本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种基于球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统。主要用于星载大范围中等分辨率气象观测，也可用于城市安全监控、国土普查、防灾减灾等领域。
背景技术
卫星海洋遥感对观测与研究全球海洋环境和海洋资源具有重要作用，其特点是快速、连续、大范围和能同时观测多个参数。全球已发射了多颗探测海洋的气象卫星，主遥感器包含可见光多光谱扫描辐射计，特点是灵敏度和信噪比高，扫描视场宽，成像畸变小。当前的卫星载荷均采用固定焦距相机加扫描机构或者固定焦距多相机阵列的方案实现大视场成像，导致星下点与边缘视场的分辨率差距过大，影响气象探测的结果。实现全视场等地元分辨率，降低星下点与边缘视场的分辨率差距对于气象探测具有重要意义。
orbview-2卫星上搭载的宽视场海洋遥感器seawifs，采用摆扫方式扫描±58.3°，实现了2800km的超大幅宽，星下点分辨率为1.13km。eosterra卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪modis，采用摆扫方式扫描±55°，实现2330km的扫描幅宽，星下点分辨率在不同的谱段分别为250m，500m和1000m。极轨运行环境卫星系统npoess搭载的可见光红外成像辐射仪viirs，采用摆扫方式扫描±55.8°，实现了3000km的超大幅宽，星下点分辨率为390m。envisat-1卫星上搭载的meris，采用5个固定焦距相机组成的相机阵列实现对68.5°视场内推扫成像，实现1150km幅宽成像，星下点分辨率为250m。sentinel-3卫星上搭载的olci，采用5个固定焦距相机组成的相机阵列实现对68.4°视场内推扫成像，实现1150km幅宽成像，星下点分辨率为300m。我国第一代极轨气象卫星系列fy-1搭载了多通道可见光和红外扫描辐射度计(mvisr)，其扫描角度为±55.4°，星下点分辨率达1.1km，边缘视场分辨率约为4km，成像幅宽约为2800km。在第二代极轨气象卫星系列fy-3上搭载了中分辨率光谱成像仪(mersi)，其扫描角度为±55.4°，星下点分辨率达0.1km，边缘视场分辨率约为2.4km，成像幅宽约为2800km。海洋一号(hy-1)卫星搭载的十波段水色扫描仪采用摆扫方式扫描±35.2°，星下点分辨率为1100m。可以看出，当前气象卫星的载荷采用推扫与摆扫的技术方案都是基于固定焦距像距结合扫描机制实现大视场、低畸变成像。由于采用固定焦距相机，大视场造成星下点与边缘视场的对地成像张角和成像距离差距很大，导致星下点与边缘视场的分辨率差距过大。以eosterra卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪modis为例，星下点分辨率为500m时，边缘视场的分辨率约为2700m。
美国杜克大学d.j.brady等人为解决大视场、低畸变、高分辨率成像提出了基于同心球透镜的多尺度光学系统设计方案。该方案将全视场分割为多个子视场，每一个子视场有独立的补偿镜补偿局部像差，保证单个子视场内成像质量良好且畸变很小，多个子系统拼接实现全视场内高成像质量低畸变。国内多家单位也申请了相关专利：2012年北京空间机电研究所申请的专利号为103064171a的专利《一种新型高分辨率大视场光学成像系统》，2013年苏州大学申请的专利号为203838419u的专利《用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统》，2014年苏州大学申请的专利号为204188263u的专利《一种大视场凝视式光谱成像系统》，2014年西安电子科技大学申请的专利号为104079808a的专利《超高分辨率宽场成像系统》以及西安光学精密机械研究所2016年申请的专利号为zl201610265166.5的专利《基于球面反射镜大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统》。以上专利虽然在内容上有不同，但是共同点都是基于同心球透镜的同心多尺度设计。受红外材料的低透射率的影响，透射式的同心多尺度系统方案很难应用于红外波段。
技术实现要素：
越来越多的应用环境下需求红外波段成像，针对红外波段需求大视场、低畸变、高成像质量光学系统的需求，本发明提出了基于球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统。该光学系统具有成像质量高、成像视场大、全视场恒定地元分辨率、可工作于红外波段等特点。
本发明的技术解决方案是提供一种基于球面反射镜的离轴折反式中长波红外系统，其特殊之处在于：沿光线传播方向依次包括一个球面反射镜及多个带有光阑的成像补偿透镜组；
