CN110186562A - 全波段大相对孔径Dyson光谱成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明所述光学***应用在航天、航空大气遥感、对地观测等领域，涉及一种全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***，采用离轴三反望远镜、分色镜、像面分光棱镜、狭缝、新型Dyson光谱仪构成了全波段成像***。利用离轴望远镜接收光能量，分色镜分光、棱镜分视场成像，通过狭缝和新型Dyson光谱结构，可实现对可见近红外、短波红外、中波红外、长波红外全波段光谱成像。该离轴三反望远镜可实现方形视场和大相对孔径成像需求，利用棱镜分视场成像不仅提高了光能利用率而且可以使不同波段的光谱仪同时扫描凝视成像，大大提高了卫星载荷实现预警、侦查、探测识别效率。
Description
技术领域
本发明属于光电设备、光谱成像技术领域，涉及一种全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***。
背景技术
随着光谱技术在现代安防侦查、环境监测与保护、文物保护与鉴定、复杂背景下军事目标侦查与智能识别领域的广泛应用，同时较高的光谱分辨率既保证了一定的光谱精细程度，且在每个谱段上的能量也具有一定的保障，因此全波段光谱仪成为光谱成像技术发展的热点。
在此背景下，能够产生更多的光谱通道和更高的光谱分辨率的全波段大相对孔径新型Dyson光谱仪应运而生。全波段新型Dyson光谱仪在定时、定位测量的同时，还具有定性测量和定量分析的功能，在物质检测、目标识别、过程检控、成份分析等方面具有独特的优势，使测量方式从几何测量向几何属性测量跨越发展。并且光谱成像技术通过光谱信息的判别，可以从光谱维的异常上智能识别出复杂背景下的军事目标，大大提高了光学仪器对目标的探测识别跟踪精度。
目前光谱仪的成像波段范围基本集中在可见近红外范围内(0.4～0.9um)、且主要利用的是离轴三反望远镜***和offner光谱仪组成，当成像视场为方型视场时，普通的离轴三反望远镜***不能满足需求，且offner光谱仪也是采用离轴反射***设计原理，导致***有非常大的离轴像差无法校正，影响光谱仪的光谱分辨率。且传统的光谱仪很难实现多个光谱通道对同一目标的探测或者识别。
发明内容
为了解决在方形大视场时，离轴三反望远镜***不能接收目标光谱、光谱仪光谱分辨率低的问题以及同时解决多个光谱通道对同一目标难以实时色散成像的技术难题，本发明提供了一种全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***，利用自由曲面对离轴望远镜进行视场角的拓展，并提出物面-像面分离的设计思想，对Dyson光谱仪成像***进行改进和优化。该光谱成像***不仅实现了大视场侦查探测、大相对孔径、高分辨率光谱成像的目的，而且可以实现多个谱段对同一目标同时色散成像。
本发明的技术解决方案是提供全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特殊之处在于：包括前置离轴三反望远***、分色镜、第一分视场棱镜、可见近红外Dyson光谱仪、短波红外Dyson光谱仪、第二分视场棱镜、中波红外Dyson光谱仪及长波红外Dyson光谱仪；
所述前置离轴三反望远***包括沿光路依次设置的倾斜偏心入瞳、离轴主反射镜、离轴次反射镜及离轴三反射镜，所述离轴次反射镜为凸面自由曲面反射镜；
物体目标的光谱信息依次经过倾斜偏心入瞳、离轴主反射镜、离轴次反射镜及离轴三反射镜的反射后进入分色镜；所述分色镜将入射的全波段光束分为两路，其中第一路光束包括可见近红外光与短波红外光，第二路光束包括中波红外光和长波红外光；
所述第一路光束入射至第一分视场棱镜，第一分视场棱镜将第一路光束分为可见近红外光与短波红外光，可见近红外光与短波红外光分别进入可见近红外Dyson光谱仪与短波红外Dyson光谱仪成像；
