CN112284536A - 一种可见红外图谱协同探测光学系统及配准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见红外图谱协同探测光学系统及配准方法，由第一通道前置光学和第一通道分光光学、第二通道前置光学和第二通道分光光学组成。其中，第一通道在分光器件之后分为可见光谱成像谱段和近红外短波光谱探测谱段，第二通道在分光器件之后分为短波光谱探测谱段和近中波光谱探测谱段。来自物方的光线同时进入两个通道的前置光学中，准直光到达声光滤波器，经电信号调制，出射单色光，后再经各谱段会聚镜的会聚，最终到达各谱段的像面。可见光谱成像谱段对目标进行可见光谱细分成像，其余谱段对目标局部进行光谱探测，既可获取目标的几何形貌亦可实现局部目标的宽谱光谱探测。本发明的优点是：光路布局紧凑，谱段适应性强，凝视成像，易于装调。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种可见红外图谱协同探测光学系统及其及谱段配准方法。
背景技术
光谱类仪器中常用的分光技术有滤光片分光、色散分光、可调滤波器分光和傅里叶分光等技术。其中，声光可调谐滤波器由于其无运动组件、凝视成像等优点，应用比较广泛。通常，航天航空平台对仪器的性能要求高，但给予仪器的体积重量资源有限，因此要求仪器高度紧凑小型化。基于声光可调谐滤波器分光技术能实现仪器的轻小型化，因此在航天上也不少的应用案例。
现有技术存在的主要问题是：谱段范围大且兼具成像和光谱探测的仪器体积不够紧凑；声光可调谐滤波器本身的光谱范围较窄；红外波段采用分色片的方式分谱段，使分色波长的能量不能充分利用。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种可见红外图谱协同探测光学系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
图1是本发明的可见红外图谱协同探测光学系统的示意图，由扫描镜组1、第一通道前置光学2、第一通道分光光学3和第二通道前置光学4、第二通道分光光学5组成。其中，扫描镜组1包括指向镜1.1和转折镜1.2，第一通道在分光器件之后分为可见光谱成像谱段和近红外短波光谱探测谱段，第二通道在分光器件之后分为短波光谱探测谱段和短中波光谱探测谱段。第一通道前置光学2由第一离轴抛物面主镜2.1、第一视场光栏2.2和第一离轴抛物面次镜2.3组成；第一通道的分光器件是可见红外声光滤波器3.2；第一通道分光光学3的可见光谱成像谱段由前格兰棱镜3.1、可见红外声光滤波器3.2、后格兰棱镜3.3、可见红外分色片3.4、可见会聚镜组3.5和可见反射镜3.6组成；第一通道分光光学3的近红外短波光谱探测谱段由前格兰棱镜3.1、可见红外声光滤波器3.2、后格兰棱镜3.3、可见红外分色片3.4、近红外短波反射镜3.7和近红外短波会聚镜3.8组成。第二通道前置光学4由第二离轴抛物面主镜4.1、第二视场光栏4.2和第二离轴抛物面次镜4.3组成；第二通道的分光器件是短中波声光滤波器5.1；第二通道分光光学5的短波光谱探测谱段由短中波反射镜5.2和短波色散补偿会聚镜组5.3组成；第二通道分光光学的短中波光谱探测谱段由短中波反射镜5.2和中波色散补偿会聚镜组5.4组成。其特征在于：
来自物方的光线经指向镜1.1和转折镜1.2反射，再经第一离轴抛物面主镜2.1会聚成像在第一视场光栏2.2处，再发散至第一离轴抛物面次镜2.3，准直后经可见红外的前格兰棱镜3.1、可见红外声光滤波器3.2，经其电信号调制后，发出单色光经后格兰棱镜3.3，再经可见红外分色片3.4反射，反射的可见光谱段到达可见会聚镜组3.5会聚，经可见反射镜3.6反射会聚在可见探测器芯面上；可见红外分色片3.4透射的近红外短波谱段到达近红外短波反射镜3.7，反射至近红外短波会聚镜3.8，会聚在近红外短波探测器芯面上。同时，来自物方的光线进入第二离轴抛物面主镜4.1，会聚成像在第二视场光栏4.2处，再发散至第二离轴抛物面次镜4.3，准直后经短中波声光滤波器5.1，经其电信号调制后，发出单色光，+1级次衍射光再经短中波反射镜5.2反射至短波色散补偿会聚镜组5.3，会聚在短波探测器芯面上；-1级次衍射光再经短中波反射镜5.2反射至中波色散补偿会聚镜组5.4，会聚在中波探测器芯面上。
