CN102508361A - 空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统 - Google Patents

Abstract

空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，包括切换反射镜、主光学离轴三反系统、中短波无焦中继光学系统、长波无焦中继光学系统。成像目标的辐射光束经过切换反射镜进入，经主光学离轴三反系统后由分色片分为可见多光谱、短波/中波、长波红外三个通道的光线，可见多光谱通道光线经第一分色片反射后通过五色器件实现全色多光谱成像，短波/中波、长波通道光线经第二分色片透射/反射后分别通过各自无焦中继光学系统，然后经滤光片细分后会聚到焦面上成像。本发明具有大视场、大相对孔径、宽谱段范围、高细分程度、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，可实现大范围、全天时、高分辨率的动态稳定检测。

Description

空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统

技术领域

本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种应用于空间的可见光/红外光学成像系统在大视场、超宽谱段、多光谱成像条件下的实现方法。

背景技术

随着遥感技术的发展，各类用户对地面景物的光谱信息要求越来越高，特别是对覆盖可见、短波、中波以及长波红外区域的光谱信息提出了迫切的需求。传感器的光谱分辨率越高，所取得的图像就越能客观、有效的反应地物的光谱特征，传感器探测地物的能力就越强，由不同光谱特征反映的不同地物间的差别在图像上就能得到很好的体现。多光谱成像遥感数据在资源评价、环境监测、灾害预警与灾后评估、城市规划、目标分类识别等方面得到广泛应用，具有极大的社会效益与经济效益。

典型的多光谱卫星主要有美国的landsat系列、中分辨率成像光谱仪MODIS、多光谱红外成像仪MTI和印度的IRS系列民用遥感器；国内的多光谱卫星主要有资源系列、环境系列、海洋系列和风云系列卫星。

美国的landsat系列卫星中，以ETM+最为先进，其光学系统由前置扫描镜、RC两反系统、一个分色片和两个多光谱器件构成，谱段覆盖为可见/近红外和短波红外，细分为7个多光谱谱段和一个全色谱段；MODIS光学系统由穿越轨迹扫描的扫描镜、格里高利两反系统、离轴双反系统、补偿透镜组和干涉滤光片及四个线阵接收器件组成，谱段范围覆盖可见光到长波红外谱段，但系统含有活动部件使整机稳定性及可靠性降低、无法实现高的光谱分辨率；MTI光学系统采用离轴三反结构型式，采用滤光片配合高集成度焦平面技术实现多光谱成像，由于焦平面高集成度技术受限，工程化难度增加，且难以实现大视场成像。印度IRS系列是最先进的民用遥感器系列之一，该系列光学系统采用过透射及全反射系统，谱段范围仅覆盖可见光/近红外和短波红外谱段，无法获取中长波和长波谱段光谱信息。

国内的多光谱卫星多采用红外成像仪与可见光相机相结合的方式实现多光谱成像，其中环境系列仅使用可见光/近红外波段。采用多台相机实现宽谱段信息的获取将会使得空间相机的体积和重量都很庞大，而且增加了卫星的发射成本，降低了整星的可靠度。

目前在研及已付诸应用的多光谱卫星光学系统普遍存在视场小、可见光/红外谱段覆盖宽度不足、谱段内光谱细分程度低、短波谱段覆盖不足的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适合空间遥感器的大视场、超宽谱段、多光谱情况下的成像光学系统。

本发明的技术解决方案是：空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，包括切换反射镜、主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片、中短波/长波谱段分色片、折转镜、可见/近红外焦面器件、中短波无焦中继光学系统、中短波组合滤光片、中短波焦面器件、长波无焦中继光学系统、长波组合滤光片、长波焦面器件；成像目标的辐射光束经过切换反射镜进入主光学离轴三反系统，主光学离轴三反系统的出射光线入射至可见光近红外/红外谱段分色片，其中可见近红外光线经可见光近红外/红外谱段分色片反射至可见/近红外焦面器件，实现多光谱成像；中短波光线和长波光线由可见光近红外/红外谱段分色片透射至中短波/长波谱段分色片；中短波光线由中短波/长波谱段分色片反射至折转镜并由折转镜反射至中短波无焦中继光学系统，经中短波无焦中继光学系统汇聚至出瞳处的光线由中短波组合滤光片实现光谱细分，成像至中短波焦面器件；长波光线由中短波/长波谱段分色片透射至长波无焦中继光学系统，经长波无焦中继光学系统汇聚至出瞳处的光线由长波组合滤光片实现光谱细分，成像至长波焦面器件。

