CN114322944B - 同轴折返式导航与光谱一体化光学*** - Google Patents
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Abstract
同轴折返式导航与光谱一体化光学***属于导航与成像光谱技术领域，目的在于，解决现有技术存在的导航相机相对口径偏小、导致曝光时间偏长、出现星点拖拽现象以及成像光谱仪存在的视场光阑视场小、光谱探测的准确性差，多种仪器降低了飞行的灵活性的问题。本发明中经过同轴远心镜组会聚后并经过TIR棱镜聚焦于DMD数字微镜器件上；光线经过DMD数字微镜器件分成两个方向的光束再次进入TIR棱镜；一个方向的光束在TIR棱镜反射进入准直镜组，经过准直镜组准直为平行光并在PGP分光元件上将复色光色散为单色光，色散后的光线垂直y轴，色散后的光线经过聚焦镜组最终聚焦于光谱像面上；另一个方向的光束在TIR棱镜发射进入成像转接镜组，并在导航像面成像。
Description
技术领域
本发明属于导航与成像光谱技术领域，具体涉及一种同轴折返式导航与光谱一体化光学***。
背景技术
深空探测是人类在卫星技术取得重大成就的基础上向更广阔的太阳系空间的探索过程，包括了月球探测、行星及其卫星探测以及小行星和彗星探测等。深空探测对人类了解宇宙、认识地球与太阳系的演化过程，以及了解空间现象与地球环境间的关联，具有十分重大的现实意义。
在深空探测任务中，具有探测目标距离地球远，探测器飞行距离远，飞行时间长的特点。要求卫星具有星际巡航、接近交会和绕飞巡视的能力并能够对目标进行科学探测。但是目前卫星的导航相机的相对口径偏小，导致曝光时间偏长，会出现星点拖拽的现象。而科学探测用到的成像光谱仪则存在视场光阑为狭缝，视场小，不适合卫星略飞过小行星时的面阵探测场景；或者不同波段光谱分时获得，影响光谱探测的准确性。同时多种仪器增大了深空探测卫星的质量，降低了飞行的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种同轴折返式导航与光谱一体化光学***，解决现有技术存在的导航相机相对口径偏小、导致曝光时间偏长、出现星点拖拽现象以及成像光谱仪存在的视场光阑视场小、光谱探测的准确性差，多种仪器增大了深空探测卫星的质量，降低了飞行的灵活性的问题。
为实现上述目的，本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***包括同轴远心镜组、TIR棱镜、DMD数字微镜器件、准直镜组、PGP分光元件、聚焦镜组、光谱像面、成像转接镜组以及导航像面；
所述DMD数字微镜器件的基面与所述同轴远心镜组的像面重合；
光线经过同轴远心镜组会聚后并经过TIR棱镜聚焦于DMD数字微镜器件上；光线经过DMD数字微镜器件分成两个方向的光束再次进入TIR棱镜；一个方向的光束在TIR棱镜反射进入准直镜组，经过准直镜组准直为平行光并在PGP分光元件上将复色光色散为单色光，色散后的光线垂直y轴，色散后的光线经过聚焦镜组最终聚焦于光谱像面上；另一个方向的光束在TIR棱镜反射进入成像转接镜组，并在导航像面成像。
所述同轴远心镜组包括主镜、次镜和校正镜；光束经主镜反射后再经次镜反射，最后经校正镜进入TIR棱镜，通过所述校正镜校正轴外像差并将光学***调整为像方远心，所述主镜为整个***的光阑。
所述主镜和所述次镜均为高次非球面。
所述TIR棱镜包括：
第一棱镜，所述第一棱镜的一个面为通过同轴远心镜组的出射光的入射界面，所述入射界面和所述同轴远心镜组光轴垂直；
第二棱镜，所述第二棱镜的界面a与第一棱镜的第二个面相对，所述第二棱镜的界面c 作为进入成像转接镜组前的出射面；
第三棱镜，所述第三棱镜的一个界面作为进入DMD数字微镜器件前的出射界面，所述出射界面和所述第一棱镜的入射界面相互平行，所述第三棱镜的界面b分别和第一棱镜的第三个界面以及第二棱镜的第三个界面相对，所述第三棱镜的界面d作为进入准直镜组前的出射面；
经所述同轴远心镜组出射的光经第一棱镜的入射界面进入TIR棱镜后经第三棱镜的出射界面进入DMD数字微镜器件，经过DMD数字微镜器件分成两个方向的光束中一个方向的光束在TIR棱镜的第三棱镜的界面b反射进入准直镜组，经过DMD数字微镜器件分成两个方向的光束中另一个方向的光束在TIR棱镜的第二棱镜界面a反射进入成像转接镜组。
经DMD数字微镜器件反射后的经过TIR棱镜界面c和界面d的光束的主光线分别与界面c和界面d垂直。
所述第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜相对的两个界面之间为空气间隙。
所述DMD数字微镜器件包括多个DMD微镜，每个所述DMD微镜通过沿x轴方向的旋转轴旋转调整相对Z轴向下或向上的旋转。
所述准直镜组的第一镜面为柱面，所述光谱像面与Oxy平面之间角度为θ1，使不同视场光程差相同；所述导航像面与Oxy平面之间的角度为θ2，使不同视场光程差相同。
