CN113916503B - 一种同步测量多角度散射光场光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步测量多角度散射光场光学系统，包括穹顶、非球面反射镜、中继光学系统以及像面，所述穹顶为整体光学系统的物面，且穹顶的物面发出小孔径光束，光束照射到非球面反射镜上，所述非球面反射镜对光束进行反射，反射的光束进入到中继光学系统中，中继光学系统使反射的光束在像面上成像。本发明涉及光学技术领域，通过对光学系统合理的设计，使得光学系统设计的结果具有较高的成像质量，采用的非球面可减少镜片数量，且该光学系统属于一种离轴折返式光学系统，能够实现对多角度远场散射光场数据的同步采集工作，在成像的过程中，能够起到像差校正的作用，同时能够提高光能的利用率。对提高多角度遥感领域具有重大指导意义。

Description

一种同步测量多角度散射光场光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体为一种同步测量多角度散射光场光学系统。
背景技术
遥感技术是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术，多角度遥感有助于提高植被生物物理参数的反演精度，可为生态环境和气候变化研究提供更好的数据支持。与单一角度遥感相比，多角度遥感提供了角度维信息，提高了遥感对地球表层参数的获取能力。
随着星机地不同平台的多角度遥感观测手段越来越丰富，未来多角度遥感的主要研究方向集中在发展复杂地表多角度反射/辐射模型，增强多角度遥感数据预处理能力和提高多源数据综合应用能力等方面。多角度遥感是指利用传感器从两个或两个以上的方向对同一目标进行非接触远距离观测的技术，是准确获得地表反射各向异性的唯一手段。不同角度的观测对于捕捉地表真实反射特性和空间结构具有重要作用，与传统的空间维、时间维和光谱维信息形成互补，在定量遥感研究中具有重要的理论地位和应用前景。
随着遥感技术的进步，能够提高植被生物物理参数的反演精度，可为生态环境和气候变化研究提供更好数据支持的多角度遥感技术应运而生。目标散射光场分布的多角度同步准确测量对提高多角度遥感领域相关技术的进一步发展与提升具有理论指导和应用意义。但是目前的遥感技术在实际应用过程中，无法实现对多角度远场散射光场数据的同步采集，从而无法精确的研究生态环境和气候的变化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种同步测量多角度散射光场光学系统，解决了目前的遥感技术在实际应用过程中，无法实现对多角度远场散射光场数据同步采集的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种同步测量多角度散射光场光学系统，包括穹顶、非球面反射镜、中继光学系统以及像面，所述穹顶为整体光学系统的物面，且穹顶的物面发出小孔径光束，光束照射到非球面反射镜上，所述非球面反射镜对光束进行反射，反射的光束进入到中继光学系统中，中继光学系统使反射的光束在像面上成像。
优选的，所述光束的工作波段为可见光波段，光束的视场为120°。
优选的，所述穹顶的物面光场的分布与探测器之间存在映射关系，根据其映射关系拟合出非球面反射镜的参数计算公式，公式为：
Figure GDA0003861399050000021
优选的，所述非球面反射镜的参数计算公式中，α、β分别为非球面反射镜的接收光线的入射角和出射角；δ为非球面反射镜接收光线的最大范围角；D为非球面反射镜的口径；H为非球面反射镜到中继光学系统之间的入瞳距离。
优选的，所述中继光学系统由四片非球面透镜组合而成，使其起到像差校正作用，提高光能的利用率。
优选的，所述非球面反射镜和中继光学系统的离轴量为230mm。
优选的，所述中继光学系统的光轴偏心量为-0.114°，像面沿逆时针旋转0.27°，提高成像的质量。
优选的，所述非球面反射镜的光学表面参数符合非球面表达式，表达式如下：
Figure GDA0003861399050000031
优选的，所述非球面表达式中，z为非球面相应的垂直距离，c＝1/R为非球面的定点曲率，R为顶点曲率半径，k表示圆锥系数，a_x为多项式系数。
有益效果
本发明提供了一种同步测量多角度散射光场光学系统，与现有技术相比具备以下有益效果：
该同步测量多角度散射光场光学系统，通过对光学系统合理的设计，使得光学系统设计的结果具有较高的成像质量，采用的非球面可减少镜片数量，且该光学系统属于一种离轴折返式光学系统，能够实现对多角度远场散射光场数据的同步采集工作，在成像的过程中，能够起到像差校正的作用，同时能够提高光能的利用率。对提高多角度遥感领域具有重大指导意义。
附图说明
图1为本发明光学系统结构的示意图；
图2为本发明非球面反射镜的镜头数据图；
图3为本发明光学系统结构的反射示意图；
图4为本发明光学系统设计结果的MTF曲线示意图；
图5为本发明光学系统设计结果的几何圈入能量示意图；
图6为本发明光学系统设计结果的点列图。
图中：1、穹顶；2、非球面反射镜；3、中继光学系统；4、像面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种同步测量多角度散射光场光学系统，包括穹顶1、非球面反射镜2、中继光学系统3以及像面4，穹顶1为整体光学系统的物面，且穹顶1的物面发出小孔径光束，光束照射到非球面反射镜2上，非球面反射镜2对光束进行反射，反射的光束进入到中继光学系统3中，中继光学系统3使反射的光束在像面4上成像。
本发明实施例中，光束的工作波段为可见光波段，光束的视场为120°。
本发明实施例中，穹顶1的物面光场的分布与探测器之间存在映射关系，根据其映射关系拟合出非球面反射镜2的参数计算公式，公式为：
Figure GDA0003861399050000041
本发明实施例中，非球面反射镜2的参数计算公式中，α、β分别为非球面反射镜2的接收光线的入射角和出射角；δ为非球面反射镜2接收光线的最大范围角；D为非球面反射镜2的口径；H为非球面反射镜2到中继光学系统3之间的入瞳距离。
本发明实施例中，中继光学系统3由四片非球面透镜组合而成，使其起到像差校正作用，提高光能的利用率。
本发明实施例中，非球面反射镜2和中继光学系统3的离轴量为230mm。
本发明实施例中，中继光学系统3的光轴偏心量为-0.114°，像面沿逆时针旋转0.27°，提高成像的质量。
本发明实施例中，非球面反射镜2的光学表面参数符合非球面表达式，表达式如下：
Figure GDA0003861399050000051
本发明实施例中，非球面表达式中，z为非球面相应的垂直距离，c＝1/R为非球面的定点曲率，R为顶点曲率半径，k表示圆锥系数，a_x为多项式系数。
进一步，请参照图3中的(a)图，小孔径光束经穹顶1物面出射，照射到非球面反射镜2，光线经非球面反射镜2后进入到后续的中继光学系统3并最终成像到像面4；(b)图中，所显示的光线为非球面反射镜2的光线进入到后续的中继光学系统3并最终成像到像面4；(c)图中，包括中继光学系统3入瞳、四片非球面透镜L1、L2、L3、L4组成的中继光学系统3及像面4，所显示的光线为经非球面反射镜2反射的光线经过中继光学系统3入瞳后，进入到中继光学系统3，光线经过非球面透镜L1、L2、L3、L4后最终成像在像面4上。
进一步，在图4和图5中，实验比较对象设置六个视场，分别为60°、40°、20°、-20°、-40°、-60°，由图4中可知，六个视场的OTF值随着空间频率的增大而逐渐呈递减形式，全视场MTF在30lp/mm截止频率处在0.6以上，由图5中可知，六个视场的圈入能量分数随着半径从质心的增大而增大，最终光能集中度在RMS半径内高于0.8，由图6可知，全视场光斑在艾里斑内或接近艾里斑半径。
综上所述，对光学系统的分析结果表明该系统具有较高的成像质量，能够实现对不同角度光场数据的采集。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (3)

