CN113189756B - 测绘相机光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测绘相机光学系统，包括主镜、次镜，其中主镜和次镜构成类卡塞格林式光学系统；次镜以距次镜顶点光轴上光传播方向0～±50mm范围内任意一点为圆心，以次镜顶点到圆心的距离为半径，在子午面内和/或弧矢面内进行旋转，以补偿成像过程中的像移。本发明提供的测绘相机光学系统内部无平行光路，结构紧凑，并且保证载机和被摄物体存在相对运动的动态成像过程中，在保证光学系统像质良好的前提下，对相机横向摆扫、飞机前向飞行、姿态变化等因素导致的前向像移、横向像移进行补偿，提高成像质量及测绘精度，并能够实现等后截距多光谱分光成像，有利于后续进行数据分析或图像处理。

Description

测绘相机光学系统
技术领域
本发明涉及航空遥感与测绘技术领域，具体涉及一种测绘相机光学系统。
背景技术
对于航空遥感与测绘技术领域，测绘相机在具体应用时，常常需要得到丰富的图像信息，精细探测要求在空间高分辨成像。
航空相机在曝光时间内，由于载机和被摄物体存在相对运动，导致像面上像的移动，使成像质量下降。为保证成像质量，需采取像移补偿措施来消除或减少像移的影响。传统的像移补偿措施是在光学系统中引入像移补偿元件,通常是将平面反射镜置于平行光路中,对于航空遥感与测绘相机光学系统来说,要么置于光学系统入瞳前端要么在光学系统内部引入平行光路,前者需要的平面反射镜体积尺寸很大,后者需要在光学系统内部引入缩束平行光路,这大大增加了光学设计难度。
上述方式不能满足航空遥感领域在测绘方面的需求，而且不仅光学设计、加工和装调的难度高，还需要增加光学元件的数量并占用较大的尺寸空间。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供一种测绘相机光学系统，以解决动态成像过程中像移问题导致的成像质量下降问题，提高成像质量。
本发明的技术方案是：一种测绘相机光学系统，包括主镜、次镜，所述主镜和所述次镜构成类卡塞格林式光学系统，所述次镜以距所述次镜顶点光轴上光传播方向0～±50mm范围内任意一点为圆心，以所述次镜顶点到所述圆心的距离为半径，在子午面内和/或弧矢面内进行旋转，以补偿成像过程中的像移。
进一步地，所述次镜的最大旋转角度≤±0.07°。
进一步地，测绘相机光学系统还包括矫正镜组，所述矫正镜组放置在所述主镜的中心孔内，所述矫正镜组包括沿光线传播方向依次放置的第一矫正镜、第二矫正镜和第三矫正镜，所述第一矫正镜前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；所述第二矫正镜其前表面为凸球面透镜，后表面为凸球面透镜；所述第三矫正镜其前表面为凹球面透镜，后表面为凸球面透镜。
进一步地，测绘相机光学系统还包括分光镜组，所述分光镜组包括分光棱镜、分频棱镜和补偿棱镜，成“L”形空间排布；三者形状、大小相同且两两同轴；所述分光棱镜接收到入射光束后，将入射光束分光，分光后的入射光束一部分继续沿光轴传播方向进入所述分频棱镜，另一部分光束折转进入所述补偿棱镜用于分光探测；进入所述分频棱镜的光束被分成至少两路用于分频探测。
进一步地，测绘相机光学系统还包括焦平面探测器，所述焦平面探测器为全色探测器、近红外探测器、RGB探测器，三种探测器单独使用或组合使用，以实现等后截距多光谱分光成像；所述全色探测器用于接收沿所述分光棱镜进入所述补偿棱镜所出射光束，所述近红外探测器用于接收沿所述分光棱镜进入所述分频棱镜后沿光轴传播方向折转90°所出射光束，所述RGB探测器用于接收沿所述分光棱镜进入所述分频棱镜后沿光轴传播方向所出射光束。
进一步地，测绘相机光学系统还包括窗口玻璃，所述窗口玻璃为弯月透镜，用于封闭光学系统的同时进行校正像差。
进一步地，所述窗口玻璃材质为H-K9L玻璃或石英玻璃，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。
进一步地，所述主镜凹反射面是标准的二次曲面，所述次镜的反射面是球面或二次曲面。
进一步地，所述第一矫正镜材质为N-KZFS11玻璃，所述第二矫正镜材质为H-ZBaF1玻璃，所述第三矫正镜材质为N-KZFS11玻璃。
