專利名稱：空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間光學(xué)遙感器光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空間大口徑 壓縮光束多光譜成像光學(xué)成像系統(tǒng)。
技術(shù)背景空間紅外成像技術(shù)作為空間遙感信息獲取的 一種手段，在空間信 息獲取方面具有非常重要的價(jià)值。常見的應(yīng)用于空間成像的紅外光學(xué) 系統(tǒng)主要可以分為面陣凝視成像、推掃式成像和短線陣掃描式成像三 大類，目前受制于紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)和大制冷量制冷技術(shù)的制 約，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于空間紅外成像的光學(xué)系統(tǒng)以短線陣掃描式成^f象方式 居多。應(yīng)用于空間紅外成像的掃描式成像系統(tǒng)主要采用物方掃描的形 式，這種成像光學(xué)系統(tǒng)采用較短的紅外線陣探測(cè)器，如圖l所示，通 過(guò)在小視場(chǎng)的望遠(yuǎn)系統(tǒng)前面的光路里加入掃描部件，通過(guò)掃描部件進(jìn) 行穿越平臺(tái)飛行方向的掃描，并借助于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)獲取地物目標(biāo)的 二維圖像。但是，隨著對(duì)較高分辨率的空間紅外成像系統(tǒng)的需求不斷增加， 必然要求空間紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的口徑也隨之增大。使物方掃描成像 系統(tǒng)的掃描部件口徑也相應(yīng)增加。從而帶來(lái)了大口徑掃描部件的加 工、制備和控制難題，以及系統(tǒng)整體的研制難度。應(yīng)用于地面上的前視紅外系統(tǒng)(FLIR )通過(guò)透射式的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)
現(xiàn)小口徑(量級(jí)為厘米)的光束壓縮和大視場(chǎng)的掃描，但是適應(yīng)性差， 對(duì)環(huán)境的要求高，很難實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)系統(tǒng)的壓縮和掃描，而且透射 式的光學(xué)系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)多譜段掃描成像，不適應(yīng)空間應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合 空間應(yīng)用的大口徑(量級(jí)為米)壓縮光束掃描成像系統(tǒng)，從而避免了 大口徑掃描鏡的制備、加工和控制的難題，而且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合 空間應(yīng)用。本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題還包括實(shí)現(xiàn)了大口徑壓縮光束的多i普段 掃描成像。本發(fā)明的技術(shù)解決方案空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于它主要由無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掃描裝置以及聚焦系統(tǒng) 組成，所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)由主反射鏡M1、次反射鏡M2組成的物 鏡系統(tǒng)和中繼反射鏡M3組成，中繼反射鏡M3的物方焦點(diǎn)與物鏡系 統(tǒng)的像方焦點(diǎn)重合；無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集地面目標(biāo)的輻射光束，并對(duì)入 射光束的口徑進(jìn)行壓縮以后再以平行光的形式出射，出射光束經(jīng)過(guò)掃 描裝置掃描以后進(jìn)入后面的聚焦成像系統(tǒng)成像。根據(jù)語(yǔ)段的情況，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)還可以設(shè)置分色裝置，接收 掃描裝置掃描后的平行光束進(jìn)行語(yǔ)段劃分，不同譜、歐的光束進(jìn)入相應(yīng) 的聚焦系統(tǒng)成像。所述的主反射鏡M1為拋物面或橢球面反射鏡，所述的次反射鏡 M2為凸雙曲面反射鏡。
當(dāng)所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的物鏡系統(tǒng)的焦距為fp中繼反射鏡M3 的焦距為f2，聚焦系統(tǒng)的焦距為fs時(shí)，則無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比 為M-Vfz,整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f-Mxf;j。所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)入瞳設(shè)置在主反射鏡M1上，所述的掃描裝 置由平面掃描鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，平面掃描鏡位于無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出 瞳處；此時(shí)，所述的平面掃描鏡的光學(xué)口徑為主反射鏡M1 口徑的1/M， 其中M為無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)(1 )本發(fā)明的大口徑(量級(jí)為米)壓縮光束掃描成像系統(tǒng)，通 過(guò)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集地面目標(biāo)的輻射光束，并對(duì)入射光束的口徑進(jìn)行 壓縮以后再以平行光的形式出射，掃描部件的所需的有效通光口徑降 低為1/M (其中M為無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)中物鏡系統(tǒng)的焦距與中繼反射鏡 的焦距之比)從而避免了大口徑掃描鏡的制備、加工和控制的難題， 而且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合空間應(yīng)用。(2) 本發(fā)明的成像系統(tǒng)的分色裝置，對(duì)接收掃描裝置掃描后的 平行光束進(jìn)行語(yǔ)段劃分，實(shí)現(xiàn)了多語(yǔ)段聚焦成像。(3) 在同樣的物方掃描精度下，本發(fā)明對(duì)掃描部件的掃描線性 度和可重復(fù)度的要求僅為物方掃描系統(tǒng)的1/M，降低了掃描系統(tǒng)的技 術(shù)要求；(4) 與小口徑的前視紅外系統(tǒng)相比較而言，空間大口徑壓縮光 束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了大口徑的壓縮光束，避免了大口 徑紅外光學(xué)材料的制備和加工難題；而且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能應(yīng)用于空間。