CN111880297A - 一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统 - Google Patents
一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光学成像领域，针对红外波段对大视场、低畸变、高成像质量光学系统的需求，提出一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统。主要用于星载大范围中等分辨率气象观测等领域。沿光线传播方向依次包括第一球面反射镜、第二球面反射镜、n组折轴镜及n组成像补偿透镜组；系统为离轴系统；n组成像补偿透镜组呈扇形分布在第二球面反射镜的出光处，一组光阑、一组折轴镜与一组成像补偿透镜组构成一个单独的成像通道；入射光依次经过第一球面反射镜、第二球面反射镜及折轴镜的反射后通过每个光阑后垂直入射至相应成像通道的补偿透镜组。该光学系统具有成像质量高、成像视场大、全视场恒定地元分辨率、可工作于红外波段等特点。
Description
技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统。主要用于星载大范围中等分辨率气象观测，也可用于城市安全监控、国土普查、防灾减灾等领域。
背景技术
卫星海洋遥感对观测与研究全球海洋环境和海洋资源具有重要作用，其特点是快速、连续、大范围和能同时观测多个参数。全球已发射了多颗探测海洋的气象卫星，主遥感器包含可见光多光谱扫描辐射计，特点是灵敏度和信噪比高，扫描视场宽，成像畸变小。
Orbview-2卫星上搭载的宽视场海洋遥感器SeaWiFS，采用摆扫方式扫描±58.3°，实现了2800km的超大幅宽，星下点分辨率为1.13km。EOS Terra卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪MODIS，采用摆扫方式扫描±55°，实现2330km的扫描幅宽，星下点分辨率在不同的谱段分别为250m，500m和1000m。极轨运行环境卫星系统NPOESS搭载的可见光红外成像辐射仪VIIRS，采用摆扫方式扫描±55.8°，实现了3000km的超大幅宽，星下点分辨率为390m。Envisat-1卫星上搭载的MERIS，采用5个固定焦距相机组成的相机阵列实现对68.5°视场内推扫成像，实现1150km幅宽成像，星下点分辨率为250m。Sentinel-3卫星上搭载的OLCI，采用5个固定焦距相机组成的相机阵列实现对68.4°视场内推扫成像，实现1150km幅宽成像，星下点分辨率为300m。中国第一代极轨气象卫星系列FY-1搭载了多通道可见光和红外扫描辐射度计(MVISR)，其扫描角度为±55.4°，星下点分辨率达1.1km成像幅宽约为2800km。在第二代极轨气象卫星系列FY-3上搭载了中分辨率光谱成像仪(MERSI)，其扫描角度为±55.4°，星下点分辨率达0.1km，成像幅宽约为2800km。海洋一号(HY-1)卫星搭载的十波段水色扫描仪采用摆扫方式扫描±35.2°，星下点分辨率为1100m。
美国杜克大学D.J.Brady等人为解决大视场、低畸变、高分辨率成像提出了基于同心球透镜的多尺度光学系统设计方案。该方案将全视场分割为多个子视场，每一个子视场有独立的补偿镜补偿局部像差，保证单个子视场内成像质量良好且畸变很小，多个子系统拼接实现全视场内高成像质量低畸变。中国多家单位也申请了相关专利：2012年北京空间机电研究所申请的专利号为103064171A的专利《一种新型高分辨率大视场光学成像系统》，2013年苏州大学申请的专利号为203838419U的专利《用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统》，2014年苏州大学申请的专利号为204188263U的专利《一种大视场凝视式光谱成像系统》，2014年西安电子科技大学申请的专利号为104079808A的专利《超高分辨率宽场成像系统》以及西安光学精密机械研究所2016年申请的专利号为ZL 201610265166.5的专利《适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统》。以上专利虽然在内容上有不同，但是共同点都是基于同心球透镜的同心多尺度设计。
目前越来越多的应用环境下需求红外波段大视场、低畸变、高分辨率成像，但是受红外材料的低透射率的影响，基于同心球透镜多尺度光学系统方案很难应用于红外波段。
发明内容
本发明的目的是针对红外波段对大视场、低畸变、高成像质量光学系统的需求，提出了基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统。该光学系统具有成像质量高、成像视场大、全视场恒定地元分辨率、可工作于红外波段等特点。
本发明的技术解决方案是提供一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特殊之处在于：沿光线传播方向依次包括第一球面反射镜、第二球面反射镜、n组折轴镜及n组成像补偿透镜组；还包括位于第二球面反射镜的n组光阑；所述第一球面反射镜与第二球面反射镜同心；其中n为大于等于1的自然数；
所述系统为离轴系统；
所述n组成像补偿透镜组呈扇形分布在第二球面反射镜的出光处，且与入射至第一球面反射镜的入射光不在同一个平面上；一组光阑、一组折轴镜与一组成像补偿透镜组构成一个单独的成像通道；
