CN104483750A

CN104483750A - 一种大像面内扫描分时成像光学系统

Info

Publication number: CN104483750A
Application number: CN201510008474.5A
Authority: CN
Inventors: 任智斌; 郑烁; 曲荣召; 马驰; 丰恒; 智喜洋
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-04-01

Abstract

一种大像面内扫描分时成像光学系统，属于遥感光学系统设计与像质分析技术领域。所述光学系统包括主镜、次镜、平面反射镜、三镜、内扫描镜和像面，在成像过程中，光学系统相对于地面保持静止状态，地面辐射的光线经过主镜收集并反射到次镜的表面，次镜将光线会聚到平面反射镜表面，平面反射镜将光线旋转90°后光线反射到三镜表面，三镜将光线会聚并反射到内扫描镜表面，内扫描镜将光线反射到像面供CCD接收。本发明提出的大像面内扫描分时成像光学系统仅采用了一个CCD在不丢失像面信息的情况下，实现了长0.530m、宽0.108m的光学像面的光电变换。与CCD拼接方法相比，具有采用的CCD数量少、不损失光学像面信息的优点。

Description

一种大像面内扫描分时成像光学系统

技术领域

本发明属于遥感光学系统设计与像质分析技术领域，涉及一种大像面内扫描分时成像光学系统。

背景技术

为了实现高分辨率，在地球静止轨道上工作的遥感光学系统的口径大、焦距长、视场大，该光学系统的像面也很大，像面长度可达到米级。但现有CCD（电荷耦合器件）的感光区域长度为厘米量级，无法对米级的整个像面进行光电变换。为了对整个像面进行光电变换，可采取CCD拼接和内扫描两种方式。但是，CCD拼接方法所需的CCD数量多；另外，每块CCD的感光面四周均由外壳封装，CCD之间存在较大的拼接缝隙，在拼接缝隙处无法进行光电变换，导致缝隙处像面信息缺失。采用内扫描分时光电变换方式可在仅采用一个CCD的情况下，通过内扫描镜的旋转，分时地实现整个像面中各子像面的光电变换，不存在像面信息缺失的问题。但内扫描镜旋转的过程中会出现子像面离焦与子像面旋转问题，使得成像质量下降。内扫描镜旋转过程中的离焦和像面旋转问题的解决具有重要的意义，该问题的解决可使大像面成像系统在较大的观测范围内获得良好的成像质量，且不存在像面信息缺失问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大像面内扫描分时成像光学系统，并给出内扫描镜旋转扫描过程中子像面离焦与子像面旋转问题的解决方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大像面内扫描分时成像光学系统，包括主镜、次镜、平面反射镜、三镜、内扫描镜和像面，在成像过程中，光学系统相对于地面保持静止状态，地面辐射的光线经过主镜收集并反射到次镜的表面，次镜将光线会聚到平面反射镜表面，平面反射镜将光线旋转90^o后反射到三镜表面，三镜将光线会聚并反射到内扫描镜表面，内扫描镜将光线反射到像面供CCD接收。由于光学像面的面积远大于CCD的面积，需将光学像面划分为若干个长度、宽度均不超过CCD的感光面长度、宽度的子像面。内扫描镜绕转轴二维转动到某一角度后静止，某子像面被投射到CCD的感光面内，CCD要根据内扫描镜的旋转角度进行相应的平移与旋转才能在保证良好像质的情况下实现该子像面的光电变换。内扫描镜依次按规律转动预先设定的若干角度，分时地将各子像面投射到CCD的感光面上，CCD依次根据内扫描镜的旋转角度进行相应的平移与旋转后进行光电变换，从而获得整个像面信息。

本发明中，所述大像面内扫描分时成像光学系统的口径为3m，焦距为30m，整个视场在水平方向为（-0.5°，0.5°）、垂直方向为（-0.2°，-0.4°），工作波段为可见光波段，光学系统位于轨道高度为36000km的地球静止轨道，可实现628km×125km的地面观测范围。

本发明中，所述主镜为3000.000mm口径的圆形轮廓的二次凹非球面反射镜，中心开有直径为520.000mm的圆孔。主镜的曲率半径为8451.233mm，圆锥系数为-0.973，顶点与次镜中心相距3414.636mm。

本发明中，所述次镜为656.420mm口径的圆形轮廓的二次凸非球面反射镜，次镜的曲率半径为1995.180mm，圆锥系数为-1.891，其顶点与平面反射镜中心相距4683.100mm。