1.一种同步测量多角度散射光场光学系统，其特征在于：包括穹顶(1)、非球面反射镜(2)、中继光学系统(3)以及像面(4)，所述穹顶(1)为整体光学系统的物面，且穹顶(1)的物面发出小孔径光束，光束照射到非球面反射镜(2)上，所述非球面反射镜(2)对光束进行反射，反射的光束进入到中继光学系统(3)中，中继光学系统(3)使反射的光束在像面(4)上成像；
穹顶(1)的物面光场的分布与探测器之间存在映射关系，根据其映射关系拟合出非球面反射镜(2)的参数计算公式，公式为：
Figure FDA0003861399040000011
所述非球面反射镜(2)的参数计算公式中，α、β分别为非球面反射镜(2)的接收光线的入射角和出射角；δ为非球面反射镜(2)接收光线的最大范围角；D为非球面反射镜(2)的口径；H为非球面反射镜(2)到中继光学系统(3)之间的入瞳距离，ρ(β)为令非球面曲线在极坐标系下的方程；
非球面反射镜(2)的光学表面参数符合非球面表达式，表达式如下：
Figure FDA0003861399040000012
非球面表达式中，z为非球面相应的垂直距离，c＝1/R为非球面的定点曲率，R为顶点曲率半径，k表示圆锥系数，a_x为多项式系数。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量多角度散射光场光学系统，其特征在于：所述中继光学系统(3)由四片非球面透镜组合而成，使其起到像差校正作用，提高光能的利用率。
3.根据权利要求1所述的一种同步测量多角度散射光场光学系统，其特征在于：所述中继光学系统(3)的光轴偏心量为-0.114°，像面沿逆时针旋转0.27°，提高成像的质量。
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