CN109884776B - 基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统 - Google Patents

Abstract

基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统，解决现有现有系统实现成本高、数据量庞大，结构复杂，无法实现实时观测等问题，系统包括前组光学系统、像素级滤光片、后组光学系统和接收像面。前组光学系统为一望远物镜，包含七块球面透镜；像素级滤光片置于前组光学系统像面处进行分光；后组光学系统为一转像系统，包含六块透镜，其中第二片、第四片和第五片透镜为二次曲面透镜，其余为球面透镜；系统孔径光阑置于前组光学系统第四块透镜的前表面。本系统可满足凝视型高光谱成像和高光谱视频拍摄，无需复杂的推扫机制，能实现大视场、高像质、超低畸变和高稳定性，适用于高精度航空航天遥感相机。

Description

基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统

技术领域

本发明涉及空间光学技术领域，具体涉及一种基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统。

背景技术

高光谱遥感图像是一种高维图像，包含目标物体的空间信息和光谱信息。由于很多物质的独有特征往往表现在一些狭窄的光谱范围内，高光谱遥感可提取目标相应谱段的光谱和空间信息，实现隐蔽目标的识别，因此具有传统遥感技术不可比拟的优势，在军用和民用方面都有很重大的意义，目前已广泛应用于军事、地质勘探与地球资源调查、环境与灾害监测、农业、测绘及考古等方面，得到世界各国的重视。

目前技术较为成熟且应用较为广泛的空间遥感高光谱相机的分光方式主要为色散型、干涉型和渐变滤光片型分光方式。其中色散型高光谱相机以棱镜或光栅为分光元件，原理简单，但体积质量庞大且依赖飞行平台推扫，实现成本较高；干涉型高光谱相机虽然分辨率高且图像无畸变，但数据量庞大，结构复杂，无法实现实时观测；基于渐变滤光片的高光谱相机结构简单，但需要推扫成像，对平台稳定性要求较高且需要飞行速度与TDI CCD电荷转移速度严格匹配，实现成本较高。在此背景下，设计出一种高成像质量且无需推扫成像的凝视型高光谱相机势在必行。

发明内容

本发明为解决现有系统实现成本高、数据量庞大，结构复杂，无法实现实时观测等问题，提供一种基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统。

基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统，包括前组光学系统、像素级滤光片、后组光学系统和接收像面；目标发出的光束经过前组光学系统成像于中间像面处，中间像面处的中间像经过置于所述中间像面处的像素级滤光片分光后继续经后组光学系统再次成像于接收像面处，所述接收像面处获得目标的高光谱图像信息；所述中间像面处设置视场光阑和内遮光罩。

本发明的有益效果：本发明所述的高光谱光学系统，适用于高精度航空航天遥感相机，具体有几下优点：

1、基于本发明所述光学系统的高光谱遥感相机的成像模式为凝视成像，无需平台推扫，降低了结构、电子学和后期图像处理的难度。

2、前组光学系统设计成摄远物镜形式，缩短了光学系统总长，用于航天遥感时节约了星上空间，降低整星质量，节约发射成本。

3、本发明由于存在中间像，可在中间像面位置设置视场光阑和内遮光罩，从而有效地消除视场外杂光，降低对外遮光罩长度的要求。

附图说明

图1为本发明所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统的结构示意图。

图2为本发明所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统的调制传递函数曲线图。

图3为本发明所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统的畸变曲线图。

图4为本发明所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统中前组光学系统的结构示意图。

图5为前组光学系统的调制传递函数曲线图。

图6为前组光学系统的畸变曲线图。

图7为本发明所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统中后组光学系统的结构示意图。

图8为后组光学系统调制传递函数曲线图。

图9为后组光学系统畸变曲线图；

图10为中间像面处滤光片、视场光阑和内遮光罩相对位置示意图。

图中：1、前组光学系统，1-1、第一透镜，1-2、第二透镜，1-3、第三透镜，1-4、第四透镜，1-5、第五透镜，1-6、第六透镜，1-7、第七透镜，2、像素级滤光片，3、后组光学系统，3-1、第八透镜，3-2、第九透镜，3-3、第十透镜，3-4、第十一透镜，3-5、第十二透镜，3-6、第十三透镜，4、接收像面，5、视场光阑，6、内遮光罩。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图10说明本实施方式，基于像素级滤光片的大视场、低畸变高光谱光学系统，本实施方式中的光学系统的工作谱段为0.9～1.7μm，入瞳口径为46mm，光学系统焦距为170mm，全视场4.2°，系统总长252mm。

