CN117970627A - 一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，采用等分辨率环视扫描镜、主光学前置望远主镜和主光学前置望远次镜完成双视场0°～360°环视成像，成像画幅视场大且连续，成像视场内畸变低，空间分辨率中心位置较边缘位置无明显退化；叠加多通道设计实现探测效能拓展，双视场探测光谱范围覆盖可见光到长波红外0.4μm～12.5μm。有利于研制具有高时效性、高分辨率、多数据融合的光学遥感器，特别适用于防灾减灾、国土资源调查、目标侦查、测绘等对响应时间、成像幅宽和空间分辨率有高度要求的航空航天对地观测领域。
Description
技术领域
本发明属于航天航空光学遥感器技术领域，涉及一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统。
背景技术
目前针对环境专用卫星的建设非常有限，现有载荷对地成像方式主要有多载荷视场拼接、高轨成像和光机扫描成像，成像幅宽有限、对地空间分辨率随扫描角度增大而迅速降低、边缘视场目标可探效能弱，且当前针对红外谱段的环境载荷研制极其缺乏，无法满足目前环境遥感监测应用需求，亟需开展连续大幅宽、中高分辨率可见和红外多谱段载荷及应用技术研究。
双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，正是瞄准航天发展的重点领域，填补大视场、超大幅宽、中高分辨率、可见红外多谱段对地观测空白，为防灾减灾救灾遥感监测、环境遥感监测、城市与工业热环境遥感监测等应用领域提供定量化精细遥感数据支撑。因此大视场连续超大幅宽多谱段成像光学系统是光学遥感领域光学成像技术发展的热点方向。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供了一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，通过环视扫描镜与主光学双视场设计具有大视场、大幅宽等分辨率连续成像优点，共用前置望远主光学的三通道分色组合能够实现可见光、短中波与长波多谱段同时成像，多维信息实时获取、探测效能高度叠加、系统结构集成紧凑。
本发明的技术方案是：一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，包括：等分辨率环视扫描镜、前置望远系统、第一折转镜、可见光校正镜、第二折转镜、可见光滤光片、可见光探测器、红外分色镜、短中波前校正透镜组、第三折转镜、短中波后校正透镜组、短中波杜瓦窗口及滤光片、短中波孔径光阑、短中波探测器、长波前校正透镜组、长波后校正透镜组、长波杜瓦窗口及滤光片、长波孔径光阑和长波探测器；
入射光线经等分辨率环视扫描镜反射至前置望远系统，形成主视场以及斜视场入射的双视场光路，完成双视场等分辨率连续幅宽环视探测；第一折转镜将斜视场入射的光路折转，形成可见光谱段通道并依次通过可见光校正镜、第二折转镜、可见光滤光片，最后在可见光探测器处成像；红外分色镜上蒸镀分色膜，将主视场入射的光路进行分色，分成短中波谱段和长波谱段两个通道，其中短中波谱段通道由红外分色镜反射后，依次进入短中波前校正透镜组、短中波折转镜、短中波后校正透镜组，优化汇聚后依次通过短中波杜瓦窗口及滤光片、短中波孔径光阑，最后在短中波探测器处成像；其中长波谱段通道由红外分色镜透射，进入长波前校正透镜组优化汇聚后形成长波一次像面，再依次通过长波后校正透镜组、长波杜瓦窗口及滤光片、长波孔径光阑，最后在长波探测器处成像。
所述等分辨率环视扫描镜的法线与XOY平面夹角为35°±10°，其中X方向为飞行方向，XYZ满足右手坐标系，旋转轴为Z轴，Z轴方向指向地心，此种设计成像视场内畸变低，等分辨率环视扫描镜的工作范围是沿Z轴旋转0°～360°，当等分辨率环视扫描镜旋转扫描后完成等分辨率连续环视成像。
所述等分辨率环视扫描镜为平面反射镜，其外形为圆形、矩形或倒角多边形的中心旋转对称形状。
所述前置望远系统包括主光学前置望远主镜和主光学前置望远次镜；主光学前置望远主镜的中心设置通光口径，对双视场光路的成像范围进行约束。
主光学前置望远主镜、主光学前置望远次镜的光轴与环视扫描镜的旋转轴Z轴同轴，为所述光学系统的主光轴。
主光学前置望远主镜的焦距为f1，主光学前置望远次镜的焦距为f2，主光学前置望远系统光束口径压缩比为Γ＝f1/f2，通过主光学前置望远系统后，出射光为主光学前置望远主镜口径1/Γ倍的平行光。
主光学前置望远主镜为旋转对称凹面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，二次曲面系数在-0.9～-1.1范围内。
