CN113075788A - 多谱段多通道共口径变焦成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，属于光学成像系统设计技术领域，解决多谱段多通道宽适应一体化共光路变焦距光学成像技术，多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，该系统包括：可见光通道主镜，微光通道主镜，红外通道主镜，共用次镜，红外通道透镜组、红外通道焦面、微光通道三镜、微光通道焦面、可见光通道三镜和可见光通道焦面，共用次镜是位于光轴中心，属于三通道共口径共用次镜；可见光通道离轴角为17.75°，微光通道离轴角为14.75°，红外通道离轴角为5.75度；可见光通道焦面和微光通道焦面与红外通道焦面位于共用次镜两侧，红外通道透镜组位于红外通道主镜和微光通道三镜中间。

Description

多谱段多通道共口径变焦成像光学系统
技术领域
本发明涉及空间光学成像系统技术领域，具体涉及一种多谱段多通道共口径变焦成像光学系统。
背景技术
光学系统是航天遥感相机的核心，单一谱段的光学系统难以满足复杂多变的全天候探测需求，而一个卫星平台搭载多颗相机载荷，又会造成整星体积和重量负载，因此实现多谱段多通道光学系统的超轻量化与高集成度一体化设计，对航天遥感相机的轻小型化和多功能化，具有重要的研究意义，可见光相机成像技术成熟，图像对比度好分辨率高，白天成像效果好，但在黑夜或微弱光照下成像效果不佳，难以进行遥感探测成像，而微光成像在暗光照小可以成像，但是图像对比度略差，灰度级有限，且只敏感于目标景物的反射光，红外成像系统无需借助外部环境光照，对目标热辐射敏感，穿透云雾能力强，可以对经过伪装的目标进行识别，观测时间不受白天黑夜限制，但是由于探测器像元尺寸限制和系统大F数要求，红外图像分辨率相对较低，因此如何把可见光成像、微光成像和红外成像的优点叠加起来，进行可见微光红外多谱段多通道共口径变焦成像光学系统研究，将极大的提高航天遥感相机的探测效率。
现有的多通道多谱段光学系统，主要采用分光镜分光和分视场分光，其中分光镜分光结构简单，但是会使入射能量衰减，分视场成像整个系统结构紧凑，但是会增大系统视场角。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，解决了多谱段多通道宽适应一体化共光路变焦距光学成像技术。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，该系统包括：可见光通道主镜，微光通道主镜，红外通道主镜，共用次镜，红外通道透镜组、红外通道焦面、微光通道三镜、微光通道焦面、可见光通道三镜和可见光通道焦面，属于离轴三反共口径折反射光学系统，所述共用次镜是位于光轴中心，属于三通道共口径共用次镜；可见光通道离轴角为17.75°，微光通道离轴角为14.75°，红外通道离轴角为5.75度；可见光通道主镜、微光通道主镜和红外通道主镜沿离轴角方向排列；可见光通道焦面和微光通道焦面与红外通道焦面位于共用次镜两侧，红外通道透镜组位于红外通道主镜和微光通道三镜中间。
优选的，所述共用次镜为二次曲面反射镜，是三个通道光学系统的孔径光阑，三个通道焦距比为1：0.51:0.22。
优选的，所述可见光通道为离轴三反光学系统，工作谱段为0.4μm～1μm，视场角为6°×0.5°，F数为5.3，可见光通道主镜和可见光通道三镜均为高阶非球面反射镜，可见光通道焦面采用分光滤光片。
优选的，所述微光通道为离轴三反光学系统，工作谱段为0.45μm～0.9μm，视场角为6°×0.5°，F数为10，微光通道主镜和微光通道三镜均为高阶非球面反射镜。
优选的，所述红外通道为离轴折反射光学系统，工作谱段为8μm～14μm，视场角为4°×0.5°，F数为1.3，红外通道主镜为二次曲面反射镜。
优选的，所述红外通道透镜组由三片圆形透镜组成，透镜材料为锗和硒化锌。
优选的，所述红外通道透镜组和红外通道焦面，均沿离轴角方向倾斜角为13.3°，偏心为37mm。
