基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统

摘要

本发明属于光学遥感成像技术领域，涉及一种基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统。目的是解决在汇聚光路中进行分视场步进指向产生的离焦问题。主光学系统采用独特的球面焦面形式，在会聚光路中设置平面指向镜，指向镜到主光学焦面的距离与球面焦面的曲率半径保持一致，避免会聚光路中由于指向镜运动所产生的离焦问题；通过指向镜的二维步进指向，将全视场中的不同子视场逐个引入到后续成像光路中，并由分光组件分成不同通道，各成像通道的校正透镜组完成焦距控制及场曲等像差校正，以匹配各通道探测器件规模和实现探测器件所需的平像场。本发明突破大面阵凝视成像应用中面阵探测器规模有限的技术瓶颈，利用小型面阵探测器实现对全视场的扫描覆盖。

权利要求

1.基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，通过指向镜步进扫描，将全视场划分成多个有重叠率的子视场，各成像通道对子视场逐个成像后，采用图像拼接的方式得到全视场图像；其特征在于：主光学系统焦面为球面，指向镜为在汇聚光路中设置的平面反射镜；主光学系统采用同轴三反设计，通过球面反射镜与非球面反射镜的组合，实现球面形式的主光学焦面；指向镜为二维运动平面指向镜，通过步进扫描将全视场划分成M×N个有一定重叠率的子视场。

2.根据权利要求1所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其特征在于：指向镜到主光学焦面的距离与球面焦面的曲率半径一致。

3.根据权利要求1所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其特征在于：通过分光组件将系统分成多个成像通道，各成像通道利用校正透镜组对焦距进行控制，并校正像差，得到探测器所需的平像场。

说明书

基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统

技术领域

[0001] 本发明属于光学遥感成像技术领域，涉及一种基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统。

背景技术

[0002] 光学遥感成像领域对大幅宽凝视成像及多谱段复合成像的能力要求越来越高，现有面阵焦平面探测器的规模远无法满足实际应用的需求，逐渐成为制约光学遥感成像发展的瓶颈。为解决面阵探测器规模太小的问题，国内外常用的技术手段有：面阵探测器拼接技术和子视场步进凝视成像技术。

[0003] (1)面阵探测器拼接技术

[0004] 面阵探测器拼接技术有多种手段，包含直接在焦面进行拼接、光学拼接等。焦面直接拼接方式主要应用于天文界，由于此种拼接方式很难避免探测器间的缝隙，因而不适用于空间光学遥感器；光学拼接方式可实现无缝拼接，但会造成焦面体积较大。对于多成像通道光学系统，由于后继光学系统本身就较为庞大和复杂，不适宜采用光学拼接方式；同时，由于大尺寸、航天级的面阵探测器非常昂贵，这种拼接方式也会大大提高光学遥感器的成本。

[0005] (2)子视场步进凝视成像技术

[0006] 子视场步进凝视成像技术是在光学系统视场足够的情况下，将成像系统的全视场划分为若干子视场，通过子视场指向镜的指向运动，面阵探测器对各个子视场逐一步进凝视成像。由于探测器是对分割成的子视场成像，因此器件规模与全视场凝视成像相比大大减小，器件加工制造难度不大。从子视场步进凝视成像技术的应用来看，由于在汇聚光路中使用指向镜步进成像将造成光学系统离焦，无法有效成像，现有子视场步进成像光学系统多采用“前置望远系统+聚焦光学系统”的型式，在采用同轴三反为主光学的设计中，指向镜在前置望远系统出射的平行光路中进行步进指向，以避免在会聚光路中由于步进指向造成的光学系统离焦问题。但在大口径反射式主光学系统中要利用前置望远系统实现压缩平行光路，势必带来大的系统遮拦从而大大影响成像质量。

发明内容

[0007] 本发明为克服现有技术不足，提供一种基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，解决在汇聚光路中进行子视场步进指向离焦的技术问题，避免在反射式主光学系统中为实现压缩平行光路而带来的系统遮拦等问题，为小规模面阵探测器实现大视场、多通道凝视成像提供了一条技术途径。

