大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，屬于遙感光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與像質(zhì)分析【技術(shù)領(lǐng)域】。所述光學(xué)系統(tǒng)包括以下部分：掃描鏡（1）、主鏡（2）、次鏡（3）、第一平面反射鏡（4）、三鏡（5）、第二平面反射鏡（6）和像面（7），地面輻射的可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)掃描鏡（1）收集并反射到主鏡（2）表面、主鏡（2）將光線(xiàn)會(huì)聚到次鏡（3）表面，次鏡（3）將光線(xiàn)稍作發(fā)散后投射到第一平面反射鏡（4）表面，第一平面反射鏡（4）將光路旋轉(zhuǎn)90o后投射到三鏡（3）表面，三鏡（3）將光線(xiàn)會(huì)聚到第二反射鏡（6）表面，第二反射鏡（6）將光學(xué)反射到像面（7），供CCD器件接收。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)能夠在地球靜止軌道上實(shí)現(xiàn)大范圍的高分辨率成像功能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與像質(zhì)分析【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了實(shí)現(xiàn)高分辨率，在地球靜止軌道上工作的遙感系統(tǒng)通常裝備大口徑光學(xué)系統(tǒng)。地球靜止軌道上的遙感光學(xué)系統(tǒng)與地面觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)靜止，所以光學(xué)系統(tǒng)的觀察范圍也固定不動(dòng)。而且2m 口徑的光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)很小，所以觀察范圍也很小。
[0003]掃描成像技術(shù)可使地球靜止軌道上的高分辨率遙感光系統(tǒng)獲得更大的觀測(cè)范圍。掃描鏡擺動(dòng)時(shí)可使地光學(xué)系統(tǒng)獲得更大的觀測(cè)范圍。但由于掃描鏡的體積大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也很大，只能保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)才能穩(wěn)定工作，但在掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)像點(diǎn)一直在移動(dòng)，所以，在CCD曝光時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)像點(diǎn)混疊。因此，掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)將變差。如何確定合理的掃描速度是確保大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)獲得良好成像質(zhì)量的核心問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種大口徑長(zhǎng)焦機(jī)連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在地球靜止軌道上實(shí)現(xiàn)大范圍的高分辨率成像功能。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，包括以下部分:掃描鏡、主鏡、次鏡、第一平面反射鏡、三鏡、第二平面反射鏡和像面，地面輻射的可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)與光軸夾角為45°的掃描鏡收集并反射到主鏡表面、主鏡將光線(xiàn)會(huì)聚到次鏡表面，次鏡將光線(xiàn)稍作發(fā)散后投射到第一平面反射鏡表面，第一平面反射鏡與光軸夾角為45°，可將光路旋轉(zhuǎn)90°后投射到三鏡表面，三鏡將光線(xiàn)會(huì)聚到與光軸夾角為10°的第二反射鏡表面，第二反射鏡將光學(xué)反射到像面，供CCD器件接收。
[0006]掃描鏡以與光軸夾角45°的靜態(tài)位置為基準(zhǔn)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面連續(xù)掃描成像。掃描鏡的最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不超過(guò)±10°，即掃描鏡的與光軸的夾角變化范圍為35°飛5°之間。
[0007]光學(xué)系統(tǒng)的口徑為2m，焦距為20m，靜態(tài)視場(chǎng)為L(zhǎng) 4°Χ0.1°，工作波段為可見(jiàn)光或紅外波段，可實(shí)現(xiàn)880kmX63km的地面觀測(cè)范圍。
[0008]掃描鏡為長(zhǎng)2.85m、寬2m的長(zhǎng)方形平面反射鏡。掃描鏡的轉(zhuǎn)軸垂直于紙面并穿過(guò)中心O點(diǎn)。掃描鏡繞轉(zhuǎn)軸一維勻速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掃描。采用動(dòng)態(tài)光學(xué)傳遞函數(shù)分析方法可以得出，在曝光時(shí)間范圍0.5^1.5ms，掃描鏡的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于7 X 10_6°，才能保證MTF值下降小于 20%ο