本发明中，所述平面反射镜与光轴夹角为45^o，其轮廓为长870.000mm、宽270.156mm的矩形，其中心与三镜顶点相距1916.627mm，其作用是折转光路，缩短光学系统的长度。

本发明中，所述三镜为长940.000mm、宽440.000mm的方形轮廓的四次凹非球面反射镜。三镜的曲率半径为4567.607mm，圆锥系数为0.872，二次非球面系数为8.408×10^-5，四次非球面系数为7.49×10^-13，其顶点与内扫描镜中心相距2106.866mm。

本发明中，所述内扫描镜为长464.100mm、宽300.020mm的长方形平面反射镜，初始位置与光轴夹角为10^o。内扫描镜的水平、垂直旋转轴均位于内扫描镜平面内，均穿过其中心，且水平、垂直旋转轴互相垂直。

本发明中，所述像面区域为长0.530m、宽0.108m的矩形。

本发明中，所述光电变换器件可选择一种面线阵CCD。

本发明中，由于CCD的感光面积远小于像面的面积，CCD在某一时刻仅能对像面的某个子像面进行光电变换。当内扫描镜绕着位于其表面且通过其中心的水平旋转轴和垂直旋转轴在二维方向上旋转不同的角度时，各子像面便被分时地反射到CCD的感光面上进行光电变换。在内扫描镜的处于不同旋转角度时，各子像面被投射到CCD的感光面上的同时会产生子像面离焦与子像面旋转，需要将CCD进行相应的平移与旋转方可校正内扫描镜产生的子像面离焦与子像面旋转，从而实现仅采用一个CCD对整个大光学像面的分时光电变换。

本发明提出的大像面内扫描分时成像光学系统仅采用了一个CCD在不丢失像面信息的情况下，实现了长0.530m、宽0.108m的光学像面的光电变换。与CCD拼接方法相比，具有采用的CCD数量少、不损失光学像面信息的优点。

附图说明

图1为大像面内扫描分时成像光学系统的光路图；

图2为光学系统的MTF曲线；

图3为像面的划分结构图；

图4为CCD在划分后像面上的位置；

图5为子像面1的中心光线与子像面4的中心光线的相对位置关系图；

图6为内扫描镜旋转后子像面1的中心光线与子像面4的中心光线的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的大像面内扫描分时成像光学系统包括以下部分：主镜1、次镜2、平面反射镜3、三镜4、内扫描镜5和像面6，工作波段为可见光波段。在成像过程中，光学系统相对于地面保持静止状态，地面辐射的可见光经过主镜1收集并反射到次镜2的表面、次镜2将光线会聚到平面反射镜3表面，平面反射镜3将光线旋转90^o后反射到三镜4表面，三镜4将光线会聚并反射到内扫描镜5表面，内扫描镜5将光线反射到像面6供CCD接收。

光学系统的口径为3m，焦距为30m，整个视场在水平方向为（-0.5°，0.5°）、垂直方向为（-0.2°，-0.4°），工作波段为可见光波段，光学系统位于轨道高度为36000km的地球静止轨道，可实现628km×125km的地面观测范围。图2给出了该光学系统的调制传递函数（MTF）曲线，可以看出，该光学系统在全视场范围内MTF值均高于0.4。

本发明以像元为10μm×10μm的正方形、像元数为8000×6000的CCD为例，介绍通过内扫描镜旋转实现该CCD对整个大光学像面进行分时光电变换的原理。

由于所采用的CCD像元为边长10μm的正方形，像元数为8000×6000，所以，CCD的总感光面积仅为80mm×60mm。而光学系统的像面面积为0.530m×0.108m， CCD感光面积远小于像面面积，无法对整个光学像面进行光电变换。若采用14块上述同样的CCD按照每行7块的拼接方式拼成2行可覆盖整个像面，但每块CCD的感光面四周均由外壳封装，CCD之间存在较大的拼接缝隙，缝隙处对应的像面无法进行光电变换，从而导致像面信息缺失。

如图3所示，将像面划分成14个等大的子像面，每个子像面为长75.71mm、宽54.00mm的矩形。划分后，各个子像面刚好被CCD的感光面覆盖。如图4所示，将CCD的中心与子像面4的中心对准安放并覆盖子像面4的整个区域。CCD的水平旋转轴7和垂直旋转轴8安放在CCD背部，CCD沿着水平旋转轴7左右对称，沿垂直旋转轴8上下对称。