进一步地，所述分光棱镜、所述分频棱镜和所述补偿棱镜采用密接或胶粘的方式连接。
本发明提供的一种测绘相机光学系统，在光学系统中无平行光路，结构紧凑，保证载机和被摄物体存在相对运动的动态成像过程中，在保证光学系统像质良好的前提下对发生像移的光路进行补偿，提高成像质量及测绘精度，能够实现等后截距多光谱分光成像，有利于后续进行数据分析或图像处理。
附图说明
图1是本发明实施例测绘相机光学系统次镜子午面内旋转示意图；
图2是本发明实施例测绘相机光学系统结构示意图；
图3是本发明实施例测绘相机光学系统正面立体示意图；
图4是本发明实施例测绘相机光学系统背面立体示意图；
图5A是本发明实施例1中测绘相机光学系统在无像移补偿时全色波段MTF曲线示意图；
图5B是本发明实施例1中测绘相机光学系统在无像移补偿时RGB波段MTF曲线示意图；
图5C是本发明实施例1中测绘相机光学系统在无像移补偿时近红外波段MTF曲线示意图；
图6A是本发明实施例1中测绘相机光学系统在像移补偿时全色波段MTF曲线示意图；
图6B是本发明实施例1中测绘相机光学系统在像移补偿时RGB波段MTF曲线示意图；
图6C是本发明实施例1中测绘相机光学系统在像移补偿时近红外波段MTF曲线示意图；
图7A是本发明实施例2中测绘相机光学系统在无像移补偿时全色波段MTF曲线示意图；
图7B是本发明实施例2中测绘相机光学系统在无像移补偿时RGB波段MTF曲线示意图；
图7C是本发明实施例2中测绘相机光学系统在无像移补偿时近红外波段MTF曲线示意图；
图8A是本发明实施例2中测绘相机光学系统在像移补偿时全色波段MTF曲线示意图；
图8B是本发明实施例2中测绘相机光学系统在像移补偿时RGB波段MTF曲线示意图；
图8C是本发明实施例2中测绘相机光学系统在像移补偿时近红外波段MTF曲线示意图。
其中附图标记包括：窗口玻璃1、主镜2、次镜3、矫正镜组4、第一矫正镜41、第二矫正镜42、第三矫正镜43、分光镜组5、分光棱镜51、分频棱镜52、补偿棱镜53、全色探测器6、RGB探测器7、近红外探测器8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供一种测绘相机光学系统，如图2、图3、图4所示，包括主镜2、次镜3，主镜2和次镜3构成类卡塞格林式光学系统，次镜3以距次镜3顶点光轴上光传播方向0～±50mm范围内任意一点为圆心，以次镜3顶点到圆心的距离为半径，在子午面内和/或弧矢面内进行旋转。图1示出了本发明实施例测绘相机光学系统次镜子午面内旋转示意图，图中箭头所指方向是光线传播方向为正向，点E是次镜3的顶点，点O是距次镜3顶点20mm的一点，次镜3的顶点以点O为圆心，20mm为半径，在子午面内进行旋转，位移路径为圆弧AB。点O1是距次镜3顶点30mm的一点，次镜3的顶点以点O1为圆心，30mm为半径，在子午面内进行旋转，位移路径为圆弧CD。点O2是距次镜3顶点-10mm的一点，次镜3的顶点以点O2为圆心，10mm为半径，在子午面内进行旋转，位移路径为圆弧FG。本发明可以在主镜2、次镜3不同轴的情况下，补偿成像过程中的像移。其中驱动次镜3旋转的方式可以选用堆叠型压电陶瓷线性促动器，本实施例选用的堆叠型压电陶瓷线性促动器的角度分辨率0.25μrad，旋转精度±1μrad，旋转方式的实现可利用现有技术，本发明对此不进行限定。
优选地，如图1所示，次镜3的最大旋转角度≤±0.07°，即∠AOB≤0.14°、∠CO1D≤0.14°、∠FO2G≤0.14°；0°≤∠AOE≤0.07°、-0.07°≤∠EOB≤0°、0°≤∠CO1E≤0.07°、-0.07°≤∠EO1D≤0°、0°≤∠FO2E≤0.07°、-0.07°≤∠EO2G≤0°，测绘相机光学系统可在此范围内，进行像移补偿。
优选地，如图2、图3、图4所示，测绘相机光学系统还包括矫正镜组4，矫正镜组4放置在主镜2的中心孔内，矫正镜组4包括沿光线传播方向依次放置的第一矫正镜41、第二矫正镜42和第三矫正镜43，第一矫正镜41前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；第二矫正镜42其前表面为凸球面透镜，后表面为凸球面透镜；第三矫正镜43其前表面为凹球面透镜，后表面为凸球面透镜。矫正镜组选择三片式结构，主要矫正次镜运动过程中引入的彗差和像散。
