专利名称：一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种多光谱成像系统，尤其涉及一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统。
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的中国发明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的中国发明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3 μ m 5 μ m和8 μ m 12 μ m，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
本发明提供了一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，主镜作为各波段的公共入瞳，利用次镜实现一次分光，提高了光能利用率，节省了分光镜和系统空间，有利于实现大孔径和较大的视场，成像质量显著提高；而且，同光轴共视场成像使图像易于配准。一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，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；其中，对由所述的主镜反射出来的光束中的可见至近红外波段进行反射，得到反射光束，其反射光束经所述主镜的中心开孔出射；对由所述的主镜反射出来的光束中的中波红外和长波红外进行折射， 得到折射光束；所述的次镜与所述的主镜同轴；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反射光束经所述的主镜中心开孔入射到所述的第一成像镜组后，再出射到所述的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反射光束为可见至近红外波段，所述的第一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，使得由所述的次镜出射的折射光束入射到所述的第二成像镜组后，再出射到所述的第二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， 所述的第二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。其中，各波段的波长范围为可见至近红外波段0. 45μπι Ι.Ομ ，中波红外波段3μπι 5μπι，长波红外波段8 μ m 12 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。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近红外光且透射中长波红外光的膜层。优选的技术方案中，所述的第二探测器为制冷型探测器，所述的第二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制冷型探测器的冷屏上成像，以实现100%冷光阑效率。所述的第二探测器也可以采用非制冷型探测器，这时所述的第二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。本发明的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，前端包括主镜和折反射两用型次镜，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、次镜折射后再经第二成像镜组在第二探测器上成像。当第二探测器采用制冷型探测器时，第二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在制冷型探测器的冷屏上成像，实现100%冷光阑效率。其中，可见至近红外波段的光路是来自目标的入射光束依次经主镜反射和次镜反射，再由主镜的中心开孔射出，并经第一成像镜组在第一探测器上成像，在第一成像镜组与第一探测器之间可根据需要再安放滤色转轮。本发明中，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；而当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。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和中波长波红外波段的视场角最大的为^ax，最小的为2Wmin，则2Wmax视场范围所成的像包括 2Wmin视场范围，并且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。为了减小系统体积，可以在系统中设置若干个平面反射镜进行光路转折，这样不影响本系统各光学单元排布的基本思路，也不影响系统的同轴性。需要说明的是第二成像镜组无论是否采用制冷型探测器，第二成像镜组全部应位于主镜的入射光路之外，不能位于主镜的入射光路中，以避免遮挡主镜的入射光。如果采用制冷型探测器，主镜作为入瞳应经第二成像镜组在第二探测器的冷屏处上成像。本发明的多光谱成像系统，具有卡塞格林型前端，可以实现对同一目标共视场共孔径成像，主镜作为各谱段的公共入瞳，利用与主镜同轴的次镜实现一次分光，不仅提高了光能利用率，而且由于主镜的反射光束在次镜上入射角小，使得在次镜靠近主镜的入射面上镀用于透射中长波红外和反射波长较短的可见与近红外光的膜层相对容易，和利用倾斜放置的分光镜分光相比，可显著提高透射光的透射率和反射光的反射率。本发明的多光谱成像系统，用于空间遥感多光谱成像更有利于实现大孔径和较大的视场，成像质量显著提高。共视场成像使图像易于配准，理论上同一目标各谱段的图像是同光轴的。