本发明的有益效果是：本发明多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，通过共用次镜采用视场分光的方式，使单台相机实现传统5台相机的可见全色、多光谱与高光谱、微光成像和长波红外成像，实现卫星的全天候复杂地貌成像需求。三个通道在离轴方向视场分光，当进行相机推扫成像时，三通道无需整星机动调整姿态，可对同一目标景物成像，有助于航天遥感探测分析，且实时性较高。可见微光及红外通道无需运动机构，三通道可同时成像，通过主三镜的参数调整不同光路焦距，系统结构紧凑，红外通道焦面远离可见光通道焦面和微光通道焦面，防止焦面热源对红外成像的影响。
附图说明
图1本发明多谱段多通道共口径变焦成像光学系统结构示意图。
图2本发明可见光通道光学传递函数曲线图。
图3本发明微光通道光学传递函数曲线图。
图4本发明红外通道光学传递函数曲线图。
图中：1、共用次镜，2、可见光通道主镜，3、微光通道主镜，4、红外通道主镜，5、红外通道透镜组第一片透镜，6、红外通道透镜组第二片透镜，7、红外通道透镜组第三片透镜，8、红外通道焦平面，9、微光通道三镜，10、可见光通道三镜，11、可见光通道焦面，12、微光通道焦面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
多通道多谱段共口径变焦成像光学系统，如图1所示，包括共用次镜1，可见光通道主镜2，微光通道主镜3，红外通道主镜4，红外通道透镜组第一片透镜5，红外通道透镜组第二片透镜6，红外通道透镜组第三片透镜7，红外通道焦平面8，微光通道三镜9，可见光通道三镜10，可见光通道焦面11和微光通道焦面12。可见光光源发射可见光，经过所述可见光通道主镜2反射至所述共用次镜1，微光光源发射微光，经过所述微光通道主镜3反射至所述共用次镜1，红外光源发射红外光，经过所述红外通道主镜4反射至所述共用次镜1，所述共用次镜1是三个通道系统的共用反射面，是各个系统的孔径光阑。可见光通道主镜2，微光通道主镜3，红外通道主镜4按照视场方向从上到下排列。红外通道透镜组第一片透镜5，红外通道透镜组第二片透镜6，红外通道透镜组第三片透镜7和红外通道焦平面8，位于红外通道主镜4和微光通道三镜9中间，可见光通道焦面11和微光通道焦面12与共用次镜1在同一侧，与红外通道焦面8在对侧，整个系统通过视场分光进行三通道同时成像。
在所述的多通道多谱段共口径变焦成像光学系统中，共用次镜1和红外通道主镜4为二次曲面反射面，可见光通道主镜2、微光通道主镜3、微光通道三镜9和可见光通道三镜10为高阶非球面反射面，红外通道透镜组第一片透镜5，红外通道透镜组第二片透镜6和红外通道透镜组第三片透镜7为圆对称球面透镜。
根据多谱段多通道共口径光学成像系统的特点，三个通道焦距比为1：0.51:0.22，可见光通道工作谱段为0.4μm～1μm，视场角为6°×0.5°，F数为5.3，可见光通道焦面采用分光滤光片，实现全色谱段、多光谱和高光谱成像。微光通道工作谱段为0.45μm～0.9μm，视场角为6°×0.5°，F数为10，红外通道工作谱段为8μm～14μm，视场角为4°×0.5°，F数为1.3，红外通道透镜组第一片透镜5，红外通道透镜组第二片透镜6和红外通道透镜组第三片透镜7材料分别为锗、硒化锌和锗。
所述共用次镜1曲率半径为-223.984mm，圆锥系数为-0.21，可见光通道主镜2曲率半径为-647.76mm，圆锥系数为-1.962，6阶非球面系数为-2.421E-15，8阶非球面系数为1.883E-20，微光通道主镜3曲率半径为-939.372mm，圆锥系数为11.341，6阶非球面系数为-1.703E-13，8阶非球面系数为-4.979E-18，红外通道主镜4曲率半径为-727.127mm，圆锥系数为1.59，微光通道三镜9曲率半径为-257.504mm，圆锥系数为0.093，6阶非球面系数为-4.531E-14，可见光通道三镜10曲率半径为-311.31mm，圆锥系数为0.298，6阶非球面系数为1.535E-14，红外通道透镜组第一片透镜5前表面曲率半径为241.085mm，后表面曲率半径为545.8mm，红外通道透镜组第二片透镜6前表面曲率半径为-74mm，后表面曲率半径为-92.5mm，红外通道透镜组第三片透镜7前表面曲率半径为73.779mm，后表面曲率半径为107.658mm。