所述的中短波无焦中继光学系统由七片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，从光线入射端到出射端依次放置第一弯月正透镜、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二双凸正透镜、双凹负透镜、第二弯月负透镜和第三弯月负透镜。

所述的长波无焦中继光学系统由六片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，从光线入射端到出射端依次放置第二弯月正透镜、第四弯月负透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月负透镜、第五弯月正透镜。

所述的主光学离轴三反系统的主镜M1和三镜M3的面形均为凹非球面反射镜，次镜M2的面形为凸球面或非球面反射镜，材料为碳化硅，微晶玻璃，或熔石英，反射面镀铝或银材料的反射膜。

所述的可见近红外/红外谱段分色片和中短波/长波谱段分色片均为楔板。

所述的中短波组合滤光片和长波组合滤光片均由四片矩形薄平板拼接而成，在平板两个面上镀有增透膜。

所述的切换反射镜为平面反射镜，材料为金属铍或碳化硅。

所述的折转镜表面面形为平面，采用微晶材料或铝基碳化硅。

所述的可见/近红外焦面器件为五色TDICCD器件。

所述的中短波焦面器件和长波焦面器件为矩形面阵探测器或线阵探测器件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明主光学系统由于采用了离轴三反的型式，有效的减小了主光学系统光学元件的数量，无色差，无遮拦，可对可见光/近红外、中短波和长波谱段均成像良好；可针对可见/近红外通道和两红外通道分别进行装调、像质检测，降低了系统装调复杂程度。这种离轴三反型式主光学系统在中等焦距、大口径、大视场技术指标的多谱段成像探测应用中优势尤为明显；

2)本发明利用折返射系统结合分色片和组合滤光片的结构型式，在覆盖可见、短波、中波以及长波红外区域超宽谱段光谱信息的同时，大大简化了光学系统的结构，提高了几何成像质量和通道间的配准精度，像元一致性好；

3)可见近红外通道在焦面前方设置局部光阑，避免了可将光通道能量饱和、在主光学反射镜设置光阑导致红外通道产生渐晕的问题。红外光阑位于出瞳处，可与探测器组件的冷屏实现100％匹配，从而降低背景辐射，提高系统的温度分辨率；

4)本发明光学系统在中短波谱段首次覆盖到了1.55μm-1.75μm、2.08μm-2.35μm、3.5μm-3.9μm和4.85μm-5.05μm、谱段，大大丰富了中短波通道的成像光谱信息。通过合理匹配玻璃材料消除宽谱段色差，像质良好；

5)本发明具有光机结构紧凑、组成简单、在超宽谱段范围内成像质量良好、易于实现等优点，可应用较短线阵探测器阵列来实现较大视场的成像。为机载/星载高分辨率多光谱成像系统提出了一个较好的技术实现途径，特别适用于持续、稳定地获取地表信息的高精度探测卫星光学系统。

附图说明

图1为本发明光学系统组成结构示意图；

图2为本发明中短波无焦中继光学系统图；

图3为本发明长波无焦中继光学系统图。

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统由切换反射镜1、主光学离轴三反系统(由主镜M1、次镜M2、三镜M3组成)、可见光近红外/红外谱段分色片2、中短波/长波谱段分色片3、折转镜4、可见/近红外焦面器件5、中短波无焦中继光学系统6、中短波组合滤光片7、中短波焦面器件8、长波无焦中继光学系统9、长波组合滤光片10、长波焦面器件11组成。

本发明光学系统的工作谱段为0.45μm-12.5μm，细分为三个通道、13个谱段。

0.45μm-0.89μm、0.45μm-0.52μm、0.52μm-0.60μm、0.62μm-0.68μm、0.76μm-0.86μm的谱段构成可见近红外光路。可见近红外光路的光线经切换反射镜1入射至主光学离轴三反系统，经主光学离轴三反系统成像后经可见光近红外/红外谱段分色片2反射至可见/近红外焦面器件5，实现多光谱成像；其中可见/近红外焦面器件5为五色TDICCD器件。

1.55μm-1.75μm、2.08μm-2.35μm、3.50μm-3.90μm、4.85μm-5.05μm构成中短波光路。中短波光路的光线经切换反射镜1入射至主光学离轴三反系统，经主光学离轴三反系统成像后经可见光近红外/红外谱段分色片2透射至中短波/长波谱段分色片3，然后由中短波/长波谱段分色片3反射至折转镜4并由折转镜4反射至中短波无焦中继光学系统6，经中短波无焦中继光学系统6汇聚至出瞳后的中短波光路的光线由中短波组合滤光片7实现光谱细分，最后成像至中短波焦面器件8。

