CN204666945U - 一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统 - Google Patents

Abstract

一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统，采用两个独立的光学支路：可见光支路和红外支路。两支路入射光线视场角不同，高分辨率可见光支路利用轴外线视场，经过主镜、次镜和可见光支路三镜后，通过直角棱镜凸球面反射，在可见光支路焦面器件处成像；红外支路利用轴上视场，经过主镜、次镜并通过直角棱镜斜面上的反射面反射，透过中继透镜组后在出瞳处与冷平耦合，最后到达红外支路焦面器件处成像；本系统通过单相机双通道的折反式光学系统实现对目标景物的高重访高分辨率成像功能，本系统具有高分辨率、零畸变、光机结构集成度高、体积小、重量轻等优点，具有对大范围地物的高分辨率、高精度和全天时成像能力。

Description

一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统

技术领域

本实用新型属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统。

背景技术

为实现高分辨率观测，光学遥感成像系统正在取得日新月异的发展，各种高分辨率的成像系统相继发挥作用，不断提高的空间分辨率已经成为光学遥感成像系统发展争相追求的目标。1976年发射“锁眼”(KH-11)卫星像元分辨率达到0.15m以上，可对典型地面军事目标由发现、识别、确认直到对军事目标进行技术分析，到1990年发射的KH-12卫星，其光学遥感器分辨率提高到0.1m，目前KH-12卫星仍然在轨运行。1994年美国解除了对高分辨率遥感技术的控制，开放了米级以下的遥感图像，允许商业部门进入这一领域。1999年洛克西德马丁公司发射了第一颗商业高分辨率卫星Ikonos-2，该卫星所携带空间光学遥感器的全色分辨率达到了0.82m；随后，2001年发射的QuickBird-2达到了0.61m，2007年WorldView-1达到了0.5m，2008年GeoEye-1达到了0.41m。其他国家诸如法国、印度、以色列、韩国等都相继发射了高分辨率遥感卫星，具备了亚米级的高分辨率成像能力。

高分辨率成像侦察仅可以获取目标的外形轮廓信息，还可获取目标的温度信息，从而对目标状态进行识别。红外成像侦察成像不受时间条件的限制，可实现卫星的昼夜成像侦察，增加夜间对目标高分辨率成像的次数，提高目标状态的判断能力和隐蔽目标的识别能力。

高分辨率可见光CCD相机光学系统主要采用两种结构型式，即同轴反射式三镜消像散系统TMA和离轴TMA系统，在相同焦距、孔径和视场角条件下，同轴TMA具有体积小、重量轻的优点，但无法实现大视场角、畸变大；红外通道与可见光高分辨率通道一体化设计，需要公用部分光学元件，同时需要合理布局，使系统结构体积最优化。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统，实现了共口径高分辨率可见光+激光测距共光路光学系统。

本实用新型的技术解决方案是：一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统，采用双通道一体化结构型式，包括共用主镜、共用次镜、直角棱镜、红外通道中继透镜组、红外通道探测器、可见光通道三镜和可见光通道探测器；在直角棱镜的斜面3S1和直角面3S2上镀有反射膜，其中斜面3S1为平面、直角面3S2为凸非球面，直角面3S2与可见光通道出瞳位置重合；红外通道中继透镜组和可见光通道三镜的光轴与主光轴重合，直角棱镜的直角反射面3S2光轴在子午面内，与主光轴一致；

共用主镜和共用次镜同轴，并且作为光学系统的主光轴；共用主镜上设有通光孔，入射光线沿主光轴入射至共用主镜上；可见光通道和红外通道各自视场不同，可见光通道使用轴外视场，红外通道使用轴上视场；来自可见光通道视场内的光线经过共用主镜及共用次镜反射之后透过主镜通光孔依次到达可见光通道三镜和直角棱镜的直角反射面3S2上，经反射面3S2反射后到达可见光通道探测器处成像；红外通道视场内光束经过共用主镜及共用次镜反射之后透过主镜通光孔，经直角棱镜的斜面3S1反射后透过红外通道中继透镜组，最终在红外通道探测器处成像。

所述光学系统入瞳位于共用主镜上，共用主镜、共用次镜的面形均为非球面反射镜。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

1)本实用新型由于采用了共用主镜和次镜、在直角棱镜的斜面和直角面上镀反射膜的方法，使可见光通道与红外通道后续光路和光学元件分离，在同一个载荷上实现了高分辨率可见光成像系统和红外成像系统同时工作；可见光通道与红外通道可以采用相同的焦距与视场角，也可以不同的焦距与视场角，从而可以优化这两种不同工作模式通道的光学性能；

2)本实用新型可见光通道的直角棱镜反射面位置与其出瞳重合，实现直角棱镜尺寸最小化；直角面3S2面为凸非球面，利用其大非球面系数消光瞳像差，使光学系统实现高像质的同时消除畸变。

3)本实用新型光学系统直角棱镜可固定于共用主镜基板的背部，从而充分利用了共用主镜基板背部的空间，有效的减小了光学系统的轴向尺寸；

4)本实用新型光学系统共用主镜的通光口径可以为圆对称面，或者根据载荷仓实际的尺寸情况设计为非圆对称面，保证可以尽可能的扩大光学系统的通光孔径。

5)本实用新型具有光机结构紧凑、组成简单、在宽谱段范围内无色差、成像质量良好、易于实现等优点，为机载/星载高分辨率可见光/多光谱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侦察－测绘一体化卫星光学系统。