(5 )反射式無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)空間溫度及其它環(huán)境因素影響相對(duì) 折射式系統(tǒng)而言不敏感，降低了空間紅外成像系統(tǒng)對(duì)遙感器溫控系統(tǒng) 的要求；(6) 反射式無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)無(wú)色差，而且經(jīng)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)出射的 光束為平行光，有利于后續(xù)的分光設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)紅外多譜段成 像；(7) 本發(fā)明既可以應(yīng)用于空間大口徑紅外掃描成像系統(tǒng)，通過(guò) 較短線陣探測(cè)器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)較大視場(chǎng)的成像，也可以用于空間穩(wěn)像和 像移補(bǔ)償?shù)扔猛尽?br>

圖1現(xiàn)有^R術(shù)物方掃描成像方案示意圖； 圖2本發(fā)明空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明屬于空間光學(xué)遙感器光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域?？臻g大口徑壓縮 光束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，依次由大視場(chǎng)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、中間的擺 動(dòng)掃描部件、分色裝置以及后續(xù)的聚焦系統(tǒng)四部分組合而成。無(wú)焦望 遠(yuǎn)系統(tǒng)的作用就是收集地面目標(biāo)的輻射光束，并對(duì)入射光束的口徑進(jìn) 行壓縮以后再以平行光的形式出射，出射光束經(jīng)過(guò)放置于無(wú)焦望遠(yuǎn)系 統(tǒng)出瞳處的掃描才幾構(gòu)掃描以后進(jìn)入后面的聚焦成像系統(tǒng)成像。掃描部 件的光學(xué)口徑以及掃描線性度約等于圖1中物方掃描成像光學(xué)系統(tǒng) 的1/M，其中M為無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比。在空間成像紅外光
學(xué)系統(tǒng)口徑相同的情況下，本發(fā)明所采用的壓縮光束中繼掃描成像所 需的掃描部件有效口徑以及掃描線性度均為物方掃描成像系統(tǒng)的1/M，從而較大幅度的降低空間紅外掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的研制難度； 分色裝置用于實(shí)現(xiàn)譜段的劃分，根據(jù)實(shí)際情況可有可無(wú)，當(dāng)入射光束 的鐠段較寬，需要進(jìn)^^'j分時(shí)，就可以設(shè)置分色裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描以后 的平行光束進(jìn)行譜段劃分，并分別進(jìn)入相應(yīng)譜段的聚焦系統(tǒng)進(jìn)行成 像。無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用反射式的結(jié)構(gòu)，具有成像譜段寬，材料制備、 加工簡(jiǎn)單、對(duì)空間環(huán)境適用性較強(qiáng)的特點(diǎn)；無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)所出射的壓 縮平行光束，有利于系統(tǒng)成像語(yǔ)段的擴(kuò)展。本發(fā)明還可以應(yīng)用于空間 成像系統(tǒng)的穩(wěn)像、以及光學(xué)像移補(bǔ)償?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域。如圖2所示，M1為拋物面主反射鏡，M2為凸雙曲面次反射鏡， 反射鏡M1 、 M2組成物鏡系統(tǒng)。反射鏡M3的物方焦點(diǎn)與物鏡系統(tǒng)的 像方焦點(diǎn)F重合，這樣，反射鏡M3與其前面的物鏡系統(tǒng)就構(gòu)成了一 個(gè)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)入瞳設(shè)置在主反射鏡M1上，由平面掃描 鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)所組成的線性掃描裝置位于無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳處；來(lái) 之地面景物的不同視場(chǎng)的成像光束入射到無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)無(wú)焦望 遠(yuǎn)系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行壓縮M倍之后，又以平行光束的形式到達(dá)掃描鏡 裝置；掃描鏡裝置的作用是把來(lái)之不同視場(chǎng)的壓縮光束掃描指向進(jìn)入 后面的分色片(即分色裝置)；來(lái)之景物的寬語(yǔ)段成像光束經(jīng)分色片 分成多個(gè)子譜段，最后不同子譜段的成像光束進(jìn)入聚焦成像系統(tǒng)；聚 焦成像系統(tǒng)由正光焦度的透鏡組利用二次成傳_原理組成，實(shí)現(xiàn)壓縮光 束的聚焦成像。實(shí)現(xiàn)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳與探測(cè)器杜瓦窗口的位置和
尺寸的匹配。本發(fā)明的成像系統(tǒng)主要包括大口徑反射式無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掃描裝 置、聚焦系統(tǒng)。當(dāng)入射光束語(yǔ)段較寬時(shí)，還包括分色裝置，進(jìn)行多鐠段成像。如果無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的前組物鏡(由M1和M2組成)焦距為 f!,后組物鏡(M3)的焦距為f2，聚焦透鏡組的焦距為f3;則無(wú)焦望 遠(yuǎn)系統(tǒng)的光速壓縮比為M = 1Vf2，整個(gè)空間大口徑壓縮光束中繼掃描 成像系統(tǒng)的焦距由無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比和后續(xù)的聚焦成像的 焦距fs確定，即系統(tǒng)焦距f-Mxf3。相對(duì)于大口徑的空間物方掃描成像系統(tǒng)而言，空間大口徑壓縮光 束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)所要求的掃描部件的有效口徑僅為物方掃 描系統(tǒng)的1/M，掃描線性度要求也變?yōu)橥趶轿锓綊呙柘到y(tǒng)的1/M。 