專利名稱：空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于空間光學遙感器技術領域，涉及ー種應用于空間大視場、超寬譜段、多通道成像的可見光/紅外光學成像系統。
背景技術：
隨著遙感技術的發展，多光譜成像遙感數據在資源評價、環境監測、災害預警與災后評估、城市規劃、目標分類識別等方面得到了廣泛應用，具有極大的社會效益與經濟效益。光學遙感器需要同時獲取可見光、近紅外、中波和長波信息，可以通過多臺相機分別對各譜段成像，也可以通過單臺相機通過多通道實現。典型的多光譜衛星主要有美國的Iandsat系列、中分辨率成像光譜儀M0DIS、多光譜紅外成像儀MTI和印度的IRS系列民用遙感器，國內的多光譜衛星主要有CM0DIS、資源系列、環境系列、海洋系列和風云系列衛星。美國的Iandset系列衛星光學系統和印度IRS系列衛星光學系統譜段覆蓋為可見/近紅外和短波紅外譜段，無法獲取中長波和長波譜段光譜信息。MODIS光學系統由穿越軌跡掃描的掃描鏡和折反射系統實現，譜段范圍覆蓋可見光到長波紅外譜段，但掃描鏡部件整機穩定性及可靠性降低、無法實現高的光譜分辨率;MTI光學系統采用離軸三反結構型式，采用濾光片配合高集成度焦平面技術實現多光譜成像，但該光學系統難以實現大視場成像，受限于焦面集成化技術水平，工程化困難。國內的多光譜衛星多采用紅外成像儀與可見光相機相結合的方式實現多光譜成像，采用多臺相機實現寬譜段信息的獲取將會使得空間相機的體積和重量都很龐大，而且増加了衛星的發射成本，降低了整星的可靠度。目前國內只有CMODIS衛星光學系統采用了単一光學系統實現多光譜成像，但其系統離軸兩反的結構型式決定了無法實現大視場。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種適合空間遙感器進行大視場、超寬譜段、多通道情況下成像的光學系統。本發明的技術解決方案是空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，包括離軸三反壓縮光束無焦望遠系統、第二折轉鏡、見光近紅外及紅外譜段分色片、中波及長波譜段分色片、可見及近紅外中繼透鏡組、可見及近紅外焦面器件、中波紅外中繼透鏡組、中波焦面器件、長波紅外中繼透鏡組、長波焦面器件，所述的離軸三反壓縮光束無焦望遠系統包括主鏡、次鏡、第一折轉鏡和三鏡；成像目標的輻射光束首先入射至主鏡上，而后依次經次鏡、第一折轉鏡和三鏡后入射至第二折轉鏡上，第二折轉鏡將入射光線折轉后反射至可見光近紅外及紅外譜段分色片，其中可見光束和近紅外光束透過可見光近紅外及紅外譜段分色片入射至可見及近紅外中繼透鏡組，可見及近紅外中繼透鏡組的出射光線在可見及近紅外焦面器件處成像；紅外光線經可見光近紅外及紅外譜段分色片再次折轉后入射至中波及長波譜段分色片，紅外長波光線透過中波及長波譜段分色片入射至長波紅外中繼透鏡組，長波紅外中繼透鏡組的出射光線在長波焦面器件處成像；中波紅外光線經中波及長波譜段分色片再次折轉后入射至中波紅外中繼透鏡組，中波紅外中繼透鏡組的出射光線在中波焦面器件處成像。所述的可見及近紅外中繼透鏡組包括按照光線經過順序依次設置的第一膠合負透鏡、第一雙凸正透鏡、第二膠合負透鏡、第二雙凸正透鏡、第一彎月負透鏡。所述的第一膠合負透鏡、第一雙凸正透鏡、第二膠合負透鏡、第二雙凸正透鏡和第一彎月負透鏡均為無色光學玻璃，透鏡面形均為球面。所述的中波紅外中繼透鏡組包括按照光線經過順序依次設置的第一彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第二彎月正透鏡、第二彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第三彎月負透鏡。 所述的第一彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第二彎月正透鏡、第二彎月負透鏡、第三彎月正透鏡和第三彎月負透鏡均為無色紅外光學玻璃，三個彎月負透鏡的面形為非球面，三個彎月正透鏡的面形為球面。所述的長波紅外中繼透鏡組包括按照光線經過順序依次設置的第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第二彎月負透鏡。所述的第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第三彎月正透鏡和第ニ彎月負透鏡均為無色紅外光學玻璃，第二彎月正透鏡、第三彎月正透鏡和第二彎月負透鏡的面形均為非球面，第一彎月正透鏡和第一彎月負透鏡的面形均為球面。