专利名称：一种折反混合多光谱成像系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多光谱成像系统，尤其涉及一种折反混合多光谱成像系统。
背景技术：
多光谱成像系统利用物体的光谱特性，通过接收目标物不同谱段的图像，达到识别物体、了解物体性质的目的，在空间遥感等领域有广泛的应用，如用于地物分类、植被、沙化、病虫害、水污染、海洋生态、火灾、矿产分析监测等。多光谱成像系统需要在多个光谱段对同一目标同时成像，其光学结构可以分为以下几种类型一种是单镜头单探测器滤色片轮式，滤色片轮可装多个不同波段的滤色片，其光谱响应可由用户选择，通过滤色片轮的转动获取若干谱段的图像，总的成像谱段范围受到探测器的光谱响应范围的限制，各谱段的成像获取因滤色片轮的转动存在时间差。与此类似的是在CCD前面加滤光片阵列。第二种是多镜头加滤色片式，即多个镜头对同一目标成像，每个镜头接收一个谱段。如申请号为200810052147. X的中国实用新型专利申请所公开的多光谱成像系统，用图像耦合器将4个镜头所成的像耦合到同一像面，光谱的选择通过前端的带通滤波器实现。 该系统适合于总的光谱范围不大、可以用一种图像传感器接收的情况。当光谱范围比较宽时，各个谱段必须采用不同的探测器，如申请号为200410066548. 2的中国实用新型专利申请所公开的多光谱成像系统，采用多镜头成像并结合分光，成像谱段从可见光到长波红外， 其中扫描反射镜为两个镜头共用，第1个镜头的工作波长为3μπι 5μπι和8μπι 12μπι， 第2个镜头的工作波长为0. 45 μ m 2. 5 μ m，并通过分色片分为两个谱段，再在各谱段中设置带通滤色片实现多谱段成像。由于各镜头存在视差，需要对图像进行视场配准。第三种是单镜头多CCD分光式，如美国Dunear^ech公司推出的MS4100系统，由于不同谱段采用的透光材料不同，因此校正像差所采用的光学结构也有差异。在空间遥感领域常用第四种类型，即共用镜头的前端，在其后多次分光并加像差校正成像系统实现多光谱成像，以实现共视场共孔径。用于多光谱成像的空间遥感望远镜前端有折射系统和反射系统，需要满足长焦距高分辨要求的系统前端通常是反射式，包括卡塞格林型前端和离轴三反型。使用卡塞格林型前端的空间遥感望远镜具有长焦距下结构紧凑的特点，是长焦距、高分辨空间相机中的主流。1995年5月美国发射了第3代GOES系列卫星G0ES-J，其上的成像仪包括可见光以及中心波长为3.9 μ、6. 75 μ、10. 7 μ和12 μ的红外波段共5个通道，其前端是卡塞格林系统，光学系统由Kathleen A. Hursen和Robert W. Ross 的题为"The GOESImager :overview and evolutionary development" (Proc. of SPIE, 1996, 2812 :160-173)的文章公开。其中的分光镜为倾斜放置的平板，需要在其上镀反射中、长波红外，透射可见光的膜层，由于光线在该分光镜上并非垂直入射，入射角大会影响可见光的透射率和红外光的反射率。同时，由于轴外光通过倾斜平板的非对称性，像差难以校正，只能有很小的视场。我国的FY-IC气象卫星上的10波段可见-红外扫描辐射计也采用了这类结构，其瞬时视场只有0.072度(龚惠兴等，FY-IC气象卫星上的10波段可见-红外扫描辐射计，红外与毫米波学报，2000，19 (5) =321-326) 0使用分光棱镜代替斜平板分光可以避免这一问题，但会增加系统的载荷。因此有些设计使主次镜构成望远镜系统， 即次镜出射平行光，使斜平板不产生非对称像差影响，但这种做法会使主镜的中心开孔较大，使视场外的杂光未经主、次镜反射直接由开孔漏进后面的成像镜组，使像面出现杂光噪声，需要采用附加的载荷减少或消除杂光。
发明内容本实用新型提供了一种折反混合多光谱成像系统，实现了对同一目标共视场共孔径同光轴成像，成像质量显著提高，图像易于配准。一种折反混合多光谱成像系统，包括主镜，用于对入射光束进行反射，其反射面为凹面，所述的主镜上还设有中心开孔；次镜，用于对由所述的主镜反射出来的光束进行反射和折射，其入射面为凸面； 其中，对由所述的主镜反射出来的光束中的可见至短波红外波段进行反射，得到反射光束， 其反射光束经所述主镜的中心开孔出射；对所述的主镜反射的光束中的中波红外和长波红外进行折射，得到折射光束；楔形二色分光镜，用于对由所述的次镜出射的反射光束中的短波红外波段进行透射，对由所述的次镜出射的反射光束中的可见至近红外波段进行反射；第一成像镜组和第一探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的次镜出射的折射光束入射到第一成像镜组后，再出射到第一探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的次镜出射的折射光束为中波红外波段、长波红外波段或中长波红外双波段，所述的第一探测器为中波红外探测器、长波红外探测器或中长波红外双色探测器；第二成像镜组和第二探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的楔形二色分光镜出射的反射光束入射到第二成像镜组后，再出射到第二探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的楔形二色分光镜出射的反射光束为可见至近红外波段，所述的第二探测器为可见至近红外波段分色器件与探测单元的组合；第三成像镜组和第三探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的楔形二色分光镜出射的透射光束入射到第三成像镜组后，再出射到第三探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的楔形二色分光镜出射的透射光束为短波红外波段，所述的第三探测器为短波红外器件与探测单元的组合。