從而大大降低了大口徑空間紅外掃描光學(xué)系統(tǒng)的研制難度和周期，同 時(shí)，經(jīng)過(guò)無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)壓縮的光束為平行光束，有利于系統(tǒng)成像鐠段 的擴(kuò)展。以設(shè)計(jì)口徑為1m，焦距f為3米的空間紅外成像系統(tǒng)而言，如果 釆用傳統(tǒng)的物方掃描方式，掃描鏡位于主鏡前方且以45度放置，則掃 描鏡的最小尺寸為1 x1.414m( ^ )。采用本方案所提出的大口徑壓縮光束掃描成^f象方案，如果工程實(shí) 現(xiàn)難度可以接受的掃描鏡的尺寸為10cm,則可以選取無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng) 的光束壓縮比為1 m/0.1 m=10倍，這樣選取聚焦系統(tǒng)的焦距f3為0.3m ， 則可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)焦距0.3mxlO3m的系統(tǒng)要求。光束壓縮倍數(shù)為10 的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的可以分解為口徑1m，焦距f1為6m的物鏡系統(tǒng)和 焦距f2為0.6m的中繼反射鏡M3;聚焦為6m的物鏡系統(tǒng)可以通過(guò)拋物 面主反射鏡M 1的曲率半徑為2230mm ，凸雙曲面次反射鏡M2的曲率 半徑為643mm，兩鏡間隔857mm來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以利用兩鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 法，并根據(jù)其他約束條件進(jìn)行其他形式的分解。以上所描述的系統(tǒng)只是本發(fā)明實(shí)施的一種情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以根據(jù)不同的要求和設(shè)計(jì)參數(shù)在不偏離本發(fā)明的情況下進(jìn)行各種 改進(jìn)和更換，因此，本發(fā)明是廣泛的。
權(quán)利要求
1、空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于它主要由無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掃描裝置以及聚焦系統(tǒng)組成，所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)由主反射鏡M1、次反射鏡M2組成的物鏡系統(tǒng)和中繼反射鏡M3組成，中繼反射鏡M3的物方焦點(diǎn)與物鏡系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)重合；無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集地面目標(biāo)的輻射光束，并對(duì)入射光束的口徑進(jìn)行壓縮以后再以平行光的形式出射，出射光束經(jīng)過(guò)掃描裝置掃描以后進(jìn)入后面的聚焦成像系統(tǒng)成像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于它還包括分色裝置，接收掃描裝置掃描后的平行 光束進(jìn)行譜段劃分，不同鐠段的光束進(jìn)入相應(yīng)的聚焦系統(tǒng)成像。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像 光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的主反射鏡M1為拋物面或橢球面反射 鏡，所述的次反射鏡M2為凸雙曲面反射鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間大口徑壓縮光束中繼掃描成 像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的物鏡系統(tǒng)的焦距 為fp中繼反射鏡M3的焦距為f2,聚焦系統(tǒng)的焦距為f3時(shí)，則無(wú)焦 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比為M = fi/f2，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的焦距f-Mxf3。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像 光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)入瞳設(shè)置在主反射鏡 M1上，所述的掃描裝置由平面掃描鏡和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，平面掃描鏡 位于無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳處。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光 學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的平面掃描鏡的光學(xué)口徑為主反射鏡M1 口徑的1/M，其中M為無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束壓縮比。
全文摘要
空間大口徑壓縮光束中繼掃描成像光學(xué)系統(tǒng)，主要由無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)、掃描裝置以及聚焦系統(tǒng)組成，所述的無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)由拋物面主反射鏡M1、凸雙曲面次反射鏡M2組成的物鏡系統(tǒng)和中繼反射鏡M3組成，M3的物方焦點(diǎn)與物鏡系統(tǒng)的像方焦點(diǎn)重合；無(wú)焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集地面目標(biāo)的輻射光束，并對(duì)入射光束的口徑進(jìn)行壓縮以后再以平行光的形式出射，出射光束經(jīng)過(guò)掃描裝置掃描以后進(jìn)入后面的聚焦成像系統(tǒng)成像。本發(fā)明適合空間應(yīng)用的大口徑(量級(jí)為米)壓縮光束掃描成像系統(tǒng)，避免了大口徑掃描鏡的制備、加工和控制的難題，而且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合空間應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02B17/06GK101158746SQ20071017813
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者王世濤, 聶云松, 邱民樸, 馬文坡 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所