CN103344334A - 基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统 - Google Patents

基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统 Download PDF

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基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，包括可见光通道和红外通道；可见光通道视场内的光束进入光学系统后经离轴三反主镜和次镜反射，到达可见光通道三镜，反射光束充满可见光通出瞳后在可见光通道焦面处成像；红外通道视场内的光束经离轴三反主镜和次镜反射后，到达红外通道三镜，经其反射后到达中短波、中长波分色片，中短波视场内的光束经分色片前表面反射，透过中短波组合滤光片后在中短波焦面出成像；长波视场内的光束透过中短波、中长波分色片后透过长波组合滤光片，在长波焦面处成像。本发明具有结构型式简单、结构紧凑、体积小、重量轻、多光谱、谱段范围宽等优点，可实现大范围、全天时、高分辨率的动态监视功能。

Description

基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统
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/红外相机光学成像系统在全反射式、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。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，其中环境系列光谱卫星则仅使用可见光—近红外波段。而选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。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，解决了可见光、红外谱段成像系统在全反射式、大视场、超宽谱段、多光谱成像条件下的一体化设计难题。
本发明的技术方案是：基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，包括可见光通道和红外通道；可见光通道包括主镜、次镜、可见光通道折转反射镜、可见光通道三镜、可见光通道焦面器件；红外通道包括主镜、次镜、红外通道三镜、分色片、中短波通道组合滤光片、中短波通道焦面器件、长波红外通道组合滤光片、长波通道焦面器件；可见光通道和红外通道共用主镜、次镜，有各自的相互独立的三镜；所述分色片前表面镀有分色膜，反射中短波谱段，透射长波谱段；红外通道内的中短波谱段和长波谱段共视场，可见光通道与红外通道不共视场；来自可见光通道视场内的光束依次经主镜、次镜反射后，再经可见光通道折转反射镜反射到达可见光通道三镜后，反射光束充满可见光通道出瞳后在可见光通道焦面器件处成像；红外通道视场内射入的光束依次经过离轴三反主镜、次镜反射后，再经红外通道三镜反射到达楔形分色片；中短波视场内的光束经分色片前表面反射，并透过中短波组合滤光片后在中短波焦面器件处成像；长波视场内的光束透过分色片后，再透过长波红外通道组合滤光片，在长波通道焦面器件处成像；所述的中短波通道组合滤光片和长波红外通道组合滤光片均由多片矩形薄平板拼接而成，在每个矩形薄平板两个面上针对工作谱段增透膜。
所述的可见光通道三镜镜面法线与红外通道三镜的镜面法线夹角为45°。
所述的主镜、红外通道三镜和可见光通道三镜的面形均为凹非球面反射镜，次镜的面形为凸球面。
所述的有中间像离轴三反光学系统的主镜、次镜、可见光通道三镜和红外通道三镜的反射面均镀有金属高反射率反射膜。
所述的分色片为楔板，前后两面均为平面或球面；分色片的中心轴与次镜的中心轴不重合，且与入射至分色片的光束的光轴以一定角度放置，使红外光束与临近光束及光学元件之间不发生干涉。
所述的可见光通道的相对孔径不大于中短波及长波红外通道的相对孔径。
在可见光通道与红外通道的出瞳位置均放置光阑，控制不同通道的光束口径；各通道的出瞳均位于各自焦面器件前方沿光束传播方向有限远处。
可见光通道焦面器件为面阵多光谱TDICCD器件；中短波通道焦面器件为矩形面阵探测器或线阵探测器件；长波通道焦面器件为矩形面阵探测器或线阵探测器件。
可见光通道折转反射镜表面面形为平面，并采用微晶材料或铝基碳化硅。