所述主光学前置望远次镜为旋转对称凸面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，面型为双曲面，二次曲面系数在-1.5～-3范围内。
主视场与主光轴Z轴的夹角为0°正入射，成像视场为0.66°×2α°范围内的矩形，其中α取(0°～0.33°]；斜视场与主光轴Z轴的夹角为θ，其范围取(+0.33°～+0.5°)或(-0.33°～-0.5°)斜入射，斜入射光线的成像视场为0.66°×(θ+2α)°范围内的矩形。
短中波通道具有100％冷光阑效率，通过短中波杜瓦窗口及滤光片进行隔热，使短中波孔径光阑和短中波探测器的工作温度为190K；长波通道具有100％冷光阑效率，通过长波杜瓦窗口及滤光片进行隔热，使长波孔径光阑和长波探测器的工作温度为190K，其余光学元件的工作温度为293K。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明的光学系统具体体现在光学系统采用等分辨率环视扫描镜、主光学前置望远主镜和主光学前置望远次镜完成双视场0°～360°环视成像，成像画幅视场大且连续，成像视场内畸变低，空间分辨率中心位置较边缘位置无明显退化；叠加多通道设计实现探测效能拓展，双视场探测光谱范围覆盖可见光到长波红外0.4μm～12.5μm。有利于研制具有高时效性、高分辨率、多数据融合的光学遥感器，特别适用于防灾减灾、国土资源调查、目标侦查、测绘等对响应时间、成像幅宽和空间分辨率有高度要求的航空航天对地观测领域。
2)本发明的光学系统主光学前置望远系统和多通道中继光学系统各通道均可成完善像，各中继通道易于更换，使得光学系统具有良好的扩展能力和适配性能，同时此种设计可降低加工、装调难度。
3)本发明的光学系统在同一遥感器上实现了双视场环视成像、可见红外多通道同时工作，高集成度、结构紧凑，特别适用于航天航空等空间资源受限的工作环境。
附图说明
图1为本发明光学系统示意图。
图2为本发明环视扫描镜工作示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，包括：等分辨率环视扫描镜1、前置望远系统、第一折转镜4、可见光校正镜5、第二折转镜6、可见光滤光片7、可见光探测器8、红外分色镜9、短中波前校正透镜组10、第三折转镜11、短中波后校正透镜组12、短中波杜瓦窗口及滤光片13、短中波孔径光阑14、短中波探测器15、长波前校正透镜组16、长波后校正透镜组18、长波杜瓦窗口及滤光片19、长波孔径光阑20和长波探测器21；
入射光线经等分辨率环视扫描镜1反射至前置望远系统，形成主视场以及斜视场入射的双视场光路，完成双视场等分辨率连续幅宽环视探测；第一折转镜4将斜视场入射的光路折转，形成可见光谱段通道并依次通过可见光校正镜5、第二折转镜6、可见光滤光片7，最后在可见光探测器8处成像；红外分色镜9上蒸镀分色膜，将主视场入射的光路进行分色，分成短中波谱段和长波谱段两个通道，其中短中波谱段通道由红外分色镜9反射后，依次进入短中波前校正透镜组10、短中波折转镜11、短中波后校正透镜组12，优化汇聚后依次通过短中波杜瓦窗口及滤光片13、短中波孔径光阑14，最后在短中波探测器15处成像；其中长波谱段通道由红外分色镜9透射，进入长波前校正透镜组16优化汇聚后形成长波一次像面17，再依次通过长波后校正透镜组18、长波杜瓦窗口及滤光片19、长波孔径光阑20，最后在长波探测器21处成像。
如图2所示，所述等分辨率环视扫描镜1的法线与XOY平面夹角为35°±10°，其中X方向为飞行方向，XYZ满足右手坐标系，旋转轴为Z轴，Z轴方向指向地心，此种设计成像视场内畸变低，等分辨率环视扫描镜1的工作范围是沿Z轴旋转0°～360°，当等分辨率环视扫描镜1旋转扫描后完成等分辨率连续环视成像。
所述等分辨率环视扫描镜1为平面反射镜，其外形为圆形、矩形或倒角多边形的中心旋转对称形状。
所述前置望远系统包括主光学前置望远主镜2和主光学前置望远次镜3；主光学前置望远主镜2的中心设置通光口径，对双视场光路的成像范围进行约束。
主光学前置望远主镜2、主光学前置望远次镜3的光轴与环视扫描镜1的旋转轴Z轴同轴，为所述光学系统的主光轴。
主光学前置望远主镜2的焦距为f1，主光学前置望远次镜3的焦距为f2，主光学前置望远系统光束口径压缩比为Γ＝f1/f2，通过主光学前置望远系统后，出射光为主光学前置望远主镜2口径1/Γ倍的平行光。
主光学前置望远主镜2为旋转对称凹面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，二次曲面系数在-0.9～-1.1范围内。