所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統的焦距f = MXf3，近紅外中繼透鏡組、中波紅外中繼透鏡組和長波紅外中繼透鏡組的焦距均為f3，M = fl/f2，fl為由主鏡和次鏡構成的無焦望遠系統的前組物鏡焦距，f2為由三鏡構成的無焦望遠系統的后組物鏡的焦距。所述的主鏡和三鏡的面形為凹非球面反射鏡，次鏡的面形為凸球面反射鏡或非球面反射鏡。所述的主鏡、次鏡、三鏡的材料為碳化硅，微晶玻璃，或熔石英。本發明與現有技術相比的優點在于I)本發明主光學系統由于采用了離軸三反壓縮光束無焦望遠的型式，有效的減小了主光學系統光學元件的數量，無色差，無遮攔，體積小，平行光出射后采用平板分色片實現分光，分色片的位置精度不會引入像差，可針對可見/近紅外通道和兩紅外通道分別進行裝調、像質檢測，降低了系統裝調的復雜程度；2)本發明離軸三反光學系統壓縮平行光路的出瞳口徑為光學系統入瞳直徑的1/「倍，從而將后繼光學系統的口徑減小為入瞳直徑的1/r,第一分色片放置在出瞳附近，有效減小了分色片的尺寸和后續光學系統的口徑；3)本發明光學系統采用平行光路加入平板傾斜分色片的型式實現多通道成像，由于平行光路中加入傾斜光學元件并不會引入像差，可通過在平行光路中増加分色片的方法拓展成像通道；4)本發明光學系統具有光機結構緊湊、組成簡單、在超寬譜段范圍內成像質量良好、易于實現等優點，可應用較短線陣探測器陣列來實現較大視場的成像，為機載/星載高分辨率多光譜成像系統提出了一個較好的技術實現途徑，特別適用于持續、穩定地獲取地表信息的高精度探測衛星光學系統。


圖I為本發明光學系統組成結構示意圖；圖2為本發明可見及近紅外中繼透鏡組結構示意圖；圖3為本發明短波中繼透鏡組結構示意圖；圖4為本發明長波中繼透鏡組結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明光學系統由離軸三反壓縮光束無焦望遠系統(由主鏡I、次鏡
2、第一折轉鏡3和三鏡4組成)、第二折轉鏡5、可見光近紅外/紅外譜段分色片6、中波/長波譜段分色片7、可見光及近紅外中繼透鏡組8、可見光及近紅外焦面器件9、中波紅外中繼透鏡組10、中波焦面器件11、長波紅外中繼透鏡組12、長波焦面器件13組成。無焦望遠系統的前組物鏡(主鏡I和次鏡2)焦距為fl，后組物鏡(三鏡4)的焦距為f2，三個中繼透鏡組的焦距均為f3 ;則無焦望遠系統的光束壓縮比為M = fl/f2，整個壓縮光束多通道成像系統的焦距f = MXf3。本發明光學系統的工作譜段為細分為三個通道、3個譜段。可見光及近紅外通道對應的譜段范圍為0. 45um-0. 90 u m,中波通道對應的譜段為
3u m-5 u m ;長波通道對應的譜段范圍為8 u m-12 u m。0. 45 u m-0. 90 ii m譜段構成可見光及近紅外通道,可見光及近紅外通道光闌設置在次鏡2位置。可見光及近紅外光路的光線經離軸三反壓縮光束無焦望遠系統壓縮平行光束，經可見近紅外/紅外譜段分色片6后透過可見光及近紅外中繼透鏡組8至可見光及近紅外焦面器件9成像；其中可見光焦面器件9為面陣或線陣器件。可見近紅外/紅外譜段分色片6位于離軸三反無焦望遠系統的出瞳附近，實現分色片口徑最小化，尺寸約為D/M，D為離軸三反無焦望遠系統的入瞳口徑。3. 50 U m-5. Oum譜段構成中波紅外通道，中波紅外通道光闌設置在其入瞳位置。中波紅外光路的光線經離軸三反無焦望遠系統壓縮平行光束后，經可見光近紅外/紅外譜段分色片6透射至中波/長波譜段分色片7，然后由中波/長波譜段分色片7反射至中波紅外中繼透鏡組10，匯聚至出瞳后的中波光路的光線成像至中短波焦面器件11。8. O U m-12. O U m構成長波紅外通道，長波紅外通道光闌設置在其入瞳位置。長波紅外光路的光線經離軸三反無焦望遠系統壓縮平行光束后經可見光近紅外/紅外譜段分色片6透射至中波/長波譜段分色片7，然后由中波/長波譜段分色片7透射至長波紅外中繼透鏡組12，匯聚至出瞳后的長波紅外光路的光線最后成像至長波焦面器件13。本發明光學系統三個光學通道的焦距不一致，可見/近紅外通道相對孔徑為1/4，中波紅外相對孔徑為1/3. 5，長波紅外相對孔徑為1/3。入瞳位于主鏡I前方，三通道共用ー個入瞳。三個通道視場大小均為4. 5° (垂直分行方向)XO. 5° (沿飛行方向)。離軸三反無焦望遠系統物理同軸，即主鏡I、次鏡2、三鏡4的中心軸重合，以次鏡2的中心為中心軸，各反射鏡均使用局部口徑，離軸三反無焦望遠光學系統的中心視場主光線與像面法線的夾角為零。