达可见光复合棱镜的第一折射面A，经过可见光复合棱镜的第一折射面A的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第一反射面B，经过第一反射面B反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二反射面C，在可见光复合棱镜的第二反射面C反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第三反射面D，经过可见光复合棱镜的第三反射面D的反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第四反射面E，经过可见光复合棱镜的第四反射面E的反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二折射面F，并经过可见光复合棱镜的第二折射面F的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光谱探测器4，在可见光谱探测器4的像面上成像。
在上述实验中计算得到的光学系统轴上和轴外光线的调制传递函数MTF数值为，在601p/mm处边缘视场调制传递函数MTF数值大于0.60；在光学系统轴上RMS弥散斑直径0.005mm，边缘视场的RMS弥散斑直径小于0.0074mm。
红外光谱视场：对角线20°，像高：6mm，系统焦距f＝34.03mm，物象放大倍率：1.132e-4，物方(300m)观察范围大于63.6m×84.9m，空间分辨率小于0.22m。
单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的红外光进行成像的过程为：
第2.1步：将成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统大于或等于300米的某一位置。
第2.2步：成像目标发出的红外光线到达负透镜2的前表面，经过负透镜2前表面的折射后，折射光线向远离成像目标的一侧前行，在负透镜2后表面发生折射后，其出射光线到达复合环形反射镜光阑面G。
第2.3步：复合环形反射镜光阑面G的入射光线穿过复合环形反射镜光阑面G，其出射光线的传输角度不变，向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第一反射面H，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行，到达复合环形反射镜的第二反射面I上，反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第三反射面J上，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行，到达复合环形反射镜的第四反射面I上，反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达热红外探测器5，并在达热红外探测器5的像面上成像。
在上述实验中计算得到的光学系统轴上和轴外光线的调制传递函数MTF数值为，在201p/mm处边缘视场调制传递函数MTF数值大于0.20；在光学系统轴上RMS弥散斑直径0.021mm，边缘视场的RMS弥散斑直径小于0.0025mm。
以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：包括：可见光复合棱镜(1)、负透镜(2)、复合环形反射镜(3)、可见光谱探测器(4)和热红外探测器(5)；
所述可见光复合棱镜(1)的通光口径用符号φv表示，负透镜(2)的通光口径用符号φi表示，φv/φi＜0.73；
所述可见光复合棱镜(1)为N次复合环形反射棱镜结构，N＞3且N为偶数；
所述复合环形反射镜(3)为M次复合环形反射结构，M＞3且M为偶数；所述可见光谱探测器(4)的作用是将成像到其像面上的可见光图像转换成电子图像信号并输出；
所述热红外探测器(5)的作用是将成像到其像面上的红外图像转换成电子图像信号并输出；
上述各组成部分的连接关系为：
可见光复合棱镜(1)、负透镜(2)、复合环形反射镜(3)同轴，并且依次放在成像目标的出射光线方向；可见光谱探测器(4)放置在可见光复合棱镜(1)和负透镜(2)之间；热红外探测器(5)放置在复合环形反射镜(3)远离成像目标的一侧；可见光谱探测器(4)的像面与热红外探测器(5)的像面相互平行，并且可见光谱探测器(4)与热红外探测器(5)的像面中心连线与系统光轴重合。
2.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述可见光复合棱镜(1)由N个同轴环形反射面围成的棱镜，并且各个反射面设计为非球面面型；其中N/2个环形反射面位于靠近成像目标一端，N/2个环形反射面位于远离成像目标一端，入射可见光线在每个反射面的反射次数为1，各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
3.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述复合环形反射镜(3)由M个同轴环形反射面围成一个空腔，空腔内部介质为空气；各个反射面的面型设计为非球面；其中M/2个环形反射面位于靠近成像目标一端，M/2个环形反射面位于远离成像目标一端，入射光线在每个反射面的反射次数为1，各个环形反射面相互之间不遮挡，且每个环形反射面对其它环形反射面的反射光线不遮挡。
4.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述可见光复合棱镜(1)的制备材料为：587nm波段的折射率大于1.4的光学材料。
5.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述负透镜(2)的制备材料为：10000nm波段折射率大于4的光学材料。
6.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述复合环形反射镜(3)由金属料加工而成，通过对其表面进行镀膜形成内部环形反射面。
7.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的可见光进行成像的过程为：
第1.1步：将可见光成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统大于或等于300米的某一位置；
第1.2步：可见光成像目标发出的可见光线到达可见光复合棱镜的第一折射面(A)，经过可见光复合棱镜的第一折射面(A)的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第一反射面B，经过第一反射面B反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二反射面(C)，在可见光复合棱镜的第二反射面(C)反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第三反射面(D)，经过可见光复合棱镜的第三反射面(D)的反射后，其反射光线向靠近成像目标一侧前行……以此类推，经过M次反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光复合棱镜的第二折射面(F)，并经过可见光复合棱镜的第二折射面(F)的折射后，其折射光线向远离成像目标一侧前行，到达可见光谱探测器(4)，在可见光谱探测器(4)的像面上成像。
8.如权利要求1所述的一种单通道多次反射环形多光谱成像光学系统，其特征在于：所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统对成像目标发出的红外光进行成像的过程为：
第2.1步：将成像目标放置在所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统的光轴上，并且距离所述单通道多次反射环形多光谱成像光学系统大于或等于300米的某一位置；
第2.2步：成像目标发出的红外光线到达负透镜(2)的前表面，经过负透镜(2)前表面的折射后，折射光线向远离成像目标的一侧前行，在负透镜(2)后表面发生折射后，其出射光线到达复合环形反射镜光阑面(G)；
第2.3步：复合环形反射镜光阑面(G)的入射光线穿过复合环形反射镜光阑面(G)，其出射光线的传输角度不变，向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第一反射面(H)，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行，到达复合环形反射镜的第二反射面(I)上，反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达复合环形反射镜的第三反射面(J)上，反射后，其反射光线向靠近红外成像目标的方向前行……以此类推，经过M次反射后，其反射光线向远离成像目标一侧前行，到达热红外探测器(5)，并在达热红外探测器(5)的像面上成像。
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