光学系统三个通道的中间像均位于次镜后，可见光通道折转反射镜位于可见光通道中间像后。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1）本发明光学系统采用了离轴三反的基本结构型式，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；可针对可见光通道和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。这种基于离轴三反型式的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）本发明利用全反射式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，无透射光学元件，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）本发明光学系统采用了有中间像离轴三反结构型式，在全反射式系统条件下实现了将实出瞳引出至焦面前有限远处，可见光通道与红外两通道的光阑全部放置在各自通道的出瞳位置，有效保证了各通道的不同相对孔径，红外通道可与探测器组件的冷屏实现100%匹配，降低背景辐射，提高系统的温度分辨率。
4）本发明光学系统的可见光通道和红外通道共用主镜和此镜，有各自相互独立的三镜，可见光通道与红外通道的焦距和视场可以相同，也可以不同，从而实现可见光与红外成像的分辨率调整。可见光通道三镜与红外通道三镜以各自镜面法线有一定夹角放置，从而充分利用光学系统沿主镜镜面法线及垂直主镜镜面法线方向的空间，有效减小光学系统结构尺寸和体积。
5）本发明光学系统可见光通道与红外通道不共视场，将可见光与红外通道集成在一个光学系统里，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为本发明光学系统红外通道组成结构示意图；
图2为本发明光学系统可见光通道组成结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明光学系统由有中间像离轴三反光学系统主镜1、次镜2、红外通道三镜3、分色片4、中短波通道组合滤光片5、中短波通道焦面器件6、长波红外通道组合滤光片7、长波通道焦面器件8、可见光通道反射镜9、可见光通道三镜10、可见光通道焦面器件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、12个谱段。中短波通道和长波通道共视场，与可见光通道不共用视场。
0.45μm-0.52μm、0.52μm-0.60μm、0.62μm-0.68μm、0.76μm-0.86μm的谱段构成可见光通道。可见光通道视场内的光束入光学系统后经主镜1反射和次镜2反射，到达可见光通道三镜10后，反射光束充满可见光通道出瞳后在可见光通道焦面11处成像。可见光通道焦面器件11为面阵多光谱TDICCD器件。
1.55μm-2μm、2μm-2.5μm、3μm-3.5μm、4.5μm-5μm构成中短波光路。中短波视场内的光束经过离轴三反主镜1和次镜2反射后，到达红外通道三镜3，经其反射后到达分色片4，经分色片前表面反射，透过中短波组合滤光片5后在中短波焦面6处成像。
8μm-8.5μm、8.55μm-8.85μm、10μm-11μm、11.5μm-12.5μm构成长波光路，长波光路的光线经过离轴三反主镜1和次镜2反射后，到达红外通道三镜3，经其反射后到达分色片4，长波视场内的光束透过分色片4后和长波组合滤光片7，在长波焦面8处成像。
光学系统可见光通道和红外通道的中间像均位于次镜2后，可见光通道折转反射镜9位于可见光通道中间像后。
本发明光学系统可见光通道与红外通道的焦距一致，均为800mm。基于相机系统能量和信噪比的要求，中短波和长波通道相对孔径选取为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10；三个通道视场大小均为5°垂直分行方向×1°沿飞行方向。光学系统设计时中短波及长波通道Y方向偏场使用6°～7°实现沿飞行方向满足幅宽要求，可见光通道Y方向偏场使用4°～5°实现沿飞行方向满足幅宽要求。
可见光通道与红外通道的出瞳均位于焦面前80mm处，各通道的光阑都放置在各自光路的出瞳位置，实现可见近红外通道与两个红外通道的不同相对孔径要求，同时实现红外通道与探测器组件的冷屏的100%匹配，从而降低背景辐射，提高系统的温度分辨率。
红外通道的离轴三反系统物理同轴，即主镜1、次镜2、红外通道三镜3中心轴重合，以次镜2的中心为中心轴，各反射镜均使用局部口径，可见光通道在次镜2上的光斑包络与两个红外通道在次镜2上的光斑包络不重合；有中间像离轴三反光学系统的中心视场主光线与像面法线的夹角为零。
可见光通道和红外通道共用主镜1和次镜2，红外通道的中短波和长波谱段共用三镜3；可见光通道采用独立的三镜10，其镜面法线方向与中短波、长波通道的共用三镜镜面法线夹角为45°。
主镜1、三镜3和10均采用凹反射镜，次镜2为凸球面反射镜，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1、三镜3和10为非球面镜。主镜1为六次椭球面，次镜2为球面或非球面，三镜3和10为八次双曲面。主镜1、次镜2、三镜3和10采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。主镜1、次镜2、可见光通道三镜10和红外通道三镜3的反射面均镀有金属高反射率反射膜，所述的金属可以为铝或银。