主鏡I和三鏡4均采用凹反射鏡，次鏡2為凸面鏡，為保證可見光通道的成像質量，増加系統設計自由度，主鏡I、次鏡2和三鏡4均可采用非球面鏡。主鏡I為二次雙曲面，次鏡2為球面或橢非球面,三鏡4為二次橢球面。主鏡I、次鏡2、三鏡4采用的材料為金屬被，或微晶，或碳化硅，或融石英。主鏡I、次鏡2、三鏡4的反射面鍍鋁或銀材料的金屬高反射率反射膜，中波紅外中繼透鏡組10和長波紅外中繼透鏡組12中所有透鏡與空氣接觸的表面鍍增透膜，用于增加成像光學系統的能量效率。可見光近紅外/紅外譜段分色片6為平板，整個分色片傾斜放置，光線入射面傾斜角為沿光軸逆時針旋轉45°，位于離軸三反無焦望遠系統出瞳處，實現可見光近紅外/紅外譜段的分色。中波/長波譜段分色片7為平板，位于離軸三反無焦望遠系統壓縮平行光束中，中波/長波譜段分色片7傾斜放置，光線入射表面法線與光軸夾角為順時針旋轉45°。可見光近紅外/紅外譜段分色片6以及中波/長波譜段分色片7均采用硒化鋅材 料，兩表面均為平面。在光線入射面上鍍可見近紅外/紅外、中波/長波譜段分色膜，實現可見光近紅外/紅外譜段和中波/長波譜段分色。第一分色片(6)及后續所有光學元件與離軸三反無焦望遠系統不同軸，第一分色片(6)中心軸與次鏡4中心軸在垂軸方向的偏移距離為35mm,以保證后續光學系統口徑與偏場使用的視場內光線口徑一致。第一折轉鏡3和第二折轉鏡5的表面面形均為平面，傾斜放置，采用微晶材料，或鋁基碳化硅。光線入射表面法線與光軸夾角為順時針旋轉45°。可見光及近紅外中繼透鏡組8如圖2所示，透鏡組包括五塊透鏡，由膠合負透鏡、雙凸正透鏡、膠合負透鏡、雙凸正透鏡、彎月負透鏡組成，透鏡面形均為球面，透鏡組光軸重
ム
ロ o可見及近紅外焦面器件9為TDICXD線陣或面陣器件。中波紅外中繼透鏡組10由六片透鏡組成，均采用無色紅外光學玻璃，如圖3所示。包括第一彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第二彎月正透鏡、第二彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第三彎月負透鏡。透鏡材料分別為第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡和第二彎月負透鏡為鍺，第一彎月負透鏡和第三彎月正透鏡為硅，第三彎月負透鏡為硫化鋅。其中，三個彎月負透鏡的面形為非球面，非球面類型分別為二次雙曲面，或六次橢球面，或八次橢球面，其余透鏡面形均為球面。六片透鏡光軸重合，共同校正球差、慧差和色差，并將中波通道出瞳引出。長波紅外中繼透鏡組12由五片透鏡組成，均采用無色紅外光學玻璃，如圖4所示。透鏡組包括第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第二彎月負透鏡。透鏡材料分別為第一彎月正透鏡、第二彎月負透鏡為鍺，第一彎月負透鏡和第ニ彎月正透鏡為硒化鋅，第三彎月負透鏡為硫化鋅。其中，第二彎月正透鏡、第三彎月正透鏡和第二彎月負透鏡的面形均為非球面，其余透鏡面形均為球面。五片透鏡光軸重合，共同校正球差、慧差和色差，并將長波通道出瞳引出。中波焦面器件11和長波焦面器件13為矩形面陣探測器或線陣探測器件。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技木。
權利要求
1.空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于包括離軸三反壓縮光束無焦望遠系統、第二折轉鏡(5)、見光近紅外及紅外譜段分色片出)、中波及長波譜段分色片(7)、可見及近紅外中繼透鏡組(8)、可見及近紅外焦面器件(9)、中波紅外中繼透鏡組(10)、中波焦面器件(11)、長波紅外中繼透鏡組(12)、長波焦面器件(13)，所述的離軸三反壓縮光束無焦望遠系統包括主鏡(I)、次鏡(2)、第一折轉鏡(3)和三鏡(4);成像目標的輻射光束首先入射至主鏡(I)上，而后依次經次鏡(2)、第一折轉鏡(3)和三鏡(4)后入射至第二折轉鏡(5)上，第二折轉鏡(5)將入射光線折轉后反射至可見光近紅外及紅外譜段分色片出)，其中可見光束和近紅外光束透過可見光近紅外及紅外譜段分色片(6)入射至可見及近紅外中繼透鏡組(8)，可見及近紅外中繼透鏡組(8)的出射光線在可見及近紅外焦面器件(9)處成像；紅外光線經可見光近紅外及紅外譜段分色片(6)再次折轉后入射至中波及長波譜段分色片(7)，紅外長波光線透過中波及長波譜段分色片(7)入射至長波紅外中繼透鏡組(12)，長波紅外中繼透鏡組(12)的出射光線在長波焦面器件(13)處成像；中波紅外光線經中波及長波譜段分色片(7)再次折轉后入射至中波紅外中繼透鏡組(10)，中波紅外中繼透鏡組(10)的出射光線在中波焦面器件(11)處成像。