所述第二路光束入射至第二分视场棱镜，第二分视场棱镜将第二路光束分为中波红外光和长波红外光，中波红外光和长波红外光分别进入中波红外Dyson光谱仪与长波红外Dyson光谱仪成像。
进一步地，所述离轴主反射镜与离轴三反射镜均为凹面偶次非球面反射镜。
进一步地，所述离轴主反射镜、离轴次反射镜及离轴三反射镜均由SIC材料制成。
进一步地，所述分色镜表面镀有半透半反膜，能够对可见近红外光与短波红外光透射，对中波红外光和长波红外光进行反射；
或能够对可见近红外光与短波红外光反射，对中波红外光和长波红外光进行透射。
进一步地，所述分色镜由H-K9L制成。
进一步地，所述第一分视场棱镜的两个反射面分别镀有可见近红外全反膜与短波红外全反膜；第一分视场棱镜沿子午面将第一路光束的一次成像面分为可见近红外光与短波红外光两部分；
所述第二分视场棱镜的两个反射面分别镀有中波红外全反膜和长波红外全反膜；第二分视场棱镜沿子午面将第二路光束的一次成像面分为中波红外光和长波红外光两部分。
进一步地，第一分视场棱镜与第二分视场棱镜均由H-K9L制成。
进一步地，所述可见近红外Dyson光谱仪、短波红外Dyson光谱仪、中波红外Dyson光谱仪、长波红外Dyson光谱仪均包括沿光路依次设置的凹面光栅及成像透镜组。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明的全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***具有相对孔径大、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，在保证仪器实现高信噪比的同时，有效的消除了谱线弯曲、色畸变等问题。
2、本发明将望远镜次镜设计为自由曲面，增加***优化的自由度，实现离轴三反***大视场大相对孔径的设计要求。
3、本发明首次提出物面-像面分离的设计思想，对Dyson光谱仪成像***进行改进和优化，解决了传统的Dyson光谱仪由于结构紧凑而带来的空间部件重叠问题。
4、本次发明的新型Dyson光谱仪有效的解决了传统Offren带来的离轴像差很难校正的问题，极大的降低了光谱仪的设计难度和装调难度。
5、本发明装配工艺简单，对各光学元件之间的间距和相对位置无特殊需求，只要满足组装工艺即可。
6、本发明可以实现多个光谱通道对同一目标的探测或者识别；
7、本发明离轴三反望远镜可实现方形视场和大相对孔径成像需求，利用棱镜分视场成像不仅提高了光能利用率而且可以使不同波段的光谱仪同时扫描凝视成像，大大提高了卫星载荷实现预警、侦查、探测识别效率。
附图说明
图1为本发明实施例全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***的结构示意图；
图2为***像差评价图；
图中附图标记为：1-前置离轴三反望远***，11-倾斜偏心入瞳，12-离轴主反射镜，13-离轴次反射镜，14-离轴三反射镜；
2-分色镜；
3-第一分视场棱镜，01为可见近红外镀膜反射面，02为短波红外镀膜反射面；
4-可见近红外Dyson光谱仪，41-可见近红外凹面光栅，42-可见近红外中继成像透镜组，43-可见近红外折叠反射镜；5-短波红外Dyson光谱仪，51-短波红外凹面光栅，52-短波红外中继成像透镜组，53-短波红外折叠反射镜；
6-第二分视场棱镜，03为中波红外镀膜反射面，04为长波红外镀膜反射面；
7-中波红外Dyson光谱仪，71-中波红外凹面光栅，72-中波红外中继成像透镜组，73-中波红外折叠反射镜；8-长波红外Dyson光谱仪，81-长波红外凹面光栅，82-长波红外中继透镜组，83-长波红外折叠反射镜。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明全波段大相对孔径新型Dyson光谱成像***沿包括前置离轴三反望远***1、分色镜2、第一分视场棱镜3、可见近红外新型Dyson光谱仪4、短波红外新型Dyson光谱仪5、第二分视场棱镜6、中波红外新型Dyson光谱仪7及长波红外新型Dyson光谱仪8；