为保证成像补偿透镜组不与入射光线相互遮挡，同心双球面反射镜相对于入射光轴有一个固定偏心量；为了压缩系统尺寸，系统采用折轴镜，为了配合反射光线，补偿透镜组偏心倾斜使得入射主光线垂直于补偿透镜组；
入射光依次经过第一球面反射镜、第二球面反射镜及折轴镜的反射后通过每个光阑后垂直入射至相应成像通道的补偿透镜组；
系统选用推扫的成像模式，每一个成像通道的视场均选用矩形视场，不同成像通道的宽视场部分相互重叠后覆盖整个成像视场；每一成像通道的窄视场方向一致，与中心零视场偏离设定角度。
上述同球面反射镜与各个补偿透镜组之间为离轴关系，由于在窄视场方向与中心零视场偏离了一定角度，导致球面反射镜的实际使用部分仅为偏离对称中心的离轴部分；由于每一成像通道的窄视场方向选取的一致，所以说每一成像通道利用的球面反射镜部分中心点相同，通过延展同心球面反射镜就可以将所有的系统拼接在一起，实现近半球视场成像。
进一步地，补偿透镜组由4片透镜和1片滤光片组成，沿光路依次为：第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜；所述第一负透镜的光学特性为：-f’<f’1<-0.5f’,-f’<R1<-0.5f’,-f’<R2<-0.5f’；所述第一正透镜的光学特性为：10f’<f’2<12f’,-2f’<R3<-f’,-2f’<R4<-f’；所述第二正透镜的光学特性为：0.5f’<f’3<f’,-f’<R5<0,-f’<R6<0；所述第二负透镜的光学特性为：-f’<f’4<0,-f’<R7<0,-2f’<R8<-f’；其中，f’为系统焦距，f’2>0，f’1、f’2、f’3、f’4依次为组成补偿透镜组的4片透镜的焦距；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8依次为4片透镜所对应的8个曲率半径。同时上述的球面反射镜和成像补偿透镜之间的距离为光学系统焦距一倍以上，以保证排布足够多的成像补偿透镜且各个补偿透镜之间不会相互干涉。
进一步地，结合推扫的成像模式，所述成像补偿透镜组在垂直于推扫方向上排列，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量。
进一步地，所述第一球面反射镜与第二球面反射镜均为球面长条状反射镜。
进一步地，不同成像通道的宽视场通过相互重叠5％来覆盖整个成像视场。
进一步地，还包括设置在每个成像面前的玻璃平板。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用同心双球面反射镜并将光阑设置在同心双球面反射镜的第二镜，充分利用球面反射镜全视场旋转对称的光学特性，实现近半球视场成像；
2.本发明同心双球面反射镜、折轴镜与补偿透镜组之间的间隔能够有效的分开各个通道的成像光束，有利于杂散光抑制；
3.本发明每个成像通道的成像光束被有效分开，避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测；
4.本发明光学系统在整个视场上接近衍射极限的成像质量；
5.本发明光学系统的有效视场理论上可以接近360°，结合推扫的成像模式可以获得极大的成像幅宽；
6.本发明在接近360°的全视场范围内，所有视场的畸变小于5％；
7.本发明成像谱段覆盖8-12μm，覆盖了常用的长波红外波段；
8.本发明结合推扫的成像模式，整个系统的成像微透镜仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；
9.本发明系统设计时光学总长足够长，可以保证在像面上排布足够多的相机且各个相机之间不会相互干涉；同时组成补偿透镜组的镜片排布很紧密，对于系统安装装调都非常有利。
附图说明
图1为本发明光学系统的单通道结构示意图；
图2a为本发明光学系统的补偿透镜组X-Z视图；
图2b为本发明光学系统的补偿透镜组Y-Z视图；
图3为本发明光学系统光路结构示意图；
图4为本发明光学系统的MTF曲线；
图5为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦的弥散斑图；
图6为本发明光学系统的场曲和畸变曲线；
图中附图标记为：1-第一球面反射镜，2-第二球面反射镜，3-折轴镜，4-第一负透镜，5-第一正透镜，6-第二正透镜，7-第二负透镜，8-滤光片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，在光学路径上依次放置两个同心的球面反射镜分别为第一球面反射镜1和第二球面反射镜2。为了对每个校正镜组对应的成像通道单独抑制杂光，且充分利用同心双球面反射镜全视场旋转对称的光学特性，按照光学设计结果在第二球面反射镜2前方对应位置依次放置各个折轴镜3和补偿透镜组；各个成像补偿透镜组呈扇形分布在第二球面反射镜的出光处，且与入射至第一球面反射镜的入射光不在同一个平面上。该光学系统为离轴系统(第一球面反射镜1和第二球面反射镜2同轴，补偿透镜组中各镜片同轴，其余均不同轴)，每个成像通道的成像光束被有效分开，避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测。结合推扫的成像模式，整个系统的成像微透镜仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；每一个成像通道的视场均选用矩形视场，不同成像通道的宽视场通过相互重叠5％来覆盖整个成像视场；每一成像通道的窄视场方向一致，与中心零视场偏离设定角度。由于在窄视场方向与中心零视场偏离了一定角度，导致两个同心球面反射镜的实际使用部分仅为偏离对称中心的离轴部分；由于每一成像通道的窄视场方向选取的一致，所以说每一成像通道利用的同心球面反射镜部分中心点相同，通过延展同心球面反射镜就可以将所有的系统拼接在一起，实现近半球视场成像。