8.01μm-8.39μm、8.42μm-8.83μm、10.3μm-11.3μm、11.4μm-12.5μm构成长波光路，长波光路的光线经切换反射镜1入射至主光学离轴三反系统，经主光学离轴三反系统成像后经可见光近红外/红外谱段分色片2透射至中短波/长波谱段分色片3，然后由中短波/长波谱段分色片3透射至长波无焦中继光学系统9，经长波无焦中继光学系统9汇聚至出瞳后的长波光路的光线由长波组合滤光片10实现光谱细分，最后成像至长波焦面器件11。

本发明光学系统三个光路通道的焦距一致，均为708mm。基于相机系统能量和信噪比的要求，中短波通道相对孔径选取为3.3、长波通道为3，考虑可见近红外通道探测器件能量饱和度的要求，可见光近红外通道相对孔径选为4，三个通道视场大小均为5°(垂直分行方向)×1°(沿飞行方向)。光学系统设计选用Y方向偏场使用9°～10°实现沿飞行方向满足幅宽要求，可将近红外通道设计过程讲光阑放置在次镜，工程化则采用在焦面前方放置局部光阑的方法，实现可见近红外通道相对孔径要求，同时避免在次镜放置光阑对红外通道产生的渐晕；中短波和长波通道将光阑放置在光学系统出瞳处，可与探测器组件的冷屏实现100％匹配，从而降低背景辐射，提高系统的温度分辨率。

本发明光学系统的最前端放置切换反射镜1，由控制电机控制，当切换反射镜1的摆角为与主光学离轴三反系统中心轴垂直方向的夹角为45°时，入射光束经切换反射镜1折转入射至主光学离轴三反系统，而后各通道的光经分色片后分别在各自焦面位置成像。切换反射镜1为平面反射镜，采用的材料为金属铍或碳化硅。

主光学离轴三反系统物理同轴，即主、次、三镜中心轴重合，以次镜M2的中心为中心轴，各反射镜均使用局部口径，主光学离轴三反系统的中心视场主光线与像面法线的夹角为零。主镜M1、次镜M2、三镜M3均采用凹反射镜，由于离轴三反系统次镜为凸面镜，考虑加工检测的难度，将次镜设计为球面，同时为保证可见光通道的成像质量，增加系统设计自由度，主镜M1和三镜M3为非球面镜。主镜M1为四次椭球面，次镜M2为球面或非球面，三镜M3为二次扁球面。主镜M1、次镜M2、三镜M3采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。

可见光近红外/红外谱段分色片2为楔板，整个分色片倾斜放置，光线入射面倾斜角为沿光轴逆时针旋转25°，第二表面(光线出射面)倾斜角为沿光轴逆时针旋转25.13°，即分色片前后表面夹角0.13°，位于主光学离轴三反系统所成一次像前的汇聚光路中，实现可见光近红外/红外谱段的分色。

红外谱段一次像位于可见光近红外/红外谱段分色片2之后，一次像后的发散光束经过中短波/长波谱段分色片3实现中短波/长波谱段的分色。中短波/长波谱段分色片3也是楔板，位于红外谱段一次像后的发散光束中，中短波/长波谱段分色片3倾斜放置，光线入射表面倾斜角为沿光轴逆时针旋转45°，第二表面(光线出射面)倾斜角为沿光轴逆时针旋转45.17°，即分色片前后表面夹角为0.17°。

可见光近红外/红外谱段分色片2以及中短波/长波谱段分色片3均采用硒化锌材料，两表面均为平面。在光线入射面上镀可见近红外/红外、中短波/长波谱段分色膜，实现可见光近红外/红外谱段和中短波/长波谱段分色。