所述准直镜组包括第一折转镜，使光路走向变为沿同轴远心镜组轴线方向，所述成像转接镜组包括第二折转镜，使光路走向变为沿同轴远心镜组轴线方向。
所述成像转接镜组靠近导航像面的两个镜片为高次非球面。
本发明的有益效果为：本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***整合了导航相机和成像光谱仪的能力，减少了仪器的总质量，且同轴折返式的前置望远镜头有助于提高***整体的焦距。通过将同轴远心镜组的一次像面——DMD基面转接成像为一个缩小的像，从而增大了最终像面的光束孔径角，提高了***的相对孔径；可以通过不同的DMD微镜翻转组合和导航像面多次成像，还原缩小前的高分辨率图像，在增大相对孔径的同时保留了高的空间分辨率；光谱支路的视场光阑可调可控的面阵视场——DMD，每一个DMD微镜对应的光束都可以进行光谱分析，增加了光谱探测的灵活性；本导航支路和光谱支路拥有共同的视场，减少了导航相机与成像光谱仪的获得数据的后期匹配难度，使用更加灵活，视场对应更加准确。
附图说明
图1为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***光路图；
图2为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的TIR棱镜在x方向的结构示意图；
图3 为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的DMD在x方向的结构示意图；
图4为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的DMD在z方向的结构示意图；
图5为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的同轴远心镜组在DMD基面上的能量集中度曲线；
图6为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的部分光谱支路在y方向的光路示意图；
图7为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的光谱支路0°视场在400nm、600nm和800nm波长附近的点列图情况；
图8为本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***的导航支路能量集中度曲线；
其中：1、同轴远心镜组，11、主镜，12、次镜，13、校正镜，2、TIR棱镜，21、第一棱镜，22、第二棱镜，23、第三棱镜，24、入射界面，25、出射界面，26、界面a，27、界面b，28、界面c，29、界面d，3、DMD数字微镜器件，31、基面，32、微镜，4、准直镜组，41、第一镜面，42、第一折转镜，5、PGP分光元件，6、聚焦镜组，7、光谱像面，8、成像转接镜组，81、第二折转镜，9、导航像面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图4， 本发明的同轴折返式导航与光谱一体化光学***包括同轴远心镜组1、TIR棱镜2、DMD数字微镜器件3、准直镜组4、PGP分光元件5、聚焦镜组6、光谱像面7、成像转接镜组8以及导航像面9；
所述DMD数字微镜器件3的基面31与所述同轴远心镜组1的像面重合；
光线经过同轴远心镜组1会聚后并经过TIR棱镜2聚焦于DMD数字微镜器件3上；光线经过DMD数字微镜器件3分成两个方向的光束再次进入TIR棱镜2；一个方向的光束在TIR棱镜2反射进入准直镜组4，经过准直镜组4准直为平行光并在PGP分光元件5上将复色光色散为单色光，色散后的光线垂直y轴，色散后的光线经过聚焦镜组6最终聚焦于光谱像面7上；另一个方向的光束在TIR棱镜2反射进入成像转接镜组8，并在导航像面9成像；导航像面9是DMD的缩小像，有助于增大入射到导航像面9上的光束的孔径角，提高导航像面9单位面积接收到的光能量。PGP分光元件5采用棱镜、光栅、棱镜的结构。
所述同轴远心镜组1包括主镜11、次镜12和校正镜13；光s束经主镜11反射后再经次镜12反射，最后经校正镜13进入TIR棱镜2，通过所述校正镜13校正轴外像差并将光学***调整为像方远心，有助于与后续光路的衔接，所述主镜11为整个***的光阑。
所述主镜11和所述次镜12均为高次非球面，有助于球差等像差的校正，在本实施例中主镜11和次镜12的二次项系数分别为-1.233和-6.88；
所述TIR棱镜2包括：
第一棱镜21，所述第一棱镜21的一个面为通过同轴远心镜组1的出射光的入射界面24，所述入射界面24和所述同轴远心镜组1光轴垂直；
第二棱镜22，所述第二棱镜22的界面a26与第一棱镜21的第二个面相对，所述第二棱镜22的界面c28作为进入成像转接镜组8前的出射面；