分色片4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°，第二表面倾斜角为沿光轴逆时针旋转25.1°，即分色片前后表面夹角0.1°；采用硒化锌材料，两表面均为平面，在光线入射面上镀中短波与长波谱段分色膜，实现反射中短波谱段、透射长波谱段。
分色片与有中间像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100mm。
折转镜9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。
可见光通道焦面器件11为面阵多光谱TDICCD器件。
中短波组合滤光片5由4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，实现多光谱成像。
中短波焦面器件6为矩形面阵探测器或线阵探测器件。
长波组合滤光片7由4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，实现多光谱成像。
长波焦面器件8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.基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：包括可见光通道和红外通道；可见光通道包括主镜（1）、次镜（2）、可见光通道折转反射镜（9）、可见光通道三镜（10）、可见光通道焦面器件（11）；红外通道包括主镜（1）、次镜（2）、红外通道三镜（3）、分色片（4）、中短波通道组合滤光片（5）、中短波通道焦面器件（6）、长波红外通道组合滤光片（7）、长波通道焦面器件（8）；可见光通道和红外通道共用主镜（1）、次镜（2），有各自的相互独立的三镜；所述分色片（4）前表面镀有分色膜，反射中短波谱段，透射长波谱段；红外通道内的中短波谱段和长波谱段共视场，可见光通道与红外通道不共视场；来自可见光通道视场内的光束依次经主镜（1）、次镜（2）反射后，再经可见光通道折转反射镜（9）反射到达可见光通道三镜（10）后，反射光束充满可见光通道出瞳后在可见光通道焦面器件（11）处成像；红外通道视场内射入的光束依次经过离轴三反主镜（1）、次镜（2）反射后，再经红外通道三镜（3）反射到达楔形分色片（4）；中短波视场内的光束经分色片（4）前表面反射，并透过中短波组合滤光片（5）后在中短波焦面器件（6）处成像；长波视场内的光束透过分色片（4）后，再透过长波红外通道组合滤光片（7），在长波通道焦面器件（8）处成像；所述的中短波通道组合滤光片（5）和长波红外通道组合滤光片（7）均由多片矩形薄平板拼接而成，在每个矩形薄平板两个面上针对工作谱段增透膜。
2.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：所述的可见光通道三镜（10）镜面法线与红外通道三镜（3）的镜面法线夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：所述的主镜（1）、红外通道三镜（3）和可见光通道三镜（10）的面形均为凹非球面反射镜，次镜（2）的面形为凸球面。
4.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：所述的有中间像离轴三反光学系统的主镜（1）、次镜（2）、可见光通道三镜（10）和红外通道三镜（3）的反射面均镀有金属高反射率反射膜。
5.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：所述的分色片（4）为楔板，前后两面均为平面或球面；分色片（4）的中心轴与次镜（2）的中心轴不重合，且与入射至分色片（4）的光束的光轴以一定角度放置，使红外光束与临近光束及光学元件之间不发生干涉。
6.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：所述的可见光通道的相对孔径不大于中短波及长波红外通道的相对孔径。
7.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：在可见光通道与红外通道的出瞳位置均放置光阑，控制不同通道的光束口径；各通道的出瞳均位于各自焦面器件前方沿光束传播方向有限远处。
8.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：可见光通道焦面器件（11）为面阵多光谱TDICCD器件；中短波通道焦面器件（6）为矩形面阵探测器或线阵探测器件；长波通道焦面器件（8）为矩形面阵探测器或线阵探测器件。
9.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：可见光通道折转反射镜（9）表面面形为平面，并采用微晶材料或铝基碳化硅。
10.根据权利要求1所述的基于有中间像离轴三反的宽光谱多通道成像光学系统，其特征在于：光学系统三个通道的中间像均位于次镜（2）后，可见光通道折转反射镜（9）位于可见光通道中间像后。
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