分色片及后续光学元件与主光学离轴三反系统不同轴，其中心轴与次镜中心轴在垂轴方向的偏移距离为120mm，以保证后续光学系统口径与偏场使用的视场内光线口径一致。

折转镜4表面面形为平面，采用微晶材料，或铝基碳化硅，与入射光线光轴成一定角度倾斜放置，以避免中短波无焦中继透镜组与长波无焦中继透镜组之间发生干涉。

中短波无焦中继光学系统6由七片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，如图2所示。透镜组从光线入射端到出射端依次放置有第一弯月正透镜、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二双凸正透镜、双凹负透镜、第二弯月负透镜和第三弯月负透镜。其中，第一弯月负透镜的入射面、双凹负透镜的入射面和第三弯月负透镜的出射面为非球面，非球面类型可以为四次双曲面，或六次椭球面，或八次椭球面，其余透镜面形均为球面。七片透镜光轴重合，共同校正球差、慧差和色差，并将中短波通道出瞳引出至冷屏入口位置，出瞳大小为24.5mm，出瞳距为80.8mm。

中短波组合滤光片7由四块矩形薄平板拼接而成，每块矩形薄平板双面镀增透膜，增透谱段分别对应中短波通道的四个工作谱段。

中短波焦面器件8为矩形面阵探测器或线阵探测器件。

长波无焦中继光学系统9由六片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，如图3所示。透镜组从光线入射端到出射端依次放置有第二弯月正透镜、第四弯月负透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月负透镜、第五弯月正透镜。其中，第五弯月正透镜的出射面为四次双曲面，其余透镜面形均为球面。六片透镜光轴重合，共同校正球差、慧差和色差，并将中短波通道出瞳引出至冷屏入口位置，出瞳大小为28mm，出瞳距为84mm。

长波组合滤光片(10)由四块矩形薄平板拼接而成，每块矩形薄平板双面镀增透膜，增透谱段分别对应长波通道的四个工作谱段。

长波焦面器件(11)为矩形面阵探测器或线阵探测器件。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于包括：切换反射镜(1)、主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片(2)、中短波/长波谱段分色片(3)、折转镜(4)、可见/近红外焦面器件(5)、中短波无焦中继光学系统(6)、中短波组合滤光片(7)、中短波焦面器件(8)、长波无焦中继光学系统(9)、长波组合滤光片(10)、长波焦面器件(11)；成像目标的辐射光束经过切换反射镜(1)进入主光学离轴三反系统，主光学离轴三反系统的出射光线入射至可见光近红外/红外谱段分色片(2)，其中可见近红外光线经可见光近红外/红外谱段分色片(2)反射至可见/近红外焦面器件(5)，实现多光谱成像；中短波光线和长波光线由可见光近红外/红外谱段分色片(2)透射至中短波/长波谱段分色片(3)；中短波光线由中短波/长波谱段分色片(3)反射至折转镜(4)并由折转镜(4)反射至中短波无焦中继光学系统(6)，经中短波无焦中继光学系统(6)汇聚至出瞳处的光线由中短波组合滤光片(7)实现光谱细分，成像至中短波焦面器件(8)；长波光线由中短波/长波谱段分色片(3)透射至长波无焦中继光学系统(9)，经长波无焦中继光学系统(9)汇聚至出瞳处的光线由长波组合滤光片(10)实现光谱细分，成像至长波焦面器件(11)。

2.根据权利要求1所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的中短波无焦中继光学系统(6)由七片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，从光线入射端到出射端依次放置第一弯月正透镜、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二双凸正透镜、双凹负透镜、第二弯月负透镜和第三弯月负透镜。

3.根据权利要求1或2所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的长波无焦中继光学系统(9)由六片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，从光线入射端到出射端依次放置第二弯月正透镜、第四弯月负透镜、第三弯月正透镜、第四弯月正透镜、第五弯月负透镜、第五弯月正透镜。

4.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的主光学离轴三反系统的主镜M1和三镜M3的面形均为凹非球面反射镜，次镜M2的面形为凸球面或非球面反射镜，材料为碳化硅，微晶玻璃，或熔石英，反射面镀铝或银材料的反射膜。

5.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的可见近红外/红外谱段分色片(2)和中短波/长波谱段分色片(3)均为楔板。

6.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的中短波组合滤光片(7)和长波组合滤光片(10)均由四片矩形薄平板拼接而成，在平板两个面上镀有增透膜。

7.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的切换反射镜(1)为平面反射镜，材料为金属铍或碳化硅。

8.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的折转镜(4)表面面形为平面，采用微晶材料或铝基碳化硅。

9.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的可见/近红外焦面器件(5)为五色TDICCD器件。

10.根据权利要求3所述的空间大视场超宽谱段多光谱成像光学系统，其特征在于：所述的中短波焦面器件(8)和长波焦面器件(11)为矩形面阵探测器或线阵探测器件。

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