前置离轴三反望远***1主要是接收远距离物体目标的光谱信息，主要包括沿光路依次设置的倾斜偏心入瞳11、离轴主反射镜12、离轴次反射镜13及离轴三反射镜14，离轴主反射镜12为凹面偶次非球面反射镜，离轴次反射镜13为凸面自由曲面反射镜，离轴三反射镜14为凹面偶次非球面反射镜，离轴主反射镜12、离轴次反射镜13及离轴三反射镜14均由SIC材料制成。
本实施例分色镜2由H-K9L制成，将前置离轴三反望远***1接收到的光谱信息进行分束；其表面镀有一层对可见近红外光、短波红外光进行透射，中波和长波红外光进行反射的半透半反膜，对全波段光进行分色处理，使得可见近红外光和短波红外光透过分色镜2，中波红外光和长波红外光在分色镜2表面反射。在其他实施例中也可以是，中波红外光和长波红外光透过分色镜2，可见近红外光和短波红外光在分色镜2表面反射。
本实施例第一分视场棱镜3由H-K9L制成，其表面镀有可见近红外全反膜01与短波红外全反膜02，沿子午面将透过分色镜2的可见近红外光和短波红外光分为两部分，一部分为可见近红外，光线进入可见近红外Dyson光谱仪4进行色散成像，另一部分为短波红外，光线进入短波红外Dyson光谱仪5进行色散成像。
本实施例第二分视场棱镜6由H-K9L制成，其表面(反射面)镀有中波红外全反膜03和长波红外全反膜04，沿子午面将分色镜2反射的中波红外光和长波红外光分为两部分，一部分为中波红外光，光线进入中波红外Dyson光谱仪7进行色散成像，另一部分为长波红外，光线进入长波红外Dyson光谱仪8进行色散成像。
本实施例可见近红外Dyson光谱仪4、短波红外Dyson光谱仪5、中波红外Dyson光谱仪7及长波红外Dyson光谱仪8均由凹面光栅和中继成像透镜组组成，凹面光栅主要是将光谱进行色散，透镜组是将色散的光线进行汇聚成像。可见近红外光和短波红外光分别被第一分视场棱镜3的两个反射表面反射进入狭缝，分别被可见近红外凹面光栅41和短波红外凹面光栅51进行色散，分别通过可见近红外中继成像透镜组42和短波红外中继成像透镜组52进行汇聚成像。中波红外光和长波红外光分别被第二分视场棱镜6的两个反射表面反射进入狭缝，分别被中波红外凹面光栅71和长波红外凹面光栅81进行色散，分别通过中波红外中继成像透镜组72与长波红外中继透镜组82进行汇聚成像。
本发明的原理：
物体目标的光谱信息依次经过倾斜偏心入瞳11、离轴主反射镜12、离轴次反射镜13及离轴三反射镜14的反射后进入分色镜2；分色镜2将入射的全波段光束分为两路，其中第一路光束包括可见近红外光与短波红外光，第二路光束包括中波红外光和长波红外光；第一路光束入射至第一分视场棱镜3，第一分视场棱镜3将第一路光束分为可见近红外光与短波红外光，可见近红外光与短波红外光分别进入可见近红外Dyson光谱仪4与短波红外Dyson光谱仪5成像；第二路光束入射至第二分视场棱镜6，第二分视场棱镜6将第二路光束分为中波红外光和长波红外光，中波红外光和长波红外光分别进入中波红外Dyson光谱仪7与长波红外Dyson光谱仪8成像。
前置离轴三反望远***1为本发明光学***的共口径接收组，该共口径接收组实现了大相对孔径大视场的成像需求，可以保证对全波段光谱理想成像，承担了光学***的离轴像差校正平衡。
可见近红外、短波红外、中波红外、长波红外Dyson光谱仪主要是对通过凹面光栅进行色散，并通过中继透镜组对物面-像面分离所带来的离轴像差进行校正。
分视场棱镜主要是在子午面上对不同的光线进行分光分视场处理。可根据所选取的相机光敏面的大小随机灵活的对视场进行分割。
本发明在前置离轴三反望远***1引入自由曲面，实现了对离轴***视场角度拓展和离轴离轴像差的校正，并且使得***的结构更加紧凑。
以下通过具体实例对上述全波段大相对孔径新型Dyson光谱仪分辨率效果进行说明：
光学***工作的环境温度为-40℃～60℃；
前置离轴三反望远***的相对孔径为1/2.5；
可见近红外Dyson成像光谱范围为(0.4～0.9um)、短波红外的光谱成像范围为(0.9um～2.5um)、中波红外的光谱范围为(2.5～6.5um)、长波红外的光谱范围为(6.5～12.5um)；
