CN103940743A - 基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统 - Google Patents

基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统 Download PDF

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周锦松
董伟
相里斌
张金刚
聂云峰
黄旻
冯蕾
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Abstract

本发明公开了一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统，该系统包括：一前置镜、第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；其中，所述前置镜像面处设有用于平均分配左右视场的狭缝；所述第一与第二Offner中继成像系统分设在所述前置镜两侧，均包括：第一与第二反射镜、第一与第二Féry棱镜、次镜与像面；所述前置镜像面处的狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；分别对应的进入第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；入射光线依次经过第一Féry棱镜、第一反射镜、次镜、第二反射镜及第二Féry棱镜达到像面。通过采用本发明公开的系统，减小体积和重量，同时增大了系统的刈幅宽度。

Description

基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统。
背景技术
Féry棱镜（即曲面棱镜，是将传统平面棱镜的工作平面加工为球面）提出于20世纪初期，90年代开始应用于光谱成像技术领域。Féry棱镜是把传统棱镜的两个平面加工为球面，能够获得“纯净的光谱”，并通过理论研究表明Féry棱镜光谱成像仪可以直接放置在非平行光路中，从而避免准直镜和成像镜的使用，降低谱带弯曲和谱线弯曲。
现有的Offner中继成像系统由三片球面反射镜组成，主镜、次镜、三镜，光线入射主镜后经主镜反射到次镜，再由次镜反射给三镜，最后成像于像面处，整个系统是一种对称的结构。
视场影响机载光谱成像系统的遥感作业效率。光谱成像系统前置镜的视场受光学设计方面的限制，获得大的刈幅宽度目前采用较多的方法是多台独立光谱成像系统的视场拼接。这种拼接方案造成全系统的体积过大，不能满足光谱成像系统小型化、轻量化的发展需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统，减小体积和重量，同时增大了系统的刈幅宽度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统，该系统包括：一前置镜、第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；
其中，所述前置镜像面处设有用于平均分配左右视场的狭缝；
所述第一与第二Offner中继成像系统分设在所述前置镜两侧，均包括：第一与第二反射镜、第一与第二Féry棱镜、次镜与像面；
所述前置镜像面处的狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；分别对应的进入第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；入射光线依次经过第一Féry棱镜、第一反射镜、次镜、第二反射镜及第二Féry棱镜达到像面。
进一步的，所述前置镜像面处的狭缝长度为49.86mm。
进一步的，所述前置镜视场角为28°，狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；
其中，所述左半视场在离轴方向上离轴0.5°，其刈幅方向-0.117°～14°入射到第一Offner中继成像系统中的第一反射镜中；
所述右半视场在离轴方向上离轴-0.5°，其刈幅方向0.117°～-14°入射到第二Offner中继成像系统中的第二反射镜中。
进一步的，所述前置镜为像方远心光路，其像方数值孔径为0.12；
所述第一与第二Offner中继成像系统为物方远心光路，其物方数值孔径NA为0.12。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用单个前置镜和两个光谱成像仪的视场内拼接，采用透射式系统作为前置镜和基于Offner中继系统的Féry棱镜结构作为光谱成像系统，与目前常用的视场外拼接相比，该结构紧凑、轻量化、简单化，并且可增大了系统的刈幅宽度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统的示意图；
图2为本发明实施例一提供的Féry棱镜会聚光路原理的示意图。
图3为本发明实施例一提供的单个前置镜和两个相同的Offner中继成像系统进行视场内拼接的示意图
图4a为本发明实施例一提供的一种视场分割的侧视图；
图4b为本发明实施例一提供的一种视场分割的正视图；
图5a为本发明实施例一提供的左半视场450nm各视场的MTF曲线的示意图；
图5b为本发明实施例一提供的左半视场700nm各视场的MTF曲线的示意图；
图5c为本发明实施例一提供的左半视场1000nm各视场的MTF曲线的示意图；
图5d为本发明实施例一提供的右半视场450nm各视场的MTF曲线的示意图；
图5e为本发明实施例一提供的右半视场700nm各视场的MTF曲线的示意图；
图5f为本发明实施例一提供的右半视场1000nm各视场的MTF曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统的示意图。如图1所示，该系统包括：一前置镜、第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；
其中，所述前置镜像面处设有用于平均分配左右视场的狭缝；
所述第一与第二Offner中继成像系统分设在所述前置镜两侧，均包括：第一与第二反射镜、第一与第二Féry棱镜、次镜与像面；
所述前置镜像面处的狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；分别对应的进入第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；入射光线依次经过第一Féry棱镜、第一反射镜、次镜、第二反射镜及第二Féry棱镜达到像面。
进一步的，所述前置镜像面处的狭缝长度为49.86mm。