所述共用次镜1位于光轴上，离轴量为0mm，可见光通道主镜2离轴量为140mm，微光通道主镜3离轴量为83mm，红外通道主镜4离轴量为39mm，红外通道焦平面8离轴量为2mm，倾斜3.56°，微光通道三镜9离轴量为-76mm，可见光通道三镜10离轴量为-130mm，可见光通道焦面11离轴量为-103mm，微光通道焦面12离轴量为-43mm。
所述红外通道透镜组第一片透镜5，红外通道透镜组第二片透镜6和红外通道透镜组第三片透镜7构成的红外通道透镜组整体沿离轴角方向倾斜角为13.3°，偏心量为-37mm。
本发明多通道多谱段共口径变焦成像光学系统，可同时进行可见光、微光和红外三个谱段同时成像，三种成像手段互相配合使用，优势叠加，可以满足现代空间探测的全天时、高分辨率、多谱段的航天遥感图像需求。图2、图3和图4分别是可见光通道、微光通道和红外通道光学传递函数曲线图，图中横坐标表示光学系统的空间频率(周期/mm)，纵坐标代表光学系统的光学传递函数数值，根据图可以看出三个通道光学传递函数值均接近衍射极限，在奈奎斯特频率处平均光学传递函数值优于0.3，三个通道光学系统成像质量优良。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，该系统包括：可见光通道主镜，微光通道主镜，红外通道主镜，共用次镜，红外通道透镜组、红外通道焦面、微光通道三镜、微光通道焦面、可见光通道三镜和可见光通道焦面，属于离轴三反共口径折反射光学系统，其特征在于，所述共用次镜是位于光轴中心，属于三通道共口径共用次镜；可见光通道离轴角为17.75°，微光通道离轴角为14.75°，红外通道离轴角为5.75度；可见光通道主镜、微光通道主镜和红外通道主镜沿离轴角方向排列；可见光通道焦面和微光通道焦面与红外通道焦面位于共用次镜两侧，红外通道透镜组位于红外通道主镜和微光通道三镜中间。
2.根据权利要求1所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述共用次镜为二次曲面反射镜，是三个通道光学系统的孔径光阑，三个通道焦距比为1：0.51:0.22。
3.根据权利要求1所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述可见光通道为离轴三反光学系统，工作谱段为0.4μm～1μm，视场角为6°×0.5°，F数为5.3，可见光通道主镜和可见光通道三镜均为高阶非球面反射镜，可见光通道焦面采用分光滤光片。
4.根据权利要求1所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述微光通道为离轴三反光学系统，工作谱段为0.45μm～0.9μm，视场角为6°×0.5°，F数为10，微光通道主镜和微光通道三镜均为高阶非球面反射镜。
5.根据权利要求1所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述红外通道为离轴折反射光学系统，工作谱段为8μm～14μm，视场角为4°×0.5°，F数为1.3，红外通道主镜为二次曲面反射镜。
6.根据权利要求5所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述红外通道透镜组由三片圆形透镜组成，透镜材料为锗和硒化锌。
7.根据权利要求1或5所述的多谱段多通道共口径变焦成像光学系统，其特征在于，所述红外通道透镜组和红外通道焦面，均沿离轴角方向倾斜角为13.3°，偏心为37mm。
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