[0008] 本发明是这样实现的：基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，通过指向镜步进扫描，将全视场划分成多个有重叠率的子视场，各成像通道对子视场逐个成像后，采用图像拼接的方式得到全视场图像；其中，主光学系统焦面为球面，指向镜为在汇聚光路中设置的平面反射镜。

[0009] 如上所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其中，主光学系统采用同轴三反设计，通过球面反射镜与非球面反射镜的组合，实现球面形式的主光学焦面。

[0010] 如上所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其中，指向镜到主光学焦面的距离与球面焦面的曲率半径一致。

[0011] 如上所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其中，指向镜为二维运动平面指向镜，通过步进扫描将全视场划分成M×N个有一定重叠率的子视场。

[0012] 如上所述的基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，其中，通过分光组件将系统分成多个成像通道，各成像通道利用校正透镜组对焦距进行控制，并校正像差，得到探测器所需的平像场。

[0013] 本发明的积极效果：

[0014] (1)本发明的光学成像系统采用子视场步进凝视成像模式，可利用小型面阵焦平面探测器实现大型焦平面阵列功能，从而突破面阵探测器在大面阵成像应用中的技术瓶颈。

[0015] (2)本发明的子视指向镜置于汇聚光路中，解决了反射式主光学系统中压缩平行光路带来的遮拦较大、MTF较低等问题。

[0016] (3)本发明的光学系统通过主光学系统独特的球面焦面形式，解决了指向镜在汇聚光路系统中由于步进指向产生的离焦问题。

[0017] (4)本发明的光学系统通过校正透镜组对主光学的场曲进行校正，解决了探测器需求平像场的问题。

[0018] (5)本发明的光学系统利用子视场指向反射镜对各子视场逐一成像，不必移动笨重的物镜或者物方扫描镜，使得整个成像系统轻小型化。

[0019] (6)本发明的光学系统通过分光组件及校正透镜组的应用，实现了不同谱段的复合成像，为光学遥感成像的多通道集成提供了有益的技术途径。

[0020] (7)本发明的光学系统可根据需求调整子视场划分规模和分光通道的集成数目，有效解决多通道大画幅成像中的器件规模需求大和系统复杂集成困难等问题。系统解决方案可扩展性强，经济可行，适用于利用小型面阵焦面器件实现大区域覆盖的多谱段光学成像系统。

附图说明

[0021] 图1是子视场步进凝视成像系统构成示意图；

[0022] 图2是同轴三反主光学系统光路示意图；

[0023] 图3是4×4子视场划分步进成像示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0025] 如图1所示，本发明所提出的一种基于球面焦面的子视场步进凝视成像光学系统，包括前置的同轴三反主光学系统，中间的二维指向反射镜系统，分光组件，后面的子视场成像通道校正透镜组及相应的面阵探测器等组件组合而成。

[0026] 整个光学系统的工作原理是：目标光线进入同轴三反主光学系统，经过四次反射到达二维指向反射镜系统；通过指向镜的步进运动，将各个子视场的光线逐个引入至折转镜，并由其反射到分光组件；光线经分光后进入各自成像支路，并由校正透镜组进行焦距控制及像差校正，最后在各自面阵探测器阵列上成像。

[0027] 主光学系统采用同轴三反设计，M1、M2、M3分别为主反射镜、次反射镜和三反射镜，通过三个反射镜不同球面和非球面面型，及不同间距的组合，可实现球面形式的主光学系统焦面；在同轴三反的构型中，采用光学系统设计技术领域公知的技术手段即能够确定出具体复合要求的系统参数。

[0028] M4、M6均为平面折转镜；M5为二维平面指向镜，设置在主光学系统会聚光路中，以M×N的步进规模完成对全视场的扫描覆盖，且指向镜到主光学焦面的距离与球面焦面的曲率半径一致；光路经分光组件M7后进入不同成像通道，各通道均有相应的校正透镜组完成焦距控制及场曲等像差的校正，使其匹配探测器规模特征及器件所需的平像场。