其中，各波段的波长范围为可见至近红外波段范围为0. 45μπι 0. 9μπι，中波红外波段范围为3μπι 5μπι，长波红外波段范围为8μπι 12μπι，短波红外波段1. 2 μ m 2. 5 μ m。优选的技术方案中，所述的次镜中，靠近所述的主镜的表面(入射面)为凸面，远离所述的主镜的表面为凹面，且所述的次镜的凹面的曲率半径小于所述的次镜的凸面的曲
率半径。[0022]优选的技术方案中，所述的次镜采用用于透射中波红外和长波红外的材料，并在其靠近主镜的表面上镀有用于反射可见至短波红外光且透射中长波红外光的膜层。优选的技术方案中，所述的楔形二色分光镜采用用于透射短波红外的材料，并在其靠近所述的主镜的中心开孔的表面镀有用于反射可见至近红外光且透射短波红外的膜层。优选的技术方案中，所述的第一探测器为制冷型探测器，所述的第一成像镜组由中继镜组和二次成像镜组组成，使得由所述的次镜出射的折射光束先成一次像，再经二次成像镜组在制冷型探测器上成像，在次镜与一次像之间加中继镜组，主镜作为系统的孔径光阑，通过中继镜组和二次成像镜组在探测器的冷屏上成像，以实现100%冷光阑效率。所述的第一探测器也可以采用非制冷型探测器，这时所述的第一成像镜组不必分为中继镜组和二次成像镜组，只要一组镜片用于扩展视场和成像。优选的技术方案中，在所述的第二成像镜组和第二探测器之间可根据需要安放滤色转轮。优选的技术方案中，在所述的第三成像镜组和第三探测器之间可根据需要安放滤色转轮，也可采用分光棱镜进一步分为两个谱段，各谱段视需要可再加滤色转轮。本实用新型的折反混合多光谱成像系统，为具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，其前端包括反射面为凹面的主镜、对中波红外和长波红外起透射作用但对可见至短波红外波段起反射作用的次镜；主镜是整个系统的孔径光阑。主镜是整个系统各光路的公共入瞳，系统对空间同一目标成像时具有相同的入瞳直径。其中，中波红外和长波红外波段的光路是来自目标的入射光束经主镜反射、次镜折射后再经第一成像镜组成像于第一探测器上。当第一探测器采用制冷型探测器时，第一成像镜组由中继镜组和二次成像镜组构成，次镜的折射光先成一次像，再经二次成像镜组在制冷型探测器上成像，在次镜与一次像之间加中继镜组，主镜作为系统的孔径光阑，通过中继镜组和二次成像镜组成像于第一探测器的冷屏，实现100%冷光阑效率。可见至近红外波段的光路是来自目标的入射光束经主镜反射、次镜反射，由主镜的中心开孔射出，经放置在其光路上的楔形二色分光镜反射，再经第二成像镜组成像于第二探测器上。短波红外波段的光路是来自目标的入射光束经主镜反射、次镜反射，由主镜的中心开孔射出，经放置在其光路上的楔形二色分光镜透射，再经第三成像镜组成像于第三探测器上。本实用新型中，所述的第一成像镜组的作用是扩展卡塞格林系统视场，改善轴外视场成像质量；所述的第二成像镜组的作用是扩展卡塞格林系统视场，改善系统轴外视场的成像质量；所述的第三成像镜组的作用是扩展卡塞格林系统视场，改善系统轴外视场的成像质量；而当第一探测器采用制冷的红外探测器，还可以将孔径光阑设在主镜上的光孔成像在制冷红外探测器的冷屏上，在不增加主镜口径的情况下，实现100%的冷光阑效率。主镜是整个系统各光路的公共入瞳，系统对空间同一目标成像时具有相同的入瞳直径。由于在各波段光路中均设置了成像镜组，来扩展系统视场，因此各波段光路可以具有不同的焦距和探测器大小，从而可以具有不同大小的视场角。设可见至近红外波段、短波红外波段和中波长波红外波段的视场角最大的为2Wmax，中等的为^Vmid，最小的为2Wmin，即2Wmax> 2ffmid > 2Wmin，则2Wmid视场范围所成的像包含2Wmin视场范围，并且2Wmin视场在2Wmid视场对应的光路中所成的像位于2Wmid视场像的中部；同理2Wmax视场范围所成的像包括2Wmid和 2Wmin视场范围，并且2Wmid和2Wmin视场在2Wmax视场对应的光路中所成的像位于2Wmax视场像的中部。本实用新型中，所述的可见至近红外波段与短波红外波段的分光采用楔形二色分光镜实现，可见至近红外波段的光在楔形二色分光镜的第一面反射，短波红外波段在楔形二色分光镜的第一面透射，并由楔形二色分光镜的第二面出射。所述的楔形二色分光镜的第一面靠近所述的主镜，所述的楔形二色分光镜的第二面背离所述的主镜。可见至近红外波段的光轴与短波红外波段的光轴在楔形二色分光镜的第一面相交，楔形二色分光镜的第一面和第二面在这两条光轴(指可见至近红外波段的光轴与短波红外波段的光轴)构成的平面内形成楔角Θ。设短波红外波段的总焦距为f'，楔形二色分光镜应位于短波红外波段像方主面与用于短波红外成像的第三成像镜组之间，短波红外波段像方主面到楔形二色分光镜第一面的距离为af ‘，楔形二色分光镜的中心厚度为d，楔形二色分光镜材料的折射率为n，这些参数之间应满足下式0 < af ‘ < f'