优选地，如图2、图3、图4所示，测绘相机光学系统还包括分光镜组5，还包括分光镜组5，分光镜组5包括分光棱镜51、分频棱镜52和补偿棱镜53，成“L”形空间排布；三者形状、大小相同且两两同轴；分光棱镜51接收到入射光束后，将入射光束分光，分光后的入射光束一部分继续沿光轴进入分频棱镜52，另一部分光束折转进入补偿棱镜53用于分光探测；进入分频棱镜52的光束被分成两路用于分频探测；分光棱镜51将入射光束分光，分光后的光束分为能量均等于入射光能量一半的两部分，一部分光束继续沿着光轴进入分频棱镜52，另一部分光束在光轴方向折转90°进入补偿棱镜53。
优选地，测绘相机光学系统还包括焦平面探测器，焦平面探测器为全色探测器6、近红外探测器8、RGB探测器7，三种探测器单独使用或组合使用，以实现等后截距多光谱分光成像；如图2所示，全色探测器6用于接收沿分光棱镜51进入补偿棱镜53所出射光束，近红外探测器8用于接收沿分光棱镜51进入分频棱镜52后沿光轴方向折转90°所出射光束，RGB探测器7用于接收沿分光棱镜51进入分频棱镜52后在光轴方向所出射光束，3路光学通道分别为全色(0.42～0.7μm)、RGB(R:0.6～0.65μm；G:0.5～0.6μm；B:0.43～0.5μm)、和近红外(0.7～0.92μm)，3路探测器为等后截距多光谱分光成像，为后续的数据采集、数据处理、图像分析提供便利。
优选地，测绘相机光学系统还包括窗口玻璃1，窗口玻璃1为弯月透镜，用于在封闭光学系统的同时进行校正像差。
优选地，窗口玻璃1位于测绘相机光学系统的最前端，材料为H-K9L或石英玻璃，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。
优选地，主镜2的凹反射面是标准的二次曲面，即抛物面、椭球面或双曲面，也可以是高次非球面；次镜3的反射面是球面或二次曲面，即抛物面、椭球面或双曲面，也可以是高次非球面。
优选地，矫正镜组4中的透镜采用无色光学玻璃，前后表面为球面或非球面。第一矫正镜41材质为N-KZFS11玻璃，第二矫正镜42材质为H-ZBaF1玻璃，第三矫正镜43材质为N-KZFS11玻璃。
优选地，分光棱镜51、分频棱镜52和补偿棱镜53采用密接或胶粘的方式连接。
实施例1中测绘相机光学系统的技术指标如表1所示：
表1实施例1测绘相光学系统的具体光学参数
Figure BDA0003064327470000061
Figure BDA0003064327470000071
本发明实施例1中测绘相机光学系统在无像移补偿时，图5A是全色波段在空间频率68lp/mm时，整个视场MTF＞0.5；图5B为RGB波段在空间频率50lp/mm时整个视场MTF＞0.6；图5C为近红外波段在空间频率33lp/mm时整个视场MTF＞0.6。
本发明实施例1中测绘相机光学系统在像移补偿时，图6A为全色波段在空间频率68lp/mm时整个视场MTF＞0.4；图6B为RGB波段在空间频率50lp/mm时整个视场MTF＞0.5；图6C为近红外波段在空间频率33lp/mm时整个视场MTF＞0.5。横坐标为空间频率(SpatialFrequency)，纵坐标为调制传递函数(Modulation)。
实施例1中测绘相机光学系统的技术指标如表2所示：
表2实施例1的测绘相光学系统的技术指标
Figure BDA0003064327470000072
Figure BDA0003064327470000081
本发明实施例2中测绘相机光学系统在无像移补偿时，图7A为全色波段在空间频率68lp/mm时整个视场MTF＞0.45；图7B为RGB波段在空间频率50lp/mm时整个视场MTF＞0.6；图7C为近红外波段在空间频率33lp/mm时整个视场MTF＞0.6。
本发明实施例2中测绘相机光学系统在像移补偿时，图8A为全色波段在空间频率68lp/mm时整个视场MTF＞0.35；图8B为RGB波段在空间频率50lp/mm时整个视场MTF＞0.5；图8C为近红外波段在空间频率33lp/mm时整个视场MTF＞0.6。横坐标为空间频率(SpatialFrequency)，纵坐标为调制传递函数(Modulation)。
实施例2中测绘相机光学系统的技术指标如表3所示：
表3实施例2测绘相光学系统的具体光学参数