结合图1，包括前组光学系统1、像素级滤光片2、后组光学系统3和接收像面4。其中像素级滤光片1的左侧部分为前组光学系统1，右侧为后组光学系统3。前组光学系统1为一望远物镜，目标发出的光束经过前组光学系统1成像于中间像面处，中间像面处的中间像经过置于其处的像素级滤光片2分光后继续传播，经过后组光学系统3再次成像于接收像面3处，便得到目标的高光谱图像信息。

本实施方式中，所述光学系统中的前组光学系统1为像方远心系统形式，像方主光线平行于光轴，便于与后组光学系统对接。所述后组光学系统3为物方远心系统形式，物方主光线平行于光轴，便于与前组系统对接。

结合图4，前组光学系统共有七片透镜，均是球面透镜。具体为包括依次同轴设置的第一透镜1-1、第二透镜1-2、第三透镜1-3、第四透镜1-4、第五透镜1-5、第六透镜1-6和第七透镜1-7；

所述第一透镜1-1、第四透镜1-4和第七透镜1-7为双凸透镜，第二透镜1-2和第六透镜1-6为正弯月透镜，第三透镜1-3和第五透镜1-5为双凹透镜。所述第一透镜1-1、第二透镜1-2和第五透镜1-5均采用冕牌玻璃；所述第三透镜1-3、第四透镜1-4、第六透镜1-6和第七透镜1-7均采用火石玻璃。

第六透镜1-6和第七透镜1-7为正组透镜，用于控制主光线入射角，使系统成为像方远心光路形式。第五透镜1-5具有很大的负光焦度，用于平衡正组透镜带来的过大的正光焦度。第三透镜1-3、第四透镜1-4玻璃材料色散系数接近，与第五透镜1-5色散系数相差较大，组合使用以复消色差。将视场光阑5设于第四透镜1-4前表面处使系统为准光学对称形式以消畸变。系统焦距大于筒长，用于缩短系统整体长度，节约星上空间。图5和图6分别为前组光学系统的调制传递函数曲线图和畸变曲线图，可以看出调制传递函数接近衍射极限，最大畸变值低于0.0002。

图中，T表示子午光线的调制传递函数曲线，S表示弧矢光线的调制传递函数曲线，DIFF,LIMIT表示调制传递函数的衍射极限，图2和图5中的DEG表示“度”，为视场角的单位，图8中的MM表示“毫米”，为物高的单位。

结合图7，所述的后组光学系统3为一个转像系统，包含六块透镜，具体包括依次同轴设置的第八透镜3-1、第九透镜3-2、第十透镜3-3、第十一透镜3-4、第十二透镜3-5和第十三透镜3-6；所述第九透镜3-2、第十一透镜3-4和第十二透镜3-5均为二次曲面透镜；所述第八透镜3-1、第十透镜3-3和第十三透镜3-6均为球面透镜；

第八透镜3-1和第十三透镜3-6为正弯月透镜；第九透镜3-2、第十透镜3-3、第十一透镜3-4均为负弯月透镜；第十二透镜3-5为双凸透镜。第十二透镜3-5和第十三透镜3-6采用冕牌玻璃；第八透镜3-1、第九透镜3-2、第十透镜3-3和第十一透镜3-4均为火石玻璃。

第十透镜3-3、第十一透镜3-4材料色散系数接近，与第十二透镜3-5色散系数相差较大，组合使用以复消色差。第八透镜3-1光焦度为正且光焦度较大，用于控制主光线入射角，使系统成为物方远心光路形式。第九透镜3-2光焦度为负，产生负畸变，用以平衡第八透镜3-1产生的正畸变。图8和图9分别为后组光学系统的调制传递函数曲线图和畸变曲线图，可以看出调制传递函数接近衍射极限，最大畸变值小于0.0005。