权利要求1.一种折反混合多光谱成像系统，其特征在于，包括主镜，用于对入射光束进行反射，其反射面为凹面，所述的主镜上还设有中心开孔；次镜，用于对由所述的主镜反射出来的光束进行反射和折射，其入射面为凸面；其中， 对由所述的主镜反射出来的光束中的可见至短波红外波段进行反射，得到反射光束，其反射光束经所述主镜的中心开孔出射；对所述的主镜反射的光束中的中波红外和长波红外进行折射，得到折射光束；楔形二色分光镜，用于对由所述的次镜出射的反射光束中的短波红外波段进行透射， 对由所述的次镜出射的反射光束中的可见至近红外波段进行反射；第一成像镜组和第一探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的次镜出射的折射光束入射到第一成像镜组后，再出射到第一探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的次镜出射的折射光束为中波红外波段、长波红外波段或中长波红外双波段，所述的第一探测器为中波红外探测器、长波红外探测器或中长波红外双色探测器；第二成像镜组和第二探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的楔形二色分光镜出射的反射光束入射到第二成像镜组后，再出射到第二探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的楔形二色分光镜出射的反射光束为可见至近红外波段，所述的第二探测器为可见至近红外波段分色器件与探测单元的组合；第三成像镜组和第三探测器，用于扩展视场和成像，使得由所述的楔形二色分光镜出射的透射光束入射到第三成像镜组后，再出射到第三探测器的感光面上完成成像；其中，由所述的楔形二色分光镜出射的透射光束为短波红外波段，所述的第三探测器为短波红外器件与探测单元的组合。
2.如权利要求1所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的可见至近红外波段范围为0. 45 μ m 0. 9 μ m，所述的中波红外波段范围为3 μ m 5 μ m，所述的长波红外波段范围为8μπι 12μπι，所述的短波红外波段1. 2μπι 2. 5μπι。
3.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的次镜中，靠近所述的主镜的表面为凸面，远离所述的主镜的表面为凹面，且所述的次镜的凹面的曲率半径小于所述的次镜的凸面的曲率半径。
4.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的次镜采用用于透射中波红外和长波红外的材料，并在其靠近主镜的表面上镀有用于反射可见至短波红外光且透射中长波红外光的膜层。
5.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的楔形二色分光镜采用用于透射短波红外的材料，并在其靠近所述的主镜的中心开孔的表面镀有用于反射可见至近红外光且透射短波红外的膜层。
6.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的楔形二色分光镜中，
7.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，所述的第一探测器为制冷型探测器，所述的第一成像镜组由中继镜组和二次成像镜组组成。
8.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，在所述的第二成像镜组和第二探测器之间安放有滤色转轮。
9.如权利要求1或2所述的折反混合多光谱成像系统，其特征在于，在所述的第三成像镜组和第三探测器之间安放有滤色转轮。
专利摘要本实用新型公开了一种折反混合多光谱成像系统，包括具有中心开孔且反射面为凹面的主镜、入射面为凸面的折反射两用型次镜、楔形二色分光镜、中波或长波红外或中长波红外双波段成像镜组、中波或长波红外或中长波红外双色探测器单元、可见至近红外波段成像镜组、可见至近红外波段分色器件与探测单元、短波红外波段成像镜组、短波红外波段波段分色器件与探测单元。本系统实现了对同一目标共视场共孔径成像，提高了光能利用率，节省了分光镜和系统空间，可防止由主镜开孔直接漏进成像镜组的杂光，校正非对称像差，更有利于实现大孔径和较大的视场，成像质量显著提高。同光轴共视场成像使图像易于配准。
文档编号G02B1/00GK201964957SQ20112002649
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者刘志敏, 岑兆丰, 李晓彤, 练敏隆 申请人:北京空间机电研究所, 浙江大学