附图说明

图1为本实用新型光学系统组成结构示意图。

图2为本实用新型所采用的直角棱镜示意图。

图3为红外通道中继透镜组示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型光学系统由共用主镜1、共用次镜2、直角棱镜3、红外通道中继透镜组4、红外通道探测器5、可见光通道三镜6和可见光通道探测器7；在直角棱镜3的斜面3S1和直角面3S2上镀有反射膜，其中斜面3S1为平面、直角面3S2面为凸非球面。

本实用新型的一个实施方案为：光学系统的可见光通道工作谱段为0.45μm-0.9μm，红外通道工作谱段为8μm-10μm，两个支路共用主镜和次镜，其中可见光通道与红外通道视场不同，可见光通道对轴外视场(偏场角0.4°～0.5°)景物成像，红外通道对轴上视场景物成像。可见光通道焦距为5m、全视场为1.5°、可见光通道探测器7为像元尺寸7μm的线阵TDICCD；红外通道焦距为1.2m、全视场为0.8°、探测器为像元尺寸0.04mm的小面阵CCD。

可见光通道利用轴外视场，红外通道使用轴上视场。来自可见光通道视场内的光线经过共用主镜1及共用次镜2反射之后透过主镜1通光孔到达可见光通道三镜6，反射至直角棱镜3的直角反射面3S2上，经其反射到达高分辨率可见光通道探测器7处成像。

红外通道视场内光束经过共用主镜1及共用次镜2反射之后透过主镜1通光孔，经直角棱镜3的斜面3S1反射后透过红外通道中继透镜组4，在出瞳处与冷屏耦合，然后在红外通道探测器5处成像。

光学系统共用主镜1和共用次镜2同轴，并且其光轴作为光学系统的主光轴；通光口径均为圆形，共用主镜1上设置一个通光孔，入射光线从左侧沿主光轴入射至共用主镜1上，经过共用主镜1及共用次镜2反射之后到达各通道后续光学元件及镜组。

共用主镜1为双曲面、共用次镜2为椭球面；可见光通道三镜6和直角棱镜3直角面3S2分别为双曲面和凸扁球面，光学系统的中心视场主光线与像面法线的夹角为零。共用主镜1、共用主镜2、可见光通道三镜6采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。

直角棱镜3的斜面3S1面形为平面，其法线位于光学系统子午面内，与主光轴夹角为顺时针60°；棱镜材料采用NBK7、微晶或熔石英。

直角棱镜3固定在共用主镜1基板背部。红外通道中继透镜组4及直角棱镜3的两反射面光轴与红外通道探测器光轴重合，且与系统光轴一致。

红外通道中继透镜组4共包含4个光学元件，共由一片双凸正透镜、一片弯月正透镜、两片弯月负透镜组成，透镜材料均为无色光学玻璃，其中第一透镜第一面、第三透镜第二面、第四透镜第一面的面型为二次椭球面、二次双曲面和二次扁球面，其余均为球面；

共用主镜1、共用次镜2、高分辨率可见光通道三镜6、直角棱镜3的反射面镀铝或银材料的金属高反射率反射膜；红外通道中继透镜组4所有透镜与空气接触的表面镀增透膜，用于增加折反式宽谱段多光谱成像光学系统的能量效率。

可见光通道探测器7为象元尺寸7μm的线阵TDICCD探测器，红外通道探测器5为象元尺寸0.04mm的小面阵CCD探测器。

本实用新型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 (2)

1.一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统，采用双通道一体化结构型式，其特征在于：包括共用主镜(1)、共用次镜(2)、直角棱镜(3)、红外通道中继透镜组(4)、红外通道探测器(5)、可见光通道三镜(6)和可见光通道探测器(7)；在直角棱镜(3)的斜面(3S1)和直角面(3S2)上镀有反射膜，其中斜面(3S1)为平面、直角面(3S2)为凸非球面，直角面(3S2)与可见光通道出瞳位置重合；红外通道中继透镜组(4)和可见光通道三镜(6)的光轴与主光轴重合，直角棱镜(3)的直角反射面(3S2)光轴在子午面内，与主光轴一致；

共用主镜(1)和共用次镜(2)同轴，并且作为光学系统的主光轴；共用主镜(1)上设有通光孔，入射光线沿主光轴入射至共用主镜(1)上；可见光通道和红外通道各自视场不同，可见光通道使用轴外视场，红外通道使用轴上视场；来自可见光通道视场内的光线经过共用主镜(1)及共用次镜(2)反射之后透过主镜(1)通光孔依次到达可见光通道三镜(6)和直角棱镜(3)的直角反射面(3S2)上，经反射面(3S2)反射后到达可见光通道探测器(7)处成像；红外通道视场内光束经过共用主镜(1)及共用次镜(2)反射之后透过主镜(1)通光孔，经直角棱镜(3)的斜面(3S1)反射后透过红外通道中继透镜组(4)，最终在红外通道探测器(5)处成像。

2.根据权利要求1所述的一种采用直角反射棱镜的双通道成像光学系统，其特征在于：所述光学系统入瞳位于共用主镜上，共用主镜(1)、共用次镜(2)的面形均为非球面反射镜。