整个系统为离轴系统，入射光轴、同球面反射镜及多个带有光阑的成像补偿透镜组均不共轴；
多个带有光阑的成像补偿透镜组呈扇形分布在球面反射镜的出光处，且与入射至同球面反射镜的入射光在不同平面上，每个带有光阑的成像补偿透镜组构成一个单独的成像通道；从球面反射镜反射的光线垂直入射至带有光阑的成像补偿透镜组；
上述带有光阑的成像补偿透镜组包括多个短焦补偿镜、多个中焦补偿镜和多个长焦补偿镜，上述多个成像补偿透镜组对于不同的视场采用不同焦距的补偿镜组校正像差，以保证恒定地元高分辨率。
上述同球面反射镜与各个成像补偿透镜组之间为离轴关系，窄视场方向为同轴视场，球面反射镜相对于零视场存在一定的偏心，导致球面反射镜的实际使用部分仅为偏离对称中心的离轴部分；由于每一通道的窄视场方向选取的一致，所以说每一通道利用的反射镜部分中心点相同，通过延展球面反射镜就可以将所有的系统拼接在一起，实现近半球视场成像。
优选地，多个带有光阑的成像补偿透镜组呈扇形均布在球面反射镜的出光处。
优选地，短焦补偿镜包括沿光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、冷光阑窗口、第二正透镜、第二负透镜、第三负透镜；上述第一负透镜的光学特性为：-2f’2<f’21<-f’2,-3f’2<r21<-2f’2,-5f’2<r22<-4f’2；上述第一正透镜的光学特性为：2f’2<f’22<3f’2,-f’2<r23<0,-f’2<r24<0；上述第二正透镜的光学特性为：2f’2<f’23<3f’2,0<r25<f’2,f’2<r26<2f’2；上述第二负透镜的光学特性为：-7f’2<f’24<-6f’2,2f’2<r27<3f’2,f’2<r28<2f’2；上述第三负透镜的光学特性为：-f’2<f’25<-0.5f’2,-3f’2<r29<-2f’2,-r210<-6f’2；其中，f’2为短焦补偿镜的焦距，f’2>0，f’21、f’22、f’23、f’24、f’25依次为组成短焦补偿镜的5片透镜的焦距；r21、r22、r23、r24、r25、r26、r27、r28、r29、r210依次分别为组成短焦补偿镜的5片透镜所对应的10个曲率半径。
优选地，中焦补偿镜包括沿光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、冷光阑窗口、第二正透镜、第二负透镜、第三负透镜；其中第一负透镜的光学特性为：-2f’3<f’31<-f’3，-2f’3<r31<-f’3，-3f’3<r32<-2f’3；第一正透镜的光学特性为：f’3<f’32<2f’3，-f’3<r33<0，-f’3<r34<0；第二正透镜的光学特性为：f’3<f’33<2f’3，0<r35<f’3，f’3<r36<2f’3；第二负透镜的光学特性为：-7f’3<f’34<-6f’3，8f’3<r37<9f’3，4f’3<r38<5f’3；第三负透镜的光学特性为：-2f’3<f’35<-f’3，-3f’3<r39<-2f’3，r310<-10f’3；其中，f’3为中焦补偿镜的焦距，f’3>0；f’31、f’32、f’33、f’34、f’35依次为组成中焦补偿镜的5片透镜的焦距；r31、r32、r33、r34、r35、r36、r37、r38、r39、r310依次为组成中焦补偿镜的5片透镜所对应的10个曲率半径。
优选地，长焦补偿镜包括沿光路依次设置的第一负透镜、第一正透镜、冷光阑窗口、第二正透镜、第二负透镜、第三负透镜；其中第一负透镜的光学特性为：-2f’4<f’41<-f’4，-2f’4<r41<-f’4，-4f’4<r42<-3f’4；第一正透镜的光学特性为：2f’4<f’42<3f’4，-f’4<r43<0，-f’4<r44<0；第二正透镜的光学特性为：f’4<f’43<2f’4，0<r45<f’4，f’4<r46<2f’4；第二负透镜的光学特性为：-5f’4<f’44<-4f’4，2f’4<r47<3f’4，1f’4<r48<2f’4；第三负透镜的光学特性为：-2f’4<f’45<-f’4，-3f’4<r49<-2f’4，r410<-7f’4；其中，f’4为长焦补偿镜的焦距，f’4>0；f’41、f’42、f’43、f’44、f’45依次为组成长焦补偿镜的5片透镜的焦距；r41、r42、r43、r44、r45、r46、r47、r48、r49、r410依次为组成长焦补偿镜5片透镜所对应的10个曲率半径。
系统选用推扫的成像模式，每一个通道的视场均选择为窄条带视场，优选地，不同成像通道的宽视场通过相互重叠5％来覆盖整个成像视场，所有的窄视场为偏离中心视场一定角度的窄带视场。整个系统带有光阑的成像补偿透镜组仅在垂直于推扫方向上排列。
优选地，短焦补偿镜、中焦补偿镜和长焦补偿镜具有相同的相对孔径，保证各视场成像质量的一致性。