Figure BDA0003064327470000082
实施例2中测绘相机光学系统的技术指标如表4所示：
表4实施例2的所述测绘相光学系统的技术指标
Figure BDA0003064327470000083
Figure BDA0003064327470000091
本发明实施例提供的测绘相机光学系统，如图2、图3、图4所示，为同轴折反式光学系统，可实现全色、RGB和近红外等后截距多光谱分光同时成像、具有大孔径大视场低畸变的特点、MTF达到或接近衍射极限、系统结构紧凑。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测绘相机光学系统，包括主镜(2)、次镜(3)，所述主镜(2)和所述次镜(3)构成类卡塞格林式光学系统，
其特征在于，所述次镜(3)以距所述次镜(3)顶点光轴上光传播方向0～±50mm范围内任意一点为圆心，以所述次镜(3)顶点到所述圆心的距离为半径，在子午面内和/或弧矢面内进行旋转，以补偿成像过程中的像移；
当所述次镜(3)旋转中心距所述次镜(3)顶点-27.4mm时：
所述主镜(2)的通光直径Φ为124mm，厚度为-140mm，二次曲面常数为-4.7458；
所述次镜(3)的通光孔径Φ为60mm，厚度为153mm，二次曲面常数为-213.8174。
2.根据权利要求1所述的测绘相机光学系统，其特征在于，所述次镜(3)的最大旋转角度≤±0.07°。
3.根据权利要求1所述的测绘相机光学系统，其特征在于，还包括矫正镜组(4)，
所述矫正镜组(4)放置在所述主镜(2)的中心孔内，所述矫正镜组(4)包括沿光轴传播方向依次放置的第一矫正镜(41)、第二矫正镜(42)和第三矫正镜(43)，
所述第一矫正镜(41)前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜；所述第二矫正镜(42)其前表面为凸球面透镜，后表面为凸球面透镜；所述第三矫正镜(43)其前表面为凹球面透镜，后表面为凸球面透镜。
4.根据权利要求1所述的测绘相机光学系统，其特征在于，还包括分光镜组(5)，
所述分光镜组(5)包括分光棱镜(51)、分频棱镜(52)和补偿棱镜(53)，成“L”形空间排布；三者形状、大小相同且两两同轴；
所述分光棱镜(51)接收到入射光束后，将入射光束分光，分光后的入射光束一部分继续沿光轴传播方向进入所述分频棱镜(52)，另一部分光束折转进入所述补偿棱镜(53)用于分光探测；进入所述分频棱镜(52)的光束被分成至少两路用于分频探测。
5.根据权利要求4所述的测绘相机光学系统，其特征在于，还包括焦平面探测器，
所述焦平面探测器为全色探测器(6)、近红外探测器(8)、RGB探测器(7)，三种探测器单独使用或组合使用，以实现等后截距多光谱分光成像；
所述全色探测器(6)用于接收沿所述分光棱镜(51)进入所述补偿棱镜(53)所出射光束，
所述近红外探测器(8)用于接收沿所述分光棱镜(51)进入所述分频棱镜(52)后沿光轴传播方向折转所出射光束，
所述RGB探测器(7)用于接收沿所述分光棱镜(51)进入所述分频棱镜(52)后沿光轴传播方向所出射光束。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的测绘相机光学系统，其特征在于，还包括窗口玻璃(1)，
所述窗口玻璃(1)为弯月透镜，用于封闭光学系统的同时进行校正像差。
7.根据权利要求6所述的测绘相机光学系统，其特征在于，所述窗口玻璃(1)材质为H-K9L玻璃或石英玻璃，其前表面为凸球面透镜，后表面为凹球面透镜。
8.根据权利要求1所述的测绘相机光学系统，其特征在于，所述主镜(2)凹反射面是标准的二次曲面，所述次镜(3)的反射面是球面或二次曲面。
9.根据权利要求3所述的测绘相机光学系统，其特征在于，所述第一矫正镜(41)材质为N-KZFS11玻璃，所述第二矫正镜(42)材质为H-ZBaF1玻璃，所述第三矫正镜(43)材质为N-KZFS11玻璃。
10.根据权利要求4所述的测绘相机光学系统，其特征在于，所述分光棱镜(51)、所述分频棱镜(52)和所述补偿棱镜(53)采用密接或胶粘的方式连接。
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