2.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的可見及近紅外中繼透鏡組(8)包括按照光線經過順序依次設置的第一膠合負透鏡、第一雙凸正透鏡、第二膠合負透鏡、第二雙凸正透鏡、第一彎月負透鏡。
3.根據權利要求2所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的第一膠合負透鏡、第一雙凸正透鏡、第二膠合負透鏡、第二雙凸正透鏡和第一彎月負透鏡均為無色光學玻璃，透鏡面形均為球面。
4.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的中波紅外中繼透鏡組(10)包括按照光線經過順序依次設置的第一彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第二彎月正透鏡、第二彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第三彎月負透鏡。
5.根據權利要求4所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的第一彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第二彎月正透鏡、第二彎月負透鏡、第三彎月正透鏡和第三彎月負透鏡均為無色紅外光學玻璃，三個彎月負透鏡的面形為非球面，三個彎月正透鏡的面形為球面。
6.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的長波紅外中繼透鏡組(12)包括按照光線經過順序依次設置的第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第三彎月正透鏡、第二彎月負透鏡。
7.根據權利要求6所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的第一彎月正透鏡、第二彎月正透鏡、第一彎月負透鏡、第三彎月正透鏡和第二彎月負透鏡均為無色紅外光學玻璃，第二彎月正透鏡、第三彎月正透鏡和第二彎月負透鏡的面形均為非球面，第一彎月正透鏡和第一彎月負透鏡的面形均為球面。
8.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統的焦距f = MX f3，近紅外中繼透鏡組(8)、中波紅外中繼透鏡組(10)和長波紅外中繼透鏡組的焦距均為f3，M = fl/f2，fl為由主鏡(I)和次鏡(2)構成的無焦望遠系統的前組物鏡焦距，f2為由三鏡(4)構成的無焦望遠系統的后組物鏡的焦距。
9.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的主鏡(I)和三鏡(4)的面形為凹非球面反射鏡，次鏡(2)的面形為凸球面反射鏡或非球面反射鏡。
10.根據權利要求I所述的空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，其特征在于所述的主鏡(I)、次鏡(2)、三鏡(4)的材料為碳化硅，微晶玻璃，或熔石英。
全文摘要
空間大視場壓縮光束多通道成像光學系統，包括離軸三反壓縮光束無焦望遠系統、第二折轉鏡(5)、第一分色片(6)、第二分色片(7)、可見及近紅外中繼透鏡組(8)、可見及近紅外焦面器件(9)、短波中繼透鏡組(10)、短波焦面器件(11)、長波中繼透鏡組(12)、長波焦面器件(13)，所述的無焦離軸三反壓縮光束光學系統包括主鏡(1)、次鏡(2)、第一折轉鏡(3)和三鏡(4)。目標輻射光束經過無焦離軸三反光學系統壓縮光束，出射的平行光束經分色片后進入后面的可見近紅外、中波、長波紅外三個通道，分別經過各通道的中繼透鏡組在各自焦面成像。本發明光學系統具有大視場、大相對孔徑、譜段范圍寬、加工與裝調簡單等優點。
文檔編號G02B27/10GK102809824SQ20121023623
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者湯天瑾, 周峰 申請人:北京空間機電研究所