表1给出了各子像面中心光线在光学系统中对应的视场角，表1中各子像面中心的前后两个角度值分别表示其中心光线的水平视场角与垂直视场角。内扫描镜5在初始位置时，刚好将子像面4的中心投射到CCD中心实现子像面4的光电变换。

表1各子像面中心对应的视场角

这里以子像面1的光电变换情况为例具体说明内扫描分时成像的原理。图5给出了子像面1的中心光线9与子像面4的中心光线10的相对位置关系。由于光线10在像面上指向CCD的中心位置，为了对子像面1进行光电变换，需要通过内扫描镜旋转将光线9指向CCD中心。图6给出了内扫描镜旋转后光线9与光线10的位置关系，可以看出，子像面1的中心并未与CCD中心重合，产生了子像面离焦现象；且子像面1与CCD平面有一定的夹角，产生了子像面旋转现象。

表2给出了将子像面1～14的中心分别投射到CCD中心时，内扫描镜需要旋转的角度以及旋转产生的子像面离焦量与子像面旋转角度。为实现全部子像面的分时光电变换，内扫描镜在水平方向的旋转角度范围为-7.275°~7.275°，在垂直方向的旋转角度范围为-1.65°~1.65°，旋转过程中产生的子像面最小离焦量为3.269mm、最大离焦量为34.560mm。为了消除由内扫描镜旋转引起的各子像面光电变换过程中的子像面离焦与子像面旋转，CCD应根据表2中的数据进行相应的平移与旋转。其中，CCD的平移是指将CCD沿着其中心与内扫描镜的中心的连线方向作远离扫描镜的直线移动，平移量的大小等于表2中的离焦量数据；CCD旋转是指将CCD沿着水平旋转轴7和垂直旋转轴8进行一定角度的旋转，CCD旋转的角度的大小等于表2中的像面旋转角度数据。这里仍以子像面1的光电变换情况为例阐述，若要将子像面1投射到CCD感光面上，内扫描镜需在水平方向上旋转-7.275^o，垂直方向上旋转0^o（垂直方向上不需要旋转），产生的子像面1的离焦量为25.591mm，子像面1在水平方向上旋转14.663^o、垂直方向上旋转0^o。为了补偿子像面1的离焦与旋转，CCD应平移25.591mm，并在水平方向上旋转14.663^o。

表2内扫描镜的旋转角度以及旋转产生的各子像面离焦量和像面旋转角度数据

Claims

1.一种大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述光学系统包括主镜、次镜、平面反射镜、三镜、内扫描镜和像面，在成像过程中，光学系统相对于地面保持静止状态，地面辐射的光线经过主镜收集并反射到次镜的表面，次镜将光线会聚到平面反射镜表面，平面反射镜将光线旋转90^o后反射到三镜表面，三镜将光线会聚并反射到内扫描镜表面，内扫描镜将光线反射到像面供CCD接收。

2.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述光学系统的口径为3m，焦距为30m，整个视场在水平方向为（-0.5°，0.5°）、垂直方向为（-0.2°，-0.4°）。

3.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述光学系统的工作波段为可见光波段。

4.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述主镜为3000.000mm口径的圆形轮廓的二次凹非球面反射镜，中心开有直径为520.000mm的圆孔，主镜的曲率半径为8451.233mm，圆锥系数为-0.973，顶点与次镜中心相距3414.636mm。

5.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述次镜为656.420mm口径的圆形轮廓的二次凸非球面反射镜，次镜的曲率半径为1995.180mm，圆锥系数为-1.891，其顶点与平面反射镜中心相距4683.100mm。

6.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述平面反射镜与光轴夹角为45^o，其轮廓为长870.000mm、宽270.156mm的矩形，其中心与三镜顶点相距1916.627mm。

7.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述三镜为长940.000mm、宽440.000mm的方形轮廓的四次凹非球面反射镜，三镜的曲率半径为4567.607mm，圆锥系数为0.872，二次非球面系数为8.408×10^-5，四次非球面系数为7.49×10^-13，其顶点与内扫描镜中心相距2106.866mm。

8.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述内扫描镜为长464.100mm、宽300.020mm的长方形平面反射镜，初始位置与光轴夹角为10^o。

9.根据权利要求1或8所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述内扫描镜的水平、垂直旋转轴均位于内扫描镜平面内，均穿过其中心，且水平、垂直旋转轴互相垂直。

10.根据权利要求1所述的大像面内扫描分时成像光学系统，其特征在于所述像面区域为长0.530m、宽0.108m的矩形。