[0029] 主光学系统的入瞳设置在主镜上，指向镜直接设置在出瞳附近的会聚光路中，由于采用独特的球面焦面设计，并且球面半径与指向镜到焦面的距离相等，从而解决了指向镜在会聚光路系统中由于步进指向产生的离焦问题，同时还进一步减小指向镜有效口径，并且避免了大口径光学系统在平行光路中进行扫描成像的这一传统设计所带来的遮拦较大、MTF较低等问题，有效提升像质。主光学系统构型及球面焦面示意图如图2所示。

[0030] 所述光学系统利用各成像通道的校正透镜组完成各通道的焦距控制，并对主光学系统球面焦面产生的场曲进行校正，工程可实现性高，代价小。

[0031] 如图3所示，该光学系统采用较大的光学视场、较小规模的探测器件、将对应目标区域的全光学成像视场划分为若干子视场，通过子视场指向镜的指向运动，面阵探测器对各个子视场逐一步进凝视成像。当所述光学系统的指向镜通过步进扫描将全视场划分成M×N个有一定重叠率的子视场进行成像时，系统所需面阵探测器件规模可缩减为单个面阵器件一次覆盖全视场时所需规模的1/(M×N)左右。这种成像方式一方面较好地解决了通常需要大规模探测器才能实现的大幅宽成像问题；另一方面实现了依据不同探测任务要求对成像区域大小和成像谱段进行灵活配置的需求，极大地提高系统应用效益。

[0032] 更具体的，若面阵凝视光学系统所需设计口径为1m，采用双谱段成像，成像通道1和成像通道2的焦距分别为10m、8m，全视场为0.77°×0.77°。设计主光学系统焦距为10m，主反射镜M1为椭球面，曲率半径为1947mm，次反射镜M2为凸双曲面，曲率半径为
753mm，三反射镜M3为椭球面，曲率半径为2019mm，主次镜间距700mm，次三镜间距2369mm，主光学系统焦面曲率半径为1712mm，三镜到球面焦面顶点的间距为3845mm，平面指向镜M5中心放置在球面焦面顶点前1712mm处，与其曲率半径相同。因此当指向镜进行二维指向以将不同子视场引入到成像光路中时，不会产生离焦情况。各通道校正透镜组分别对焦距进行相应的压缩控制，并校正像差。

[0033] 若两通道采用的成像器件的像元尺寸分别为9μm×9μm、15μm×15μm，为实现0.77°×0.77°的视场覆盖，若使用单个面阵器件覆盖全视场，则所需器件规模大小至少应分别达到15K×15K、7.2K×7.2K(K指一千个像元)。采用本方案提出的子视场步进凝视成像方式，将全视场划分成4×4共16个0.2°×0.2°的子视场，且各子视场间单边叠加
0.01°以用于图像拼接，通过二维指向镜将子视场光线逐个反射到折转镜上，并进入相应通道进行成像，如图3所示。由于成像通道1及成像通道2完成子视场覆盖所需器件规模仅为3.9K×3.9K、1.9K×1.9K，因此成像通道1和通道2仅需采用4K×4K和2K×2K的探测器件，通过4×4子视场步进凝视成像方式，即可实现上述全视场覆盖能力。考虑指向镜的步进及稳定(以2s/步计)、子视场凝视成像(以1s/子帧计)等过程所需时间，完成单幅全视场图像所需时间约为46s。

[0034] 类似地，若要实现超大规模的视场覆盖，比如视场需求达到1.15°×1.15°，可将全视场划分为6×6共36个子视场，采用与上述一致的子视场大小、重叠率及探测器件，即可满足全视场覆盖需求。而要采用单个器件对全视场的覆盖，两成像通道对器件的规模需求分别为22.4K×22.4K、10.8K×10.8K。

[0035] 此方案可有效缩减器件规模需求，各通道经校正透镜组校正后可获得较好的成像效果，整个系统能以较小的代价实现多成像通道集成的大画幅凝视成像能力，具有较好的工程可实现性。

[0036] 以上所述系统只是本发明实施的具体情况，本领域技术人员在面临不同应用需求时，可以根据本发明的实现思想，进行相应更改设计，如增减子视场划分数目及通道个数，以实现更广泛的应用。