CN203799103U - 一种全谱段多通道成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种全谱段多通道成像系统，包括离轴三反光学系统、中短波中继光学系统、长波中继光学系统。成像目标的辐射光束经过进入光学系统，经主光学离轴三反光学系统后经分色片分为可见全谱段、短波/中波、长波红外三个通道，可见全谱段通道经第一分色片反射后通过五色器件实现全色全谱段成像，短波/中波、长波通道经第二分色片透射/反射后分别通过各自中继光学系统后经滤光片细分后会聚到焦面上成像。本实用新型具有大视场、大相对孔径、谱段范围宽、光谱细分程度高、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，可实现大范围、全天时、高分辨率的动态稳定检测。
Description
技术领域
本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种大视场、全谱段成像条件下，应用于空间的全谱段多通道成像系统。
背景技术
随着遥感技术的发展，各类用户对地面景物的光谱信息要求越来越高，特别是对覆盖可见、短波、中波以及长波红外区域的光谱信息提出了迫切的需求。传感器的光谱分辨率越高，所取得的图像就越能客观、有效的反应地物的光谱特征，传感器探测地物的能力就越强，由不同光谱特征反映的不同地物间的差别在图像上就能得到很好的体现。全谱段成像遥感数据在资源评价、环境监测、灾害预警与灾后评估、城市规划、目标分类识别等方面得到广泛应用，具有极大的社会效益与经济效益。
典型的全谱段卫星主要有美国的landsat系列、中分辨率成像光谱仪（MODIS）、全谱段红外成像仪MTI和印度的IRS系列民用遥感器，国内的全谱段卫星主要有资源系列、环境系列、海洋系列和风云系列卫星。
美国的landset系列卫星中，以ETM+最为先进，其光学系统由前置扫描镜、RC两反系统、一个分色片和两个全谱段器件构成，谱段覆盖为可见/近红外和短波红外，细分为7个全谱段谱段和一个全色谱段；MODIS光学系统由穿越轨迹扫描的扫描镜、格里高利两反系统、离轴双反系统、补偿透镜组和干涉滤光片及四个线阵接收器件组成，谱段范围覆盖可见光到长波红外谱段，但系统含有活动部件使整机稳定性及可靠性降低、无法实现高的光谱分辨率；MTI光学系统采用离轴三反结构型式，采用滤光片配合高集成度焦平面技术实现全谱段成像，由于焦平面高集成度技术受限，工程化难度增加，且难以实现大视场成像。印度IRS系列是最先进的民用遥感器系列之一，该系列光学系统采用过透射及全反射系统，谱段范围仅覆盖可见光/近红外和短波红外谱段，无法获取中长波和长波谱段光谱信息。
国内的全谱段卫星多采用红外成像仪与可见光相机相结合的方式实现全谱段成像，其中环境系列仅使用可见光—近红外波段。采用多台相机实现宽谱段信息的获取将会使得空间相机的体积和重量都很庞大，而且增加了卫星的发射成本，降低了整星的可靠度。
目前在研及已付诸应用的全谱段卫星光学系统普遍存在视场小、可见光/红外谱段覆盖宽度不足、谱段内光谱细分程度低和短波谱段覆盖不足的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适合空间遥感器的大视场、超宽谱段、全谱段情况下的多通道成像光学系统。
本发明的技术解决方案是：一种全谱段多通道成像系统，包括：主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片、可见光焦面器件、中短波/长波谱段分色片、折转镜、中短波中继光学系统、中短波组合滤光片、中短波焦面器件、长波中继光学系统、长波组合滤光片和长波焦面器件；所述主光学离轴三反系统包括主镜M1、次镜M2和三镜M3；
所述全谱段多通道成像系统包括三个光学通道：可见光/近红外通道、中短波通道和长波通道，三个通道共用主光学离轴三反系统；可见光/近红外通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片和可见光焦面器件沿光轴方向依次放置；中短波通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片、中短波/长波谱段分色片、中短波中继光学系统、中短波组合滤光片和中短波焦面器件沿光轴方向依次放置；长波通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片、中短波/长波谱段分色片、折转镜、长波组合滤光片和长波焦面器件沿光轴方向依次放置；