第三棱镜23，所述第三棱镜23的一个界面作为进入DMD数字微镜器件3前的出射界面25，所述出射界面25和所述第一棱镜21的入射界面24相互平行，使得TIR棱镜2在同轴远心镜组1与DMD数字微镜器件3之间的光路中与平行平板等效，所述第三棱镜23的界面b27分别和第一棱镜21的第三个界面以及第二棱镜22的第三个界面相对，所述第三棱镜23的界面d29作为进入准直镜组4前的出射面；
经所述同轴远心镜组1出射的光经第一棱镜21的入射界面24进入TIR棱镜2后经第三棱镜23的出射界面25进入DMD数字微镜器件3，经过DMD数字微镜器件3分成两个方向的光束中一个方向的光束在TIR棱镜2的第三棱镜23的界面b27反射进入准直镜组4，经过DMD数字微镜器件3分成两个方向的光束中另一个方向的光束在TIR棱镜2的第二棱镜22界面a26反射进入成像转接镜组8。
TIR棱镜2的界面a26与y轴的夹角α1和界面b27与y轴的夹角α2会根据入射到DMD数字微镜器件3的光束的孔径角和DMD微镜32的翻转角度γ做调整，使经过DMD微镜32向下反射的光束在界面b27处不发生全反射，在界面a26处发生全反射；而经过DMD微镜32向上反射的光束在界面b27处发生全反射；在本实施例中DMD微镜32的翻转角度γ为12°，同轴远心镜组1的相对孔径为为1/3，因此设定α1为33.1°，α2为32.7°；在本实施例中，设置β1为48.1°，β2为47.7°使经过TIR棱镜2界面c28和界面d29的光束的主光线分别与界面c28和界面d29垂直；
经DMD数字微镜器件3反射后的经过TIR棱镜2界面c28和界面d29的光束的主光线分别与界面c28和界面d29垂直。
所述第一棱镜21、第二棱镜22和第三棱镜23相对的两个界面之间有10μm的空气间隙。
所述DMD数字微镜器件3包括多个DMD微镜32，每个所述DMD微镜32通过沿x轴方向的旋转轴旋转调整相对Z轴向下或向上的旋转。所述的DMD数字微镜器件3的每个DMD微镜32相互独立，且均有“上”、“下”两种旋转状态，两种状态下的DMD微镜32与DMD基面31的夹角均为固定角度γ。当DMD微镜32处于状态“上”时，其接收到的全部光能量向上偏折；当DMD微镜32处于状态“下”时，其接收到的全部光能量向下偏折；DMD基面31与同轴远心镜组1的像面重合，使得同轴远心镜组1的像点在DMD微镜32上的能量集中度高；在本实施例中，DMD微镜32的尺寸为10.8 μm，同轴远心镜组1在DMD微镜32上的能量集中度曲线如图5所示，在2×2个DMD微镜32尺寸内集中了像点94%的能量；DMD微镜32的旋转轴与x轴平行。
所述准直镜组4的第一镜面41为柱面，校正TIR棱镜2引入的像散等像差，提升到达PGP分光元件5的光束平行度；所述的光谱像面7与Oxy平面之间具有一定的角度θ1，从而消除DMD数字微镜器件3引入后续光路的光程差。即对准直镜组4和聚焦镜组6组成的有限物距和有限像距***来说，DMD基面31是一个倾斜物面，本发明通过调整θ1使光谱像面7成为与DMD基面31有良好物像关系的倾斜像面，从而提高光谱像面7上的成像质量。
所述准直镜组4包括第一折转镜42，使光路走向变为沿同轴远心镜组1轴线方向，调节光路走向，减小整个***在y方向的包络尺寸，所述成像转接镜组8包括第二折转镜81，使光路走向变为沿同轴远心镜组1轴线方向，调节光路走向，减小整个***在y方向的包络尺寸。
所述成像转接镜组8靠近导航像面9的两个镜片为高次非球面，校正大的光束孔径角引入的像差。
所述的PGP分光元件5负责将复色光色散为单色光，有光路直视和色散线性的特点。PGP分光元件5的放置应该使光束经过PGP分光元件5色散后的色散光矢量垂直于y轴，如图6所示，即每个DMD微镜32在光谱像面7上对应的光谱条带都应与x轴平行，使得色散后不同波长的光束在光谱像面7上等光程成像；在本实施例中，光谱像面7与Oxy平面之间的角度θ1为10.8°，导航支路在0°视场下400nm、600nm和800nm波长处在光谱像面7上的弥散斑情况如图7所示，具有较好的成像质量。
调节成像转接镜组8的放大倍率，使得导航像面9是DMD基面31的缩小像，从而增大入射到导航像面9上的光束孔径角，提高导航像面9单位面积接收到的光能量；在本实施例中，导航像面9约为DMD基面31的1/3，导航支路的相对孔径为1/1.3。
所述的导航像面9与Oxy平面之间具有一定的角度θ2，从而消除DMD数字微镜器件3引入后续光路的光程差，从而提高导航像面9上的成像质量。导航像面9与Oxy平面之间的角度θ2为4.1°，导航支路各个视场在导航像面9上的能量集中度曲线如图8所示，在20μm×20μm范围内集中了像点85%以上的能量。
DMD数字微镜器件3同时是导航支路和光谱支路的视场光阑，DMD数字微镜器件3的任意一个DMD微镜32对应的光束均可进入光谱支路色散，同时DMD数字微镜器件3能控制每次进行色散的DMD微镜32的数量和分布，避免光谱混叠。