所述主光学前置望远次镜3为旋转对称凸面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，面型为双曲面，二次曲面系数在-1.5～-3范围内。
主视场与主光轴Z轴的夹角为0°正入射，成像视场为0.66°×2α°范围内的矩形，其中α取(0°～0.33°]；斜视场与主光轴Z轴的夹角为θ，其范围取(+0.33°～+0.5°)或(-0.33°～-0.5°)斜入射，斜入射光线的成像视场为0.66°×(θ+2α)°范围内的矩形。
短中波通道具有100％冷光阑效率，通过短中波杜瓦窗口及滤光片13进行隔热，使短中波孔径光阑14和短中波探测器15的工作温度为190K；长波通道具有100％冷光阑效率，通过长波杜瓦窗口及滤光片19进行隔热，使长波孔径光阑20和长波探测器21的工作温度为190K，其余光学元件的工作温度为293K。
本发明的一个实施方案为：系统入瞳直径560mm，可见光通道焦距为4600mm，工作谱段为400nm—900nm；短中波红外通道焦距为1695mm，工作谱段为1.55μm—3.90μm；长波红外通道焦距为860mm，工作谱段为8μm—12.5μm；主视场入射的红外通道视场角为0.66°×0.4°，斜视场与主光轴Z轴的夹角θ为0.5°入射，可见光通道视场角为0.66°×0.613°；环视扫描镜扫描角度0°～360°实现等分辨率连续双视场成像。
等分辨率环视扫描镜1面型为平面反射镜，通光口径为680mm×680mm的矩形，矩形四角做R10mm倒角，该设计满足中心对称要求且利于系统减重，等分辨率环视扫描镜1与XOY平面夹角为27.5°，旋转轴为Z轴，扫描角度0°～360°。
主光学前置望远主镜2的顶点曲率半径为1271.48，圆锥系数为-0.973，系统的孔径光阑设置于主光学前置望远主镜2上；主光学前置望远主镜2的中心设置矩形通光口径，尺寸为118mm×60mm。主光学前置望远次镜3顶点曲率半径为313.98，圆锥系数为-1.869。双视场入射与主光轴Z轴夹角为0°正入射，成像视场为0.66°(X方向)×0.4°(Y方向)的矩形；斜视场入射与主光轴Z轴夹角为0.5°，成像视场为0.66°(X方向)×0.613°(Y方向)的矩形。
第一分色镜4为碳化硅材料制成，其法线在XOY平面内沿X轴倾斜-47°，表面镀有对可见光谱段的高反射膜。
可见光校正镜5的光轴为主光轴Z轴，与主光学前置望远主镜2、主光学前置望远次镜3共轴，其顶点曲率半径为-410.89，圆锥系数为-0.560；可见折转镜6为平面反射镜，其法线在XOY平面内沿X轴倾斜30°；可见光滤光片7厚度为2mm，牌号为蓝宝石；可见光探测器8为面阵拼接器件。
红外分色镜9为硒化锌材料制成，其法线在XOY平面内沿X轴倾斜47°，表面镀有半透半反膜，其中对短中波红外谱段进行反射、对长波红外谱段进行透射。
短中波前校正透镜组10含1个透镜，中心厚为18.93mm，顶点曲率半径为-2351.01mm、2315.22mm，牌号为硅；短中波折转镜11为碳化硅材料制成，其法线在XOY平面内沿X轴倾斜45°；短中波后校正透镜组12含7个透镜，其中心厚依次为15.21mm、15.08mm、18.54mm、14.67mm、19.99mm、19.70mm，顶点曲率半径依次为219.18mm、161.56mm、172.77mm、-577.62mm、-429.87mm、940.34mm、304.58mm、-615.27mm、326.00mm、155.22mm、78.74mm、90.35mm、43.98mm、28.47mm，牌号依次为蓝宝石、宽谱硫化锌、硅、宽谱硫化锌、硒化锌、硒化锌、硒化锌；短中波杜瓦窗口及滤光片13的中心厚为3mm，牌号为硅；短中波孔径光阑14通光口径为35mm；短中波探测器15为面阵拼接器件。
长波前校正透镜组16含2个透镜，中心厚依次为10.53mm、7.14mm、-38.18mm、-53.39mm，顶点曲率半径依次为-101.72mm、-82.20mm，牌号依次为锗长波、硒化锌，长波后校正透镜组18含3个透镜，中心厚依次为10.80mm、7.00mm、7.00mm，顶点曲率半径依次为-221.42mm、-120.39mm、46.69mm、69.19mm、89.94mm、53.54mm，牌号依次为硒化锌、锗长波、硒化锌；长波杜瓦窗口及滤光片19的中心厚为3mm，牌号为锗；长波孔径光阑20的通光口径为12mm；长波探测器21为面阵拼接器件。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于，包括：等分辨率环视扫描镜(1)、前置望远系统、第一折转镜(4)、可见光校正镜(5)、第二折转镜(6)、可见光滤光片(7)、可见光探测器(8)、红外分色镜(9)、短中波前校正透镜组(10)、第三折转镜(11)、短中波后校正透镜组(12)、短中波杜瓦窗口及滤光片(13)、短中波孔径光阑(14)、短中波探测器(15)、长波前校正透镜组(16)、长波后校正透镜组(18)、长波杜瓦窗口及滤光片(19)、长波孔径光阑(20)和长波探测器(21)；