本实施方式中的后组光学系统成像质量优良以便将中间像面经过像素级滤光片分光后的像以像素尺寸级别的精度转成于接收像面处。具体表现为其调制传递函数接近衍射极限，相对畸变小于0.0005，横向放大率为-1。

本实施方式中，所述的前组光学系统1成像质量优于实际应用要求的成像质量，因为其所成的像经过后组光学系统之后像质会有所降低。置于中间像面处的像素级滤光片的特征是其分光单位的排列方式和尺寸与探测器像元的排列方式和尺寸一致。

所述光学系统中的前组光学系统的像方数值孔径和后组光学系统的物方数值孔径相等。以确保能实现前后组系统对接。

本实施方式中，所述前组光学系统和后组光学系统均实现了较高像质和较低畸变，且前组光学系统像方数值孔径和后组光学系统物方数值孔径相等，实现了对接后的光学系统的高像质和超低畸变。其调制传递函数曲线图和畸变曲线图如图2和图3所示，可以看出，光学系统的调制传递函数接近衍射极限，最大畸变值小于0.0007。这种超低畸变的光学系统对提高遥感精度是十分有利的。

本实施方式中，光学系统由于具有中间像面，可在中间像面位置设置视场光阑5和内遮光罩6，从而有效地消除视场外杂光，降低对外遮光罩长度的要求。

Claims (7)

1.基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，包括前组光学系统(1)、像素级滤光片(2)、后组光学系统(3)和接收像面(4)；其特征是：

目标发出的光束经过前组光学系统(1)成像于中间像面处，中间像面处的中间像经过置于所述中间像面处的像素级滤光片(2)分光后继续经后组光学系统(3)再次成像于接收像面(4)处，所述接收像面(4)处获得目标的高光谱图像信息；

所述中间像面处设置视场光阑(5)和内遮光罩(6)；

所述前组光学系统(1)包括依次同轴设置的第一透镜(1-1)、第二透镜(1-2)、第三透镜(1-3)、第四透镜(1-4)、第五透镜(1-5)、第六透镜(1-6)和第七透镜(1-7)；所述第四透镜(1-4)的前表面设置视场光阑(5)；

所述第一透镜(1-1)、第四透镜(1-4)和第七透镜(1-7)为双凸透镜，第二透镜(1-2)和第六透镜(1-6)为正弯月透镜，第三透镜(1-3)和第五透镜(1-5)为双凹透镜；

所述后组光学系统(3)为转像系统，包括依次同轴设置的第八透镜(3-1)、第九透镜(3-2)、第十透镜(3-3)、第十一透镜(3-4)、第十二透镜(3-5)和第十三透镜(3-6)；所述第九透镜(3-2)、第十一透镜(3-4)和第十二透镜(3-5)均为二次曲面透镜；所述第八透镜(3-1)、第十透镜(3-3)和第十三透镜(3-6)均为球面透镜。

2.根据权利要求1所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：所述前组光学系统(1)为像方远心系统像方主光线平行于光轴，后组光学系统为物方远心系统，物方主光线平行于光轴。

3.根据权利要求1所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1-1)、第二透镜(1-2)和第五透镜(1-5)均采用冕牌玻璃；

所述第三透镜(1-3)、第四透镜(1-4)、第六透镜(1-6)和第七透镜(1-7)均采用火石玻璃。

4.根据权利要求1所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：置于中间像面处的像素级滤光片(2)的分光单位的排列方式和尺寸与探测器像元的排列方式和尺寸一致。

5.根据权利要求1所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：第八透镜(3-1)和第十三透镜(3-6)为正弯月透镜；第九透镜(3-2)、第十透镜(3-3)、第十一透镜(3-4)均为负弯月透镜；第十二透镜(3-5)为双凸透镜。

6.根据权利要求5所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：第十二透镜(3-5)和第十三透镜(3-6)采用冕牌玻璃；第八透镜(3-1)、第九透镜(3-2)、第十透镜(3-3)和第十一透镜(3-4)均为火石玻璃。

7.根据权利要求1所述的基于像素级滤光片的大视场、低畸变新型高光谱光学系统，其特征在于：所述前组光学系统(1)像方数值孔径和后组光学系统(3)物方数值孔径相等。

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