可见近红外光谱相机的像元尺寸为15um、短波红外光谱相机的像元尺寸为25um、中波红外光谱相机的像元尺寸为30um、长波红外光谱相机的像元尺寸为30um；
可见近红外的光谱分辨率达到5nm、短波红外的光谱分辨率达到10nm、中波红外的光谱分辨率达到40nm、长波红外的光谱分辨率达到80nm。满足国际高分辨率要求。
Claims (8)
1.全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：包括前置离轴三反望远***(1)、分色镜(2)、第一分视场棱镜(3)、可见近红外Dyson光谱仪(4)、短波红外Dyson光谱仪(5)、第二分视场棱镜(6)、中波红外Dyson光谱仪(7)及长波红外Dyson光谱仪(8)；
所述前置离轴三反望远***(1)包括沿光路依次设置的倾斜偏心入瞳(11)、离轴主反射镜(12)、离轴次反射镜(13)及离轴三反射镜(14)，所述离轴次反射镜(13)为凸面自由曲面反射镜；
物体目标的光谱信息依次经过倾斜偏心入瞳(11)、离轴主反射镜(12)、离轴次反射镜(13)及离轴三反射镜(14)的反射后进入分色镜(2)；所述分色镜(2)将入射的全波段光束分为两路，其中第一路光束包括可见近红外光与短波红外光，第二路光束包括中波红外光和长波红外光；
所述第一路光束入射至第一分视场棱镜(3)，第一分视场棱镜(3)将第一路光束分为可见近红外光与短波红外光，可见近红外光与短波红外光分别进入可见近红外Dyson光谱仪(4)与短波红外Dyson光谱仪(5)成像；
所述第二路光束入射至第二分视场棱镜(6)，第二分视场棱镜(6)将第二路光束分为中波红外光和长波红外光，中波红外光和长波红外光分别进入中波红外Dyson光谱仪(7)与长波红外Dyson光谱仪(8)成像。
2.根据权利要求1所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述离轴主反射镜(12)与离轴三反射镜(14)均为凹面偶次非球面反射镜。
3.根据权利要求2所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述离轴主反射镜(12)、离轴次反射镜(13)及离轴三反射镜(14)均由SIC材料制成。
4.根据权利要求2所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述分色镜(2)表面镀有半透半反膜，能够对可见近红外光与短波红外光透射，对中波红外光和长波红外光进行反射；
或能够对可见近红外光与短波红外光反射，对中波红外光和长波红外光进行透射。
5.根据权利要求4所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述分色镜(2)由H-K9L制成。
6.根据权利要求4所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述第一分视场棱镜(3)的两个反射面分别镀有可见近红外全反膜与短波红外全反膜；第一分视场棱镜(3)沿子午面将第一路光束的一次成像面分为可见近红外光与短波红外光两部分；
所述第二分视场棱镜(6)的两个反射面分别镀有中波红外全反膜和长波红外全反膜；第二分视场棱镜(6)沿子午面将第二路光束的一次成像面分为中波红外光和长波红外光两部分。
7.根据权利要求6所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：第一分视场棱镜(3)与第二分视场棱镜(6)均由H-K9L制成。
8.根据权利要求6所述的全波段大相对孔径Dyson光谱成像***，其特征在于：所述可见近红外Dyson光谱仪(4)、短波红外Dyson光谱仪(5)、中波红外Dyson光谱仪(7)、长波红外Dyson光谱仪(8)均包括沿光路依次设置的凹面光栅及成像透镜组。
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