Claims (9)
1.同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，包括同轴远心镜组（1）、TIR棱镜（2）、DMD数字微镜器件（3）、准直镜组（4）、PGP分光元件（5）、聚焦镜组（6）、光谱像面（7）、成像转接镜组（8）以及导航像面（9）；
所述DMD数字微镜器件（3）的基面（31）与所述同轴远心镜组（1）的像面重合；
光线经过同轴远心镜组（1）会聚后并经过TIR棱镜（2）聚焦于DMD数字微镜器件（3）上；光线经过DMD数字微镜器件（3）分成两个方向的光束再次进入TIR棱镜（2）；一个方向的光束在TIR棱镜（2）反射进入准直镜组（4），经过准直镜组（4）准直为平行光并在PGP分光元件（5）上将复色光色散为单色光，色散后的光线垂直y轴，色散后的光线经过聚焦镜组（6）最终聚焦于光谱像面（7）上；另一个方向的光束在TIR棱镜（2）反射进入成像转接镜组（8），并在导航像面（9）成像；
所述TIR棱镜（2）包括：
第一棱镜（21），所述第一棱镜（21）的一个面为通过同轴远心镜组（1）的出射光的入射界面（24），所述入射界面（24）和所述同轴远心镜组（1）光轴垂直；
第二棱镜（22），所述第二棱镜（22）的界面a（26）与第一棱镜（21）的第二个面相对，所述第二棱镜（22）的界面c（28） 作为进入成像转接镜组（8）前的出射面；
第三棱镜（23），所述第三棱镜（23）的一个界面作为进入DMD数字微镜器件（3）前的出射界面（25），所述出射界面（25）和所述第一棱镜（21）的入射界面（24）相互平行，所述第三棱镜（23）的界面b（27）分别和第一棱镜（21）的第三个界面以及第二棱镜（22）的第三个界面相对，所述第三棱镜（23）的界面d（29）作为进入准直镜组（4）前的出射面；
经所述同轴远心镜组（1）出射的光经第一棱镜（21）的入射界面（24）进入TIR棱镜（2）后经第三棱镜（23）的出射界面（25）进入DMD数字微镜器件（3），经过DMD数字微镜器件（3）分成两个方向的光束中一个方向的光束在TIR棱镜（2）的第三棱镜（23）的界面b（27）反射进入准直镜组（4），经过DMD数字微镜器件（3）分成两个方向的光束中另一个方向的光束在TIR棱镜（2）的第二棱镜（22）界面a（26）反射进入成像转接镜组（8）。
2.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述同轴远心镜组（1）包括主镜（11）、次镜（12）和校正镜（13）；光束经主镜（11）反射后再经次镜（12）反射，最后经校正镜（13）进入TIR棱镜（2），通过所述校正镜（13）校正轴外像差并将光学***调整为像方远心，所述主镜（11）为整个***的光阑。
3.根据权利要求2所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述主镜（11）和所述次镜（12）均为高次非球面。
4.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，经DMD数字微镜器件（3）反射后的经过TIR棱镜（2）界面c（28）和界面d（29）的光束的主光线分别与界面c（28）和界面d（29）垂直。
5.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述第一棱镜（21）、第二棱镜（22）和第三棱镜（23）相对的两个界面之间为空气间隙。
6.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述DMD数字微镜器件（3）包括多个DMD微镜（32），每个所述DMD微镜（32）通过沿x轴方向的旋转轴旋转调整相对Z轴向下或向上的旋转。
7.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述准直镜组（4）的第一镜面（41）为柱面，所述光谱像面（7）与Oxy平面之间角度为θ1，使不同视场光程差相同；所述导航像面（9）与Oxy平面之间的角度为θ2，使不同视场光程差相同。
8.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述准直镜组（4）包括第一折转镜（42），使光路走向变为沿同轴远心镜组（1）轴线方向，所述成像转接镜组（8）包括第二折转镜（81），使光路走向变为沿同轴远心镜组（1）轴线方向。
9.根据权利要求1所述的同轴折返式导航与光谱一体化光学***，其特征在于，所述成像转接镜组（8）靠近导航像面（9）的两个镜片为高次非球面。
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