所述的可见光谱成像通道视场为面阵视场，采用声光滤波器分光，凝视光谱成像；所述的近红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场均为相同的点视场，无限远处光谱探测目标为同一目标；可见光谱成像通道的面阵视场覆盖红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场，并成一定几何关系，通常关系是近红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场在可见光谱成像通道面阵视场的中心。
可见红外声光滤波器3.2内部有消色散设计，使用的是+1级衍射光，通过分色供可见光谱成像谱段和近红外短波谱段使用；短中波声光滤波器5.1内部无消色散设计，使用+1级衍射光作为短波谱段，使用-1级衍射光作为中波谱段。便于级次分开，且有利于提高光学效率。
所述的第一通道前置光学2和第二通道前置光学4的光学结构一致，相互独立，并行排列。第一离轴抛物面主镜2.1和第一离轴抛物面次镜2.2为同一母镜上的相同离轴量和结构尺寸的离轴抛物面，第二离轴抛物面次镜4.3和第二离轴抛物面次镜4.3为同一母镜上的相同离轴量和结构尺寸的离轴抛物面。
设计参数确定如下：
按系统组成中的组件序号，作为相关参数的下标，来表示对应的组件参数。根据可见近红外声光滤波器的通光口径D3、视场w3和可见近红外光谱成像探测视场w2，确定可见近红外前置光学的第一离轴抛物面主镜2.1的口径D2和横向放大倍率β，即β＝w2/w3，D2＝β·D3。根据可见近红外探测器面阵长宽尺寸分别为x、y确定可见近红外会聚镜焦距f3.4，即f3.4＝w2/w1·arctan((x2+y2)^0.5)。其余三个红外谱段的设计，在前置光学确定的情况下，设置红外谱段视场w4小于可见近红外谱段的视场w2，兼顾系统F数和探测器尺寸，计算会聚镜的焦距。
红外分色片在分界处的光学效率损失较大，为此，分短波和中波谱段不采用分色片，而是同时使用短中波声光滤波器的+1级和-1级光来实现。对于未进行色散校正设计的短中波声光滤波器，在后方的会聚透镜设计有色散补偿棱镜。棱镜采用石英或者蓝宝石材料，楔角根据短中波声光滤波器的实测色散进行设计。
所述光学系统的谱段配准方法如下：
第一步：前置光学视场光栏配准。双通道前置光学置于目标模拟器光路中；借助相机，在前置光学后方，根据双通道的视场几何关系，监测第一视场光栏2.2和第二视场光栏4.2的装配。
第二步：各通道探测器装配。调整目标模拟器焦面目标板以及第一视场光栏2.2，进行可见成像光谱谱段和近红外短波谱段的光电联调。根据目标模拟器目标以及第二视场光栏4.2，进行短波谱段和中波谱段的光电联调。
由于上述技术方案的使用，本发明的一种可见红外图谱协同探测光学系统的优点是：可见光谱成像谱段对目标进行可见光谱细分成像，其余谱段对目标局部进行光谱探测，既可获取目标的几何形貌亦可实现局部目标的宽谱光谱探测。光路布局紧凑，谱段适应性强，凝视成像，能实现大视区的扫描成像探测。
附图说明
图1为本发明的光路示意图。
图中：1为扫描镜组，1.1为指向镜，1.2为转折镜；2为第一通道前置光学，2.1为第一离轴抛物面主镜，2.2为第一视场光栏，2.3为第一离轴抛物面次镜；3为第一通道分光光学，3.1为前格兰棱镜，3.2可见红外声光滤波器，3.3为后格兰棱镜，3.4为可见红外分色片，3.5为可见会聚镜组，3.6为可见反射镜，3.7为近红外短波反射镜，3.8为近红外短波会聚镜；4为第二通道前置光学，4.1为第二离轴抛物面主镜，4.2为第二视场光栏，4.3为第二离轴抛物面次镜；5为第二通道分光光学，5.1为短中波声光滤波器，5.2为短中波反射镜，5.3为短波色散补偿会聚镜组，5.4为中波色散补偿会聚镜组。
具体实施方式
下面根据图1，给本发明一个较好实施例并作详细阐述：
设计一种车载可见红外图谱协同探测光学系统，系统由扫描镜组和两个通道光路组成，采用两个声光可调滤波器实现0.48-3.2μm光谱探测，其设计指标要求列于表1中。
表1
设计数据列于表2中。
表2
设计结果为：双通道共用扫描镜组，双通道前置光学相同，并行排列，系统光路分两层，光线经各自的分光器件之后，再细分成可见近红外成像光谱谱段和近红外光谱谱段，以及短波光谱谱段和中波光谱谱段。可见近红外成像光谱谱段的视场为4.24°×4.24°，其余三个红外谱段的光谱圆视场为4.24°，三个红外谱段视场相同，与可见近红外视场同中心，是可见近红外面视场的内接圆视场。