[0009]主鏡為口徑為2m的圓形輪廓凹非球面反射鏡，中心有半徑為0.1m的圓孔。主鏡的曲率半徑為5634.92mm,圓錐系數(shù)為-0.9732，頂點(diǎn)與掃描鏡中心相距2305mm。[0010]次鏡為口徑為0.46m的圓形輪廓凸非球面反射鏡。次鏡的曲率半徑為1331.82mm,圓錐系數(shù)為-1.8967，其頂點(diǎn)與主鏡頂點(diǎn)相距3110.71mm。
[0011]第一平面反射鏡的輪廓為長(zhǎng)600mm、寬180mm的矩形，其中心與次鏡頂點(diǎn)相距3110.71mm，其作用是折轉(zhuǎn)光路，縮短光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。
[0012]三鏡為長(zhǎng)0.Sm、寬0.44m的方形輪廓凹非球面反射鏡。三鏡的曲率半徑為3048.23mm,圓錐系數(shù)為-3.1563，其頂點(diǎn)與第一平面反射鏡中心相距1278.18mm。
[0013]第二平面反射鏡的輪廓為長(zhǎng)310mm、寬180mm的矩形，其中心與三鏡頂點(diǎn)相距1400.20mm，其作用是折轉(zhuǎn)光路，縮短光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。
[0014]沿轉(zhuǎn)軸方向上，視場(chǎng)為1.7° ;在擺動(dòng)方向上，視場(chǎng)為0.1°。
[0015]像面區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)0.5m、寬0.1m的矩形。CXD器件選擇線(xiàn)陣CXD拼接。本發(fā)明采用工作波段為可見(jiàn)光波段，像元尺寸為10 μ m的線(xiàn)陣CCD—維拼接成0.5m的探測(cè)長(zhǎng)度。利用掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，可獲得較大的觀測(cè)范圍。
[0016]本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)光學(xué)傳遞函數(shù)分析方法研究了連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)成像性能，給出了連續(xù)掃描鏡的掃描鏡的合理旋轉(zhuǎn)角速度以及掃描鏡的驅(qū)動(dòng)方式。本發(fā)明涉及的光學(xué)系統(tǒng)的口徑為2m，焦距為20m，當(dāng)采用像元尺寸為10 μ m的CXD時(shí)，可在地球靜止軌道上實(shí)現(xiàn)16.2m的地面觀測(cè)分辨率。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)原理圖。
[0018]圖2為曝光時(shí)間為0.5ms時(shí)，掃描鏡在不同旋轉(zhuǎn)角速度下的MTF曲線(xiàn)。
[0019]圖3為曝光時(shí)間為Ims時(shí)，掃描鏡在不同旋轉(zhuǎn)角速度下的MTF曲線(xiàn)。
[0020]圖4為曝光時(shí)間為1.5ms時(shí)，掃描鏡在不同旋轉(zhuǎn)角速度下的MTF曲線(xiàn)。
[0021]圖5為掃描鏡驅(qū)動(dòng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明提供的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，包括以下部分:掃描鏡1、主鏡2、次鏡3、第一平面反射鏡4、三鏡5、第二平面反射鏡6和像面7。地面輻射的可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)與光軸夾角為45°的掃描鏡I收集并反射到主鏡2表面、主鏡2將光線(xiàn)會(huì)聚到次鏡3表面，次鏡3將光線(xiàn)稍作發(fā)散后投射到第一平面反射鏡4表面，第一平面反射鏡4與光軸夾角為45°，可將光路旋轉(zhuǎn)90°后投射到三鏡5表面，三鏡5將光線(xiàn)會(huì)聚到與光軸夾角為10°的第二反射鏡表面6，第二反射鏡6將光學(xué)反射到像面7，供CXD器件接收。
[0024]掃描鏡以與光軸夾角45°的靜態(tài)位置為基準(zhǔn)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面連續(xù)掃描成像。掃描鏡的最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不超過(guò)±10°，即掃描鏡的與光軸的夾角變化范圍為35°飛5°之間。
[0025]光學(xué)系統(tǒng)的口徑為2m，焦距為20m，屬于大口徑、長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)，主鏡2的口徑為2m，需要保證足夠的加工精度。主鏡2面形的檢測(cè)可采用補(bǔ)償法，用動(dòng)態(tài)干涉儀檢測(cè)。[0026]如圖1所示，光路必須嚴(yán)格按照原理圖的結(jié)構(gòu)與位置參數(shù)搭建。由于光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度為3.7m，必須設(shè)置足夠穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。
[0027]如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度大，焦距長(zhǎng)，系統(tǒng)焦距的檢測(cè)可采用放大率法。但檢測(cè)環(huán)境必須保持恒溫，且隔離振動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求很苛刻。