入射光线经等分辨率环视扫描镜(1)反射至前置望远系统，形成主视场以及斜视场入射的双视场光路，完成双视场等分辨率连续幅宽环视探测；第一折转镜(4)将斜视场入射的光路折转，形成可见光谱段通道并依次通过可见光校正镜(5)、第二折转镜(6)、可见光滤光片(7)，最后在可见光探测器(8)处成像；红外分色镜(9)上蒸镀分色膜，将主视场入射的光路进行分色，分成短中波谱段和长波谱段两个通道，其中短中波谱段通道由红外分色镜(9)反射后，依次进入短中波前校正透镜组(10)、短中波折转镜(11)、短中波后校正透镜组(12)，优化汇聚后依次通过短中波杜瓦窗口及滤光片(13)、短中波孔径光阑(14)，最后在短中波探测器(15)处成像；其中长波谱段通道由红外分色镜(9)透射，进入长波前校正透镜组(16)优化汇聚后形成长波一次像面(17)，再依次通过长波后校正透镜组(18)、长波杜瓦窗口及滤光片(19)、长波孔径光阑(20)，最后在长波探测器(21)处成像。
2.根据权利要求1所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：所述等分辨率环视扫描镜(1)的法线与XOY平面夹角为35°±10°，其中X方向为飞行方向，XYZ满足右手坐标系，旋转轴为Z轴，Z轴方向指向地心，此种设计成像视场内畸变低，等分辨率环视扫描镜(1)的工作范围是沿Z轴旋转0°～360°，当等分辨率环视扫描镜(1)旋转扫描后完成等分辨率连续环视成像。
3.根据权利要求1所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：所述等分辨率环视扫描镜(1)为平面反射镜，其外形为圆形、矩形或倒角多边形的中心旋转对称形状。
4.根据权利要求2所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：所述前置望远系统包括主光学前置望远主镜(2)和主光学前置望远次镜(3)；主光学前置望远主镜(2)的中心设置通光口径，对双视场光路的成像范围进行约束。
5.根据权利要求4所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：主光学前置望远主镜(2)、主光学前置望远次镜(3)的光轴与环视扫描镜(1)的旋转轴Z轴同轴，为所述光学系统的主光轴。
6.根据权利要求5所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：主光学前置望远主镜(2)的焦距为f1，主光学前置望远次镜(3)的焦距为f2，主光学前置望远系统光束口径压缩比为Γ＝f1/f2，通过主光学前置望远系统后，出射光为主光学前置望远主镜(2)口径1/Γ倍的平行光。
7.根据权利要求5所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：主光学前置望远主镜(2)为旋转对称凹面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，二次曲面系数在-0.9～-1.1范围内。
8.根据权利要求5所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：所述主光学前置望远次镜(3)为旋转对称凸面反射镜，法线平行于主光轴Z轴，面型为双曲面，二次曲面系数在-1.5～-3范围内。
9.根据权利要求1所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：主视场与主光轴Z轴的夹角为0°正入射，成像视场为0.66°×2α°范围内的矩形，其中α取(0°～0.33°]；斜视场与主光轴Z轴的夹角为θ，其范围取(+0.33°～+0.5°)或(-0.33°～-0.5°)斜入射，斜入射光线的成像视场为0.66°×(θ+2α)°范围内的矩形。
10.根据权利要求1所述的双视场多通道超大幅宽等分环视光学系统，其特征在于：短中波通道具有100％冷光阑效率，通过短中波杜瓦窗口及滤光片(13)进行隔热，使短中波孔径光阑(14)和短中波探测器(15)的工作温度为190K；长波通道具有100％冷光阑效率，通过长波杜瓦窗口及滤光片(19)进行隔热，使长波孔径光阑(20)和长波探测器(21)的工作温度为190K，其余光学元件的工作温度为293K。
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