优选地，球面反射镜和带有光阑的成像补偿透镜组之间的距离为光学系统焦距一倍以上，以保证排布足够多的成像补偿透镜组且各个补偿透镜组之间不会相互干涉。
优选地，冷光阑窗口包括光阑及设置在光阑处的玻璃平板，通过将部分补偿透镜制冷的方式实现冷光阑。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用球面反射镜加上各个补偿透镜组实现在整个视场上接近衍射极限的成像质量，把光阑设置在补偿透镜组内部，充分利用球面反射镜全视场旋转对称的光学特性；光学系统的有效视场理论上可以接近360°，结合推扫的成像模式可以获得极大的成像幅宽；在接近360°的全视场范围内，所有视场的畸变小于5％；
2、本发明球面反射镜与补偿透镜组之间间隔很开，能够有效的分开各个通道的成像光束，有利于杂散光抑制；同时避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测；
3、本发明成像谱段覆盖8-12μm，覆盖了常用的长波红外波段；
4、为了实现不同视场内的恒定地元分辨率，对于不同的视场采用三种的补偿镜组校正像差，在同一个球透镜的基础上实现短焦、中焦和长焦来保证恒定地元高分辨率；同时短、中焦和长焦系统具有相同的相对孔径f#，从而进一步保证了各个视场成像质量的一致性；
5、结合推扫的成像模式，整个系统的成像补偿透镜组仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；同时可以对整个球面反射镜进行切割(切割之后留下的为环形反射镜)仅保留所需要的部分，可以加大的减少相机的体积和质量；
6、短焦、中焦和长焦系统设计时光学总长足够长，可以保证在像面上排布足够多的相机且各个相机之间不会相互干涉；球面反射镜与补偿透镜组之间距离足够长，这一点对于后期的杂光抑制是有好处的；同时组成补偿镜组的镜片排布很紧密，对于系统安装装调都非常有利；
7、考虑到长波红外系统经常采用制冷模式，通常的方案中一般采用冷光阑的方式解决；但是采用冷光阑方案限制了系统的成像视场，在本发明中将全视场分段，每一个通道的视场有限，并且在系统光阑处设置玻璃平板，通过将部分补偿透镜制冷的方式实现冷光阑。
附图说明
图1为本发明光学系统的入射光拼接示意图；
图2为本发明光学系统的成像补偿透镜组拼接示意图；
图3a、图3b和图3c分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦对应的结构示意图；
图4a、图4b为本发明光学系统在短焦对应的mtf曲线；
图4c、图4d为本发明光学系统在中焦对应的mtf曲线；
图4e、图4f为本发明光学系统在长焦对应的mtf曲线；
图5a、图5b和图5c分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦的弥散斑图；
图6a、图6b和图6c分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦的场曲和畸变曲线；
图7a为本发明光学系统三维结构示意图；
图7b为图7a的侧视图。
图中附图标记为：1-球面反射镜；2-短焦补偿镜，3-中焦补偿镜，4-长焦补偿镜；21-短焦补偿镜组的第一负透镜，22-短焦补偿镜组的第一正透镜，23-短焦补偿镜组的窗口玻璃，24-短焦补偿镜组的第二正透镜，25-短焦补偿镜组的第二负透镜，26-短焦补偿镜组的第三负透镜；31-中焦补偿镜组的第一负透镜，32-中焦补偿镜组的第一正透镜，33-中焦补偿镜组的窗口玻璃，34-中焦补偿镜组的第二正透镜，35-中焦补偿镜组的第二负透镜，36-中焦补偿镜组的第三负透镜；41-长焦补偿镜组的第一负透镜，42-长焦补偿镜组的第一正透镜，43-长焦补偿镜组的窗口玻璃，44-长焦补偿镜组的第二正透镜，45-长焦补偿镜组的第二负透镜，46-长焦补偿镜组的第三负透镜；
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1、图2、图7a及图7b所示，为本发明光学系统的结构示意图，在光学路径上放置球面反射镜1。为了对每个补偿镜组对应的成像通道单独抑制杂光，且充分利用球面反射镜1全视场旋转对称的光学特性，按照光学设计结果在球面反射镜1前方对应位置依次放置各个成像补偿镜组；每个成像通道的成像光束被有效分开，避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测。结合推扫的成像模式，整个系统的成像补偿透镜组仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；同时可以对整个球透镜进行切割仅保留所需要的部分，可以大大的减少相机的体积和质量。
成像补偿透镜组系统包括短焦补偿镜2、中焦补偿镜3和长焦补偿镜4；如图3a、图3b及图3c所示分别单独给出了本发明光学系统在短焦、中焦及长焦对应的结构示意图。