图1是本发明的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图1所示，一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，包括具有中心开孔且反射面为凹面的主镜2、入射面为凸面的折反射两用型次镜1、第一平面反射镜5、可见至近红外波段成像镜组3、可见至近红外波段分色器件与探测单元4、第二平面反射镜13、第三平面反射镜10、中继镜组11、中波红外二次成像镜组8和制冷型中波红外探测器7 ο其中，主镜2对入射光束进行反射；次镜1对由主镜2反射出来的光束进行反射和折射；其中，对由主镜2反射出来的光束中的可见至近红外波段进行反射，得到反射光束， 该反射光束经主镜2的中心开孔出射；对由主镜2反射出来的光束中的中波红外和长波红外进行折射，得到折射光束；可见至近红外波段成像镜组3和可见至近红外波段分色器件与探测单元4为第一成像镜组和第一探测器，用于扩展视场和成像，使得由次镜1出射的可见至近红外波段反射光束经主镜2中心开孔入射到可见至近红外波段成像镜组3后，再出射到可见至近红外波段分色器件与探测单元4的感光面上完成成像；可见至近红外波段0. 45 μ m 1. 0 μ m ；中继镜组11和中波红外二次成像镜组8组成中波红外成像镜组12，中波红外成像镜组12和制冷型中波红外探测器7为第二成像镜组和第二探测器，用于扩展视场和成像， 使得由次镜1出射的折射光束中的中波红外波段入射到中波红外成像镜组12后，再出射到制冷型中波红外探测器7的感光面上完成成像。中波红外波段3 μ m 5 μ m。系统中，第一平面反射镜5、第二平面反射镜13和第三平面反射镜10是为减小系统体积而转折光路所设，不影响本系统各光学单元排布的基本思路，也不影响系统的同轴性。空间同一目标发出的入射光束先经主镜2反射，然后入射于折反射两用型次镜1， 分为两路可见至近红外波段的光在次镜1处反射后，经主镜2中心开孔入射到经可见至近红外波段成像镜组3，再到达可见至近红外波段分色与探测单元4 ；中波红外光在次镜1折射，再经中波红外成像镜组12到达制冷型中波红外探测器7 远处的物先经主镜2、次镜1 和中继镜组11在一次像面9处成一次像，再经二次成像镜组8成像于制冷型中波红外探测器7的感光面，同时主镜2作为系统的入瞳，经中波红外成像镜组12成像于制冷型中波红外探测器7的冷屏6处，实现100%冷光阑效率。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和中波长波红外波段的视场角最大的为2Wmax，最小的为2Wmin，则 2Wmax视场范围所成的像包括2Wmin视场范围，并且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。上述实施例中，制冷型中波红外探测器7可以用制冷型长波红外探测器或制冷型中长波红外双色探测器替代，相应地，中波红外成像镜组12为长波红外成像镜组或中长波红外成像镜组，用于长波红外或中长波红外双波段成像。长波红外波段8μπι 12μπι。
权利要求
1.一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，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；其中，对由所述的主镜反射出来的光束中的可见至近红外波段进行反射，得到反射光束，其反射光束经所述主镜的中心开孔出射；对由所述的主镜反射出来的光束中的中波红外和长波红外进行折射，得到折射光束；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反射光束经所述的主镜中心开孔入射到所述的第一成像镜组后，再出射到所述的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反射光束为可见至近红外波段，所述的第一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，使得由所述的次镜出射的折射光束入射到所述的第二成像镜组后，再出射到所述的第二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，所述的第二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。
2.如权利要求1所述的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，其特征在于，所述的可见至近红外波段范围为0. 45μπι Ι.Ομπι，所述的中波红外波段范围为 3μπ 5μ ，所述的长波红外波段范围为8μπ 12μπ 。
3.如权利要求1或2所述的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，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所述的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，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，并在其靠近所述的主镜的表面上镀有用于反射可见至近红外光且透射中长波红外光的膜层。
5.如权利要求1或2所述的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，其特征在于，所述的第二探测器为制冷型探测器，所述的第二成像镜组由中继镜组和二次成像镜组组成。
6.如权利要求1或2所述的具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，其特征在于，在所述的第一成像镜组与所述的第一探测器之间安放有滤色转轮。
全文摘要
本发明公开了一种具有卡塞格林型前端的共视场共孔径多光谱成像系统，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、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。本系统中，主镜作为各波段的公共入瞳，利用次镜实现一次分光，提高了光能利用率，节省了分光镜和系统空间，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G01J3/28GK102175318SQ201110025070
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, 白剑, 练敏隆 申请人:浙江大学