[0028]如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)的口徑大，光學(xué)系統(tǒng)靜態(tài)MTF的檢測(cè)也是難點(diǎn)?？刹捎?m口徑的平行光管進(jìn)行檢測(cè)。若沒(méi)有2m 口徑的平行光管，可采用口徑為0.5?Im之間的小口徑平行光管測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)口徑的各個(gè)局部區(qū)域，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出MTF的結(jié)果。
[0029]本發(fā)明中，光學(xué)系統(tǒng)的工作波段可以為可見(jiàn)光或紅外波段。當(dāng)工作波段確定后，就要根據(jù)波段選擇相應(yīng)的光電探測(cè)器，通常選擇CCD。CCD可以選擇線(xiàn)陣的，也可以選擇面陣的，但面陣CCD的成本較高。選擇好CCD后，將CCD按照品字結(jié)構(gòu)拼成能夠覆蓋0.5m長(zhǎng)度的探測(cè)器組合。
[0030]光學(xué)系統(tǒng)工作與地球靜止軌道，在不同的時(shí)刻，地面輻照度是不同的。在觀測(cè)北緯23°的地面區(qū)域時(shí)，可以計(jì)算出8:00、12:00、16:00三個(gè)時(shí)刻的地面輻照度，從而計(jì)算出積分時(shí)間為0.5?1.5msο
[0031]如圖2-4所示，采用動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)分析方法得出的積分時(shí)間為0.5ms、lms、l.5ms時(shí)，掃描鏡在不同旋轉(zhuǎn)角速度下的MTF曲線(xiàn)。掃描鏡的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于7 X 10_6°，才能保證MTF值下降小于20%。而7 X 10_6°的角速度過(guò)小，無(wú)法采用電動(dòng)機(jī)軸承實(shí)現(xiàn)。
[0032]如圖5所示，掃描鏡I的端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為0.1728 μ m/ms,在Ims內(nèi)的位移量?jī)H為
0.1728 μ m?？刹捎迷趻呙桤RI的兩個(gè)端點(diǎn)安裝壓電陶瓷電動(dòng)機(jī)，兩電動(dòng)機(jī)按照相反的方向推到掃描鏡，使掃描鏡I在Ims內(nèi)移動(dòng)0.1728 μ m。
【權(quán)利要求】
1.大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)系統(tǒng)包括以下部分:掃描鏡(I)、主鏡(2)、次鏡(3)、第一平面反射鏡(4)、三鏡(5)、第二平面反射鏡(6)和像面(7)，地面輻射的可見(jiàn)光經(jīng)過(guò)掃描鏡(I)收集并反射到主鏡(2)表面、主鏡(2)將光線(xiàn)會(huì)聚到次鏡(3)表面，次鏡(3)將光線(xiàn)投射到第一平面反射鏡(4)表面，第一平面反射鏡(4)將光路旋轉(zhuǎn)90°后投射到三鏡(5)表面，三鏡(5)將光線(xiàn)會(huì)聚到第二反射鏡表面(6)，第二反射鏡(6)將光線(xiàn)反射到像面(7)，供CXD器件接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述掃描鏡(I)以與光軸夾角45°的靜態(tài)位置為基準(zhǔn)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面連續(xù)掃描成像，掃描鏡(O與光軸的夾角變化范圍為35飛5°之間；第一平面反射鏡(4)與光軸夾角為45° ;第二反射鏡表面(6)與光軸夾角為10°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述掃描鏡(I)為長(zhǎng)2.85m、寬2m的長(zhǎng)方形平面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于在曝光時(shí)間范圍0.5-1.5ms，掃描鏡(I)的旋轉(zhuǎn)角度小于7X10_6°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述主鏡(2)為口徑為2m的圓形輪廓凹非球面反射鏡，中心有半徑為0.1m的圓孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述次鏡(3)為口徑為0.46m的圓形輪廓凸非球面反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第一平面反射鏡(4)的輪廓為長(zhǎng)600mm、寬180mm的矩形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述三鏡(5)為長(zhǎng)0.8m、寬0.44m的方形輪廓凹非球面反射鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述第二平面反射鏡(6)的輪廓為長(zhǎng)310_、寬180mm的矩形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑長(zhǎng)焦距連續(xù)掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述像面(7)區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)0.5m、寬0.1m的矩形。
【文檔編號(hào)】G02B26/10GK103760668SQ201410059422
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】任智斌, 馬馳, 金傳廣, 劉月 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)