成像目标的辐射光束进入主光学离轴三反系统，主光学离轴三反系统的出射光线入射至可见光近红外/红外谱段分色片，其中可见近红外光线经可见光近红外/红外谱段分色片反射至可见光焦面器件；中短波光线和长波光线由可见近红外/红外谱段分色片透射至中短波/长波谱段分色片；中短波光线由中短波/长波谱段分色片反射至折转镜并由折转镜反射至中短波中继光学系统，经中短波中继光学系统汇聚至出瞳处的光线由中短波组合滤光片，光谱细分后成像至中短波焦面器件；长波光线由中短波/长波谱段分色片透射至长波中继光学系统，经长波中继光学系统汇聚至出瞳处的光线由长波组合滤光片，光谱细分后成像至长波焦面器件；近红外和长波红外通道光阑设置在各自通道出瞳位置；所述可见近红外/红外谱段分色片和中短波/长波谱段分色片均为楔板，其中心轴与次镜中心轴不重合，且与入射光光轴以一定角度放置。
所述的主光学离轴三反光学系统的主镜M1和三镜M3面形均为凹非球面反射镜，次镜M2的面形为凸球面或非球面反射镜，反射面镀铝或银材料的金属高反射率反射膜，材料为碳化硅，微晶玻璃，或熔石英；中短波和长波中继透射式光学系统的面形为球面或部分非球面，非球面位于凹面上，所有透镜的材料均为无色光学玻璃，所有透镜与空气接触的表面镀增透膜。
所述的中短波组合滤光片6和长波组合滤光片9均由四片矩形薄平板拼接而成，在平板两个面上针对四个工作谱段增透膜。
所述全谱段多通道成像系统的工作谱段为0.45μm-12.5μm，细分为三个通道，13个谱段，其中可见光/近红外通道对五个谱段成像，分别为：0.45μm-0.89μm、0.45μm-0.52μm、0.52μm-0.60μm、0.62μm-0.68μm、0.76μm-0.86μm；中短波通道对四个谱段成像，分别为：1.55μm-1.75μm、2.08μm-2.35μm、3.50μm-3.90μm、4.85μm-5.05μm；长波通道对四个谱段成像，分别为：8.01μm-8.39μm、8.42μm-8.83μm、10.3μm-11.3μm、11.4μm-12.5μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1）本发明主光学系统由于采用了离轴三反的形式，有效的减小了主光学系统光学元件的数量，无色差，无遮拦，对可见光/近红外、中短波和长波谱段均成像良好；可针对可见光/近红外通道和两红外通道分别进行装调和像质检测，降低了系统装调复杂程度，这种离轴三反型式主光学系统在中等焦距、大口径、大视场技术指标的全谱段成像探测应用中优势尤为明显；
2）本发明利用折返射系统结合分色片和组合滤光片的结构型式，在覆盖可见光、短波、中波以及长波红外区域超宽谱段光谱信息的同时，大大简化了光学系统的结构，提高了几何成像质量和通道间的配准精度，像元一致性好；
3）可见光/近红外通道在焦面前方设置局部光阑，避免了可见光通道能量饱和和在主光学反射镜设置光阑导致红外通道产生渐晕的问题，红外光阑位于出瞳处，可与探测器组件的冷屏实现100%匹配，从而降低背景辐射，提高系统的温度分辨率；
4）本发明光学系统在中短波谱段首次覆盖到了1.55μm-1.75μm、2.08μm-2.35μm、3.5μm-3.9μm和4.85μm-5.05μm、谱段，大大丰富了中短波通道的成像光谱信息，通过合理匹配玻璃材料消除宽谱段色差，像质良好；
5）本发明具有光机结构紧凑、组成简单、在超宽谱段范围内成像质量良好和易于实现等优点，可应用较短线阵探测器阵列来实现较大视场的成像，为机载/星载高分辨率全谱段成像系统提出了一个较好的技术实现途径，特别适用于持续、稳定地获取地表信息的高精度探测卫星光学系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为中短波中继光学系统结构图；
图3为长波中继光学系统结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明光学系统包括主光学离轴三反系统（主镜M1、次镜M2、三镜M3）、可见光近红外/红外谱段分色片1、可见光焦面器件2、中短波/长波谱段分色片3、折转镜4、中短波中继光学系统5、中短波组合滤光片6、中短波焦面器件7、长波中继光学系统8、长波组合滤光片9、长波焦面器件10。
本发明光学系统的工作谱段为0.45μm-12.5μm，细分为三个通道、13个谱段。
0.45μm-0.89μm、0.45μm-0.52μm、0.52μm-0.60μm、0.62μm-0.68μm和0.76μm-0.86μm谱段构成可见近红外光路。可见近红外光路的光线经主光学离轴三反系统成像后透过可见光近红外/红外谱段分色片1至可见光焦面器件2，实现多光谱成像；其中可见光焦面器件2为五色TDICCD器件。