Claims (4)
1.一种可见红外图谱协同探测光学系统，包括扫描镜组(1)、第一通道前置光学(2)、第一通道分光光学(3)和第二通道前置光学(4)、第二通道分光光学(5)，其中：扫描镜组(1)包括指向镜(1.1)和转折镜(1.2)，第一通道前置光学(2)由第一离轴抛物面主镜(2.1)、第一视场光栏(2.2)和第一离轴抛物面次镜(2.3)组成；第一通道的分光器件是可见红外声光滤波器(3.2)；第一通道分光光学(3)的可见光谱成像谱段由前格兰棱镜(3.1)、可见红外声光滤波器(3.2)、后格兰棱镜(3.3)、可见红外分色片(3.4)、可见会聚镜组(3.5)和可见反射镜(3.6)组成；第一通道分光光学(3)的近红外短波光谱探测谱段由前格兰棱镜(3.1)、可见红外声光滤波器(3.2)、后格兰棱镜(3.3)、可见红外分色片(3.4)、近红外短波反射镜(3.7)和近红外短波会聚镜(3.8)组成，第二通道前置光学(4)由第二离轴抛物面主镜(4.1)、第二视场光栏(4.2)和第二离轴抛物面次镜(4.3)组成；第二通道的分光器件是短中波声光滤波器(5.1)；第二通道分光光学(5)的短波光谱探测谱段由短中波反射镜(5.2)和短波色散补偿会聚镜组(5.3)组成；第二通道分光光学的短中波光谱探测谱段由短中波反射镜(5.2)和中波色散补偿会聚镜组(5.4)组成，其特征在于：
来自物方的光线经指向镜(1.1)和转折镜(1.2)反射，再经第一离轴抛物面主镜(2.1)会聚成像在第一视场光栏(2.2)处，再发散至第一离轴抛物面次镜(2.3)，准直后经可见红外的前格兰棱镜(3.1)、可见红外声光滤波器(3.2)，经其电信号调制后，发出单色光经后格兰棱镜(3.3)，再经可见红外分色片(3.4)反射，反射的可见光谱段到达可见会聚镜组(3.5)会聚，经可见反射镜(3.6)反射会聚在可见探测器芯面上；可见红外分色片(3.4)透射的近红外短波谱段到达近红外短波反射镜(3.7)，反射至近红外短波会聚镜(3.8)，会聚在近红外短波探测器芯面上。同时，来自物方的光线进入第二离轴抛物面主镜(4.1)，会聚成像在第二视场光栏(4.2)处，再发散至第二离轴抛物面次镜(4.3)，准直后经短中波声光滤波器(5.1)，经其电信号调制后，发出单色光，+1级次衍射光再经短中波反射镜(5.2)反射至短波色散补偿会聚镜组(5.3)，会聚在短波探测器芯面上；-1级次衍射光再经短中波反射镜(5.2)反射至中波色散补偿会聚镜组(5.4)，会聚在中波探测器芯面上；
可见光谱成像通道视场为面阵视场，采用声光滤波器分光，凝视光谱成像；近红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场均为相同的点视场，无限远处光谱探测目标为同一目标；可见光谱成像通道的面阵视场覆盖红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场，并成一定几何关系，该几何关系为近红外短波光谱通道、短波光谱通道和中波光谱通道的视场在可见光谱成像通道面阵视场的中心。
2.根据权利要求1所述的一种可见红外图谱协同探测光学系统，其特征在于：
所述的可见红外声光滤波器(3.2)内部有消色散设计，使用的是+1级衍射光，通过分色供可见光谱成像谱段和近红外短波谱段使用。
3.根据权利要求1所述的一种可见红外图谱协同探测光学系统，其特征在于：
所述的短中波声光滤波器(5.1)内部无消色散设计，使用+1级衍射光作为短波谱段，使用-1级衍射光作为中波谱段。
4.一种基于权利要求1所述的一种可见红外图谱协同探测光学系统的多通道配准方法，其特征在于配准方法如下：
第一步：前置光学视场光栏配准，双通道前置光学置于目标模拟器光路中；借助相机，在前置光学后方，根据双通道的视场几何关系，监测第一视场光栏(2.2)和第二视场光栏(4.2)的装配；
第二步：各通道探测器装配，根据目标模拟器以及第一视场光栏(2.2)，进行可见光谱成像谱段和近红外短波谱段的光电联调，根据目标模拟器以及第二视场光栏(4.2)，进行短波谱段和中波谱段的光电联调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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