其中，短焦补偿镜由6片透镜组成，沿光路依次为：短焦补偿镜组的第一负透镜21，短焦补偿镜组的第一正透镜22，短焦补偿镜组的窗口玻璃23，短焦补偿镜组的第二正透镜24，短焦补偿镜组的第二负透镜25，短焦补偿镜组的第三负透镜26；上述第一负透镜的光学特性为：-2f’2<f’21<-f’2,-3f’2<r21<-2f’2,-5f’2<r22<-4f’2；上述第一正透镜的光学特性为：2f’2<f’22<3f’2,-f’2<r23<0,-f’2<r24<0；上述第二正透镜的光学特性为：2f’2<f’23<3f’2,0<r25<f’2,f’2<r26<2f’2；上述第二负透镜的光学特性为：-7f’2<f’24<-6f’2,2f’2<r27<3f’2,f’2<r28<2f’2；上述第三负透镜的光学特性为：-f’2<f’25<-0.5f’2,-3f’2<r29<-2f’2,-r210<-6f’2；其中，f’2为短焦系统的焦距，f’2>0，f’21、f’22、f’23、f’24、f’25依次为组成短焦补偿镜的5片透镜的焦距；r21、r22、r23、r24、r25、r26、r27、r28、r29、r210依次为5片透镜所对应的10个曲率半径。
中焦补偿镜由6片透镜组成，沿光路依次为中焦补偿镜组的第一负透镜31，中焦补偿镜组的第一正透镜32，中焦补偿镜组的窗口玻璃33，中焦补偿镜组的第二正透镜34，中焦补偿镜组的第二负透镜35，中焦补偿镜组的第三负透镜36；其中第一负透镜的光学特性为：-2f’3<f’31<-f’3，-2f’3<r31<-f’3，-3f’3<r32<-2f’3；第一正透镜的光学特性为：f’3<f’32<2f’3，-f’3<r33<0，-f’3<r34<0；第二正透镜的光学特性为：f’3<f’33<2f’3，0<r35<f’3，f’3<r36<2f’3；第二负透镜的光学特性为：-7f’3<f’34<-6f’3，8f’3<r37<9f’3，4f’3<r38<5f’3；第三负透镜的光学特性为：-2f’3<f’35<-f’3，-3f’3<r39<-2f’3，r310<-10f’3；其中，f’3为中焦系统的焦距，f’3>0；f’31、f’32、f’33、f’34、f’35依次为组成中焦补偿镜的5片透镜的焦距；r31、r32、r33、r34、r35、r36、r37、r38、r39、r310依次为5片透镜所对应的10个曲率半径。
上述长焦补偿镜由6片透镜组成，沿光路依次为：长焦补偿镜组的第一负透镜41，长焦补偿镜组的第一正透镜42，长焦补偿镜组的窗口玻璃43，长焦补偿镜组的第二正透镜44，长焦补偿镜组的第二负透镜45，长焦补偿镜组的第三负透镜46；其中第一负透镜的光学特性为：-2f’4<f’41<-f’4，-2f’4<r41<-f’4，-4f’4<r42<-3f’4；第一正透镜的光学特性为：2f’4<f’42<3f’4，-f’4<r43<0，-f’4<r44<0；第二正透镜的光学特性为：f’4<f’43<2f’4，0<r45<f’4，f’4<r46<2f’4；第二负透镜的光学特性为：-5f’4<f’44<-4f’4，2f’4<r47<3f’4，1f’4<r48<2f’4；第三负透镜的光学特性为：-2f’4<f’45<-f’4，-3f’4<r49<-2f’4，r410<-7f’4；其中，f’4为长焦补偿镜的焦距，f’4>0；f’41、f’42、f’43、f’44、f’45依次为组成长焦补偿镜的5片透镜的焦距；r41、r42、r43、r44、r45、r46、r47、r48、r49、r410依次为5片透镜所对应的10个曲率半径。
本实施例所提供的光学系统的系统焦距短焦、中焦和长焦依次为59.04mm、65.51mm和90mm；不同焦距对应的全视场依次为22.12°、20°和16°，与之对应的探测器像元尺寸分别为75μm、50μm、25μm，通过拼接实现110°的全视场；短焦、中焦和长焦的系统f#均为2，全视场无渐晕。如图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f、图5a、图5b、图5c、图6a、图6b和图6c所示，在8μm-12μm波段范围内全视场范围内mtf均接近衍射极限，相对畸变小于5％，相对于中心波长(10μm)的弥散斑能量质心偏差5μm以内。若将该相机应用于800km的近地轨道卫星上，可以在110°视场范围内获得恒定地元分辨率优于1200m的接近衍射极限的成像质量。
光学系统采用推扫的模式，所以成像相机只需要分布在垂直于推扫的方向上，对于多余的球面反射镜部分均可以切割掉，这样可以极大的减小光学系统的复杂性，同时也利于实现相机的轻小型化。
通过对该实施例进行等比例缩放，在同等f#和视场情况下，可以实现轨道飞行高度小于800km情况下，在接近180°视场内实现接近衍射极限的成像质量，并且可以在110°视场范围内具有恒定地元分辨率。