1.6μm-2.1μm、2.2μm-2.5μm、3.5μm-4.0μm和4.8μm-5.0μm构成中短波光路。中短波光路的光经主光学离轴三反系统成一次像，然后经可见光近红外/红外谱段分色片1反射至中短波/长波谱段分色片3，然后由中短波/长波谱段分色片3反射至折转镜4并由折转镜4反射至中短波中继光学系统5，经中短波中继光学系统5汇聚至出瞳后的中短波光路的光线由中短波组合滤光片6实现光谱细分，最后成像至中短波焦面器件7。
8.00μm-8.5μm、8.50μm-8.80μm、10.0μm-11.0μm和11.0μm-12.5μm构成长波光路，长波光路的光线经主光学离轴三反系统成一次像，然后经可见光近红外/红外谱段分色片1反射至中短波/长波谱段分色片3，然后由中短波/长波谱段分色片3透射至长波中继光学系统8，经长波中继光学系统8汇聚至出瞳后的长波光路的光线由长波组合滤光片9实现光谱细分，最后成像至长波焦面器件10。
本发明光学系统三个光路通道的焦距一致，均为750mm。基于相机系统能量和信噪比的要求，中短波通道相对孔径选取为3.0、长波通道为2.8，考虑可见近红外通道探测器件能量饱和度的要求，可见光近红外通道相对孔径选为5，三个通道视场大小均为4.6°（垂直分行方向）×0.8°（沿飞行方向）。光学系统设计选用Y方向偏场使用4°～5°实现沿飞行方向满足幅宽要求，可将近红外通道设计过程将光阑放置在次镜，工程化则采用在焦面前方放置局部光阑的方法，实现可见近红外通道相对孔径要求，同时避免在次镜放置光阑对红外通道产生的渐晕；中短波和长波通道将光阑放置在光学系统出瞳处，可与探测器组件的冷屏实现100%匹配，从而降低背景辐射，提高系统的温度分辨率。
主光学离轴三反系统物理同轴，即主、次、三镜中心轴重合，以次镜M2的中心为中心轴，各反射镜均使用局部口径，主光学离轴三反光学系统的中心视场主光线与像面法线的夹角为零。主镜M1、次镜M2、三镜M3均采用凹反射镜；离轴三反系统次镜为凸面镜，考虑加工检测的难度，将次镜设计为球面，同时为保证可见光通道的成像质量，增加系统设计自由度，主镜M1和三镜M3为非球面镜。主镜M1为四次椭球面，次镜M2为球面或非球面，三镜M3为六次椭球面。主镜M1、次镜M2、三镜M3采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。
可见光近红外/红外谱段分色片1为楔板，整个分色片倾斜放置，光线入射面倾斜角为沿光轴逆时针旋转45°，第二表面倾斜角为沿光轴逆时针旋转45.2°，即分色片前后表面夹角0.2°，位于主光学离轴三反系统所成一次像前的汇聚光路中，实现可见光近红外/红外谱段的分色。
红外谱段一次像位于可见光近红外/红外谱段分色片1之后，一次像后的发散光束经过中短波/长波谱段分色片3实现中短波/长波谱段的分色。中短波/长波谱段分色片3也是楔板，位于红外谱段一次像后的发散光束中，中短波/长波谱段分色片3倾斜放置，光线入射表面倾斜角为沿光轴逆时针旋转45°，第二表面倾斜角为沿光轴逆时针旋转45.25°，即分色片前后表面夹角为0.25°。
可见光近红外/红外谱段分色片1以及中短波/长波谱段分色片3均采用硒化锌材料，两表面均为平面。在光线入射面上镀可见近红外/红外、中短波/长波谱段分色膜，实现可见光近红外/红外谱段和中短波/长波谱段分色。
分色片及后续光学元件与主光学离轴三反系统不同轴，其中心轴与次镜中心轴在垂轴方向的偏移距离为100mm，以保证后续光学系统口径与偏场使用的视场内光线口径一致。
折转镜4表面面形为平面，采用微晶材料，或铝基碳化硅，与入射光线光轴成一定角度倾斜放置，以避免中短波中继透镜组与长波中继透镜组之间发生干涉。
可见光焦面器件2为TDI五色器件。
中短波中继光学系统5由七片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，如图2所示。透镜组包含有弯月负透镜、双凸正透镜、弯月正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、两个弯月负透镜组成，其中，第一透镜第二面（凹面）、第二透镜第二面（凸面）和第七透镜第二面（凹面）为非球面，非球面类型分别为六次双曲面，或八次椭球面，或六次椭球面，其余透镜面形均为球面。七片透镜光轴重合，出瞳大小为32.15mm，出瞳距为90mm。
中短波组合滤光片6由四块矩形薄平板拼接而成，每块矩形薄平板双面镀增透膜，增透谱段分别对应中短波通道的四个工作谱段。
中短波焦面器件7为矩形面阵探测器或线阵探测器件。