进一步的，所述前置镜视场角为28°，狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；
其中，所述左半视场在离轴方向上离轴0.5°，其刈幅方向-0.117°～14°入射到第一Offner中继成像系统中的第一反射镜中；
所述右半视场在离轴方向上离轴-0.5°，其刈幅方向0.117°～-14°入射到第二Offner中继成像系统中的第二反射镜中。
进一步的，所述前置镜为像方远心光路，其像方数值孔径为0.12；
所述第一与第二Offner中继成像系统为物方远心光路，其物方数值孔径NA为0.12。
图1中，各个附图标记解释如下：1为前置物镜，2为第一Offner中继成像系统的反射镜（先接收到入射光线的为第一反射镜），3为第二Offner中继成像系统的反射镜（先接收到入射光线的为第一反射镜），4为第一Offner中继成像系统的次镜，5为第二Offner中继成像系统的次镜，6为第二Offner中继成像系统的第二Féry棱镜，7为第二Offner中继成像系统的第一Féry棱镜，8为第一Offner中继成像系统的第一Féry棱镜，9为第一Offner中继成像系统的第二Féry棱镜。
所述第一Féry棱镜的参数如表1所示：
面 半径/mm 玻璃材料 厚度/mm 绕X轴旋转/°
第一面 -108.99 SILICA 4.06 2.47
第二面 -114.69
表1第一块Féry棱镜的参数
所述第二Féry棱镜的参数如表2所示：
面 半径/mm 玻璃材料 厚度/mm 绕X轴旋转/°
第一面 -61.64 H-ZF72A 7.12 1.81
第二面 -55.26
表2第二块Féry棱镜的参数
进一步的，为了便于理解，下面结合附图2-4对本发明做进一步说明。
如图2所示，为本发明实施例中Féry棱镜会聚光路原理的示意图。R1、R2分别为前后通光表面的曲率半径，S为入射R1面的物，S’为S经入射R1面折射的像，同时S1（S’）亦为R2面的虚物，S1’为S1经R2面折射的像，i、i‘分别为入射角和折射角。
本发明实施例中，利用单个前置镜和两个相同的Offner中继成像系统进行视场内拼接。如图3所示，前置镜像面处设有狭缝用于分割视场（如图4a-图4b所示，分别为视场分割侧视图与正视图。图中1-2表示狭缝，3表示反射镜），机载载荷高度为5km，前置镜对应地面2.493km的刈幅宽度，对应49.86mm的狭缝长度。两个Offner中继成像系统的狭缝长度均为25.2mm，狭缝处视场重叠0.408mm，地面重叠0.0204km。
前置镜视场角为28°，线视场平均分配为左半视场和右半视场。左半视场在离轴方向上离轴0.5°，刈幅方向-0.117°～14°的左半视场入射到第一Offner中继成像系统的反射镜，色散接近1mm；右半视场在离轴方向上离轴-0.5°，刈幅方向0.117°～-14°的右半视场入射到Offner中继成像系统2的反射镜，色散接近1mm。
为实现光瞳匹配，前置镜的像方数值孔径NA为0.12，Offner中继成像系统的物方数值孔径NA为0.12，前置镜为像方远心光路，Offner中继成像系统为物方远心光路。狭缝后两个角度可调节的反射镜可以自由调整Offner中继成像系统在全系统中的位置。Offner中继成像系统向前推扫形成空间维，狭缝处色散形成光谱维，载荷的飞行高度为5km，瞬时视场角为0.0068°，地面分辨率为0.6m，总刈幅宽度为2.493km。两个Offner中继成像系统分别接收1.2564km的地面刈幅宽。获得推扫的数据之后，通过数据拼接得到完整的2.493km地面图像。
如图5a-5f所示，为本发明实施例所提供的基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统的典型波长在全视场的传递函数；其中，图5a为左半视场450nm各视场的MTF（调制传递）曲线；图5b为左半视场700nm各视场的MTF曲线；图5c为左半视场1000nm各视场的MTF曲线；图5d为右半视场450nm各视场的MTF曲线；图5e为右半视场700nm各视场的MTF曲线；图5f为右半视场1000nm各视场的MTF曲线。从图中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射极限。
本发明实施例中，在系统设计过程中，可使用Zemax软件分别设计前置镜和Offner中继成像系统，然后使用Zemax多重组态结构仿真大视场高光谱成像系统，最后对仿真结果进行分析。
本发明上述实施例的方案与现有技术相比，主要具有如下优点：
1）分视场采用单个前置镜多光谱成像仪系统，省了一个前置镜，结构变得紧凑轻量化，同时亦能获得大视场。
2）Offner中继成像系统两臂各插入一块Féry棱镜可以理想的矫正谱线弯曲和谱带弯曲。
4）设计高光谱成像系统时采用了zemax（软件）多重组态，谱带弯曲和谱线弯曲控制的很好。
5）采用一体化的优化设计，提高了系统设计过程中的精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于Féry棱镜的一体化机载大视场高光谱成像系统，其特征在于，该系统包括：一前置镜、第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；
其中，所述前置镜像面处设有用于平均分配左右视场的狭缝；
所述第一与第二Offner中继成像系统分设在所述前置镜两侧，均包括：第一与第二反射镜、第一与第二Féry棱镜、次镜与像面；
所述前置镜像面处的狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；分别对应的进入第一Offner中继成像系统与第二Offner中继成像系统；入射光线依次经过第一Féry棱镜、第一反射镜、次镜、第二反射镜及第二Féry棱镜达到像面。
2.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述前置镜像面处的狭缝长度为49.86mm。
3.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，
所述前置镜视场角为28°，狭缝将光线平均分为左半视场和右半视场；
其中，所述左半视场在离轴方向上离轴0.5°，其刈幅方向-0.117°～14°入射到第一Offner中继成像系统中的第一反射镜中；
所述右半视场在离轴方向上离轴-0.5°，其刈幅方向0.117°～-14°入射到第二Offner中继成像系统中的第二反射镜中。
4.根据权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，
所述前置镜为像方远心光路，其像方数值孔径为0.12；
所述第一与第二Offner中继成像系统为物方远心光路，其物方数值孔径NA为0.12。
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