其中补偿透镜组由4片透镜和1片滤光片组成，如图2所示，沿光路依次为：第一负透镜4、第一正透镜5、第二正透镜6及第二负透镜7；第一负透镜的光学特性为：-f’<f’1<-0.5f’,-f’<R1<-0.5f’,-f’<R2<-0.5f’；第一正透镜的光学特性为：10f’<f’2<12f’,-2f’<R3<-f’,-2f’<R4<-f’；第二正透镜的光学特性为：0.5f’<f’3<f’,-f’<R5<0,-f’<R6<0；第二负透镜的光学特性为：-f’<f’4<0,-f’<R7<0,-2f’<R8<-f’；其中，f’为系统焦距，f’2>0，f’1、f’2、f’3、f’4依次为组成补偿透镜组的4片透镜的焦距；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8依次为4片透镜所对应的8个曲率半径。同时上述的球面反射镜和成像补偿透镜之间的距离为光学系统焦距一倍以上，以保证排布足够多的成像补偿透镜且各个补偿透镜之间不会相互干涉。
考虑到长波红外系统经常采用制冷模式，通常的方案中一般采用冷光阑的方式解决；但是采用冷光阑方案限制了系统的成像视场，在本发明中将全视场分段，每一个通道的视场有限，并且在系统成像面处设置玻璃平板，通过将部分补偿透镜制冷的方式实现红外探测器的制冷。
本实施例所提供的光学系统的系统焦距为72mm，成像视场为10°，探测器像元尺寸为25μm，通过拼接实现110°的全视场；系统F#为2，全视场无渐晕。如图4、图5和图6所示，在8μm-12μm波段范围内全视场范围内MTF均接近衍射极限，相对畸变小于5％，相对于中心波长(10μm)的弥散斑能量质心偏差5μm以内。若将该相机应用于800km的近地轨道卫星上，可以在110°视场范围内获得恒定地元分辨率优于1200m的接近衍射极限的成像质量。
通过对该实施例进行等比例缩放，在同等F#和视场情况下，可以实现轨道飞行高度小于800km情况下，在接近180°视场内实现接近衍射极限的成像质量，并且可以在110°视场范围内具有恒定地元分辨率。
Claims (6)
1.一种基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：沿光线传播方向依次包括第一球面反射镜、第二球面反射镜、n组折轴镜及n组成像补偿透镜组；还包括位于第二球面反射镜的n组光阑；所述第一球面反射镜与第二球面反射镜同心；其中n为大于等于1的自然数；
所述系统为离轴系统；
所述n组成像补偿透镜组呈扇形分布在第二球面反射镜的出光处，且与入射至第一球面反射镜的入射光不在同一个平面上；一组光阑、一组折轴镜与一组成像补偿透镜组构成一个单独的成像通道；
入射光依次经过第一球面反射镜、第二球面反射镜及折轴镜的反射后通过每个光阑后垂直入射至相应成像通道的补偿透镜组；
每一个成像通道的视场均选用矩形视场，不同成像通道的宽视场部分相互重叠后覆盖整个成像视场；每一成像通道的窄视场方向一致，与中心零视场偏离设定角度，通过延展第一球面反射镜、第二球面反射镜能够将所有的成像通道拼接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：补偿透镜组由4片透镜和1片滤光片组成，沿光路依次为：第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜；所述第一负透镜的光学特性为：-f’<f’1<-0.5f’,-f’<R1<-0.5f’,-f’<R2<-0.5f’；所述第一正透镜的光学特性为：10f’<f’2<12f’,-2f’<R3<-f’,-2f’<R4<-f’；所述第二正透镜的光学特性为：0.5f’<f’3<f’,-f’<R5<0,-f’<R6<0；所述第二负透镜的光学特性为：-f’<f’4<0,-f’<R7<0,-2f’<R8<-f’；其中，f’为系统焦距，f’2>0，f’1、f’2、f’3、f’4依次为组成补偿透镜组的第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜的焦距；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8依次为第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜、第二负透镜所对应的曲率半径。
3.根据权利要求2所述的基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：所述成像补偿透镜组在垂直于推扫方向上排列。
4.根据权利要求3所述的基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：所述第一球面反射镜与第二球面反射镜均为球面长条状反射镜。
5.根据权利要求4所述的基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：不同成像通道的宽视场通过相互重叠5％来覆盖整个成像视场。
6.根据权利要求5所述的基于同心双球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特征在于：还包括设置在每个成像面前的玻璃平板。
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