长波中继光学系统8由六片透镜组成，均采用无色红外光学玻璃，如图3所示。透镜组包含有弯月正透镜、弯月负透镜、弯月正透镜、弯月负透镜、弯月正透镜和弯月负透镜组成，其中，第一透镜第二面（凹面）、第二透镜第二面（凹面）和第六透镜第二面（凹面）为八次双曲面，其余透镜面形均为球面。五片透镜光轴重合，出瞳大小为32mm，出瞳距为96mm。
长波组合滤光片9由四块矩形薄平板拼接而成，每块矩形薄平板双面镀增透膜，增透谱段分别对应长波通道的四个工作谱段。
长波焦面器件10为矩形面阵探测器或线阵探测器件。
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 (4)
1.一种全谱段多通道成像系统，其特征在于包括：主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片（1）、可见光焦面器件（2）、中短波/长波谱段分色片（3）、折转镜（4）、中短波中继光学系统（5）、中短波组合滤光片（6）、中短波焦面器件（7）、长波中继光学系统（8）、长波组合滤光片（9）和长波焦面器件（10）；所述主光学离轴三反系统包括主镜M1、次镜M2和三镜M3；
所述全谱段多通道成像系统包括三个光学通道：可见光/近红外通道、中短波通道和长波通道，三个通道共用主光学离轴三反系统；可见光/近红外通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片（1）和可见光焦面器件（2）沿光轴方向依次放置；中短波通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片（1）、中短波/长波谱段分色片（3）、中短波中继光学系统（5）、中短波组合滤光片（6）和中短波焦面器件（7）沿光轴方向依次放置；长波通道中主光学离轴三反系统、可见光近红外/红外谱段分色片（1）、中短波/长波谱段分色片（3）、折转镜（4）、长波组合滤光片（9）和长波焦面器件（10）沿光轴方向依次放置；
成像目标的辐射光束进入主光学离轴三反系统，主光学离轴三反系统的出射光线入射至可见光近红外/红外谱段分色片（1），其中可见近红外光线经可见光近红外/红外谱段分色片（1）反射至可见光焦面器件（2）；中短波光线和长波光线由可见近红外/红外谱段分色片（1）透射至中短波/长波谱段分色片（3）；中短波光线由中短波/长波谱段分色片（3）反射至折转镜（4）并由折转镜（4）反射至中短波中继光学系统（5），经中短波中继光学系统（5）汇聚至出瞳处的光线由中短波组合滤光片（6），光谱细分后成像至中短波焦面器件（7）；长波光线由中短波/长波谱段分色片（3）透射至长波中继光学系统（8），经长波中继光学系统（8）汇聚至出瞳处的光线由长波组合滤光片（9），光谱细分后成像至长波焦面器件（10）；近红外和长波红外通道光阑设置在各自通道出瞳位置；所述可见近红外/红外谱段分色片（1）和中短波/长波谱段分色片（3）均为楔板，其中心轴与次镜中心轴不重合，且与入射光光轴以一定角度放置。
2.根据权利要求1所述的一种全谱段多通道成像系统，其特征在于：所述的主光学离轴三反光学系统的主镜M1和三镜M3面形均为凹非球面反射镜，次镜M2的面形为凸球面或非球面反射镜，反射面镀铝或银材料的金属高反射率反射膜，材料为碳化硅，微晶玻璃，或熔石英；中短波和长波中继透射式光学系统的面形为球面或部分非球面，非球面位于凹面上，所有透镜的材料均为无色光学玻璃，所有透镜与空气接触的表面镀增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种全谱段多通道成像系统，其特征在于：所述中短波组合滤光片（6）和长波组合滤光片（9）均由四片矩形薄平板拼接而成，在平板两个面上针对四个工作谱段增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种全谱段多通道成像系统，其特征在于：所述全谱段多通道成像系统的工作谱段为0.45μm-12.5μm，细分为三个通道，13个谱段，其中可见光/近红外通道对五个谱段成像，分别为：0.45μm-0.89μm、0.45μm-0.52μm、0.52μm-0.60μm、0.62μm-0.68μm和0.76μm-0.86μm；中短波通道对四个谱段成像，分别为：1.55μm-1.75μm、2.08μm-2.35μm、3.50μm-3.90μm和4.85μm-5.05μm；长波通道对四个谱段成像，分别为：8.01μm-8.39μm、8.42μm-8.83μm、10.3μm-11.3μm和11.4μm-12.5μm。
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