高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于空間光學(xué)遙感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于可見光近紅外譜段高分辨率CCD相機(jī)+自適應(yīng)波前探測功能一體化相機(jī)光學(xué)成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大口徑長焦距空間相機(jī)容易受到溫度環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、平臺(tái)擾動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致光學(xué)元件的位置誤差與面形誤差，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。一般來說，空間相機(jī)的口徑越大，越容易受到上述因素的影響。當(dāng)采用精密熱控和重力卸載等傳統(tǒng)被動(dòng)的方法無法保證大口徑光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量時(shí)，就需要采用在軌像差主動(dòng)校正技術(shù)來提高實(shí)際成像質(zhì)量。
[0003]在軌像差主動(dòng)校正技術(shù)，主要包括在軌波前探測、在軌控制運(yùn)算和在軌波前校正。其中，在軌控制運(yùn)算和在軌波前校正同傳統(tǒng)的地面像差校正系統(tǒng)非常相似，可以在地面進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。由于在軌波前探測的探測信標(biāo)是地物擴(kuò)展目標(biāo)，并且相機(jī)采用快速推掃成像模式，因此在軌波前探測與傳統(tǒng)的波前探測模式具有較大不同，是在軌像差主動(dòng)校正技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，有必要進(jìn)行在軌驗(yàn)證。
[0004]隨著空間光學(xué)遙感器偵察與監(jiān)視應(yīng)用的廣度和深度的增加，國內(nèi)對高分辨率衛(wèi)星的需求也在逐步提高，同時(shí)對光學(xué)遙感器提出了越來越高的分辨率要求。對高分辨率光學(xué)遙感圖像的輻射質(zhì)量和幾何質(zhì)量也提出更高的要求。同時(shí)隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展還要求相機(jī)具有較高的平臺(tái)適應(yīng)性，需要相機(jī)在主光學(xué)系統(tǒng)中自適應(yīng)波前探測技術(shù)，從而有效提高圖像質(zhì)量。
[0005]從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，世界各國相機(jī)開展了波前探測的研宄，但到目前為止，在軌應(yīng)用還鮮有報(bào)道。美國最早將波前探測儀器應(yīng)用于檢測激光。2009年我國的中科院光電技術(shù)研宄所成功研制了 37單元太陽自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，2011年將其成功應(yīng)用于Im太陽望遠(yuǎn)鏡，使太陽對比度顯著增高。
[0006]應(yīng)用自適應(yīng)波前探測的高分辨率成像CCD相機(jī)系統(tǒng)目前主要采用分離的結(jié)構(gòu)形式，即單臺(tái)的高分辨率成像相機(jī)和波前探測儀。其突出缺點(diǎn)是體積重量大、不利于整星資源的優(yōu)化。目前在軌運(yùn)行的具有波前探測功能的高分辨率相機(jī)還鮮有報(bào)道。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種適用于可見光近紅外譜段高分辨率CCD相機(jī)+自適應(yīng)波前探測功能一體化相機(jī)的成像光學(xué)系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，包括:共用主鏡、共用次鏡、折轉(zhuǎn)反射鏡、三鏡、變形鏡、可見光高分辨率成像支路焦面接收器件、自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件；
[0009]共用主鏡和共用次鏡同軸，并且共用主鏡和共用次鏡的光軸作為光學(xué)系統(tǒng)的主光軸；共用主鏡上設(shè)有通光孔，可見光高分辨率成像支路與自適應(yīng)波前探測支路不共視場，可見光高分辨率成像支路利用靠近軸上的軸外視場，自適應(yīng)波前探測支路利用軸外視場；來自可見光高分辨率成像支路和自適應(yīng)波前探測支路的光束經(jīng)過共用主鏡、共用次鏡反射之后，透過共用主鏡通光孔到達(dá)折轉(zhuǎn)反射鏡，經(jīng)其折轉(zhuǎn)后到達(dá)三鏡，再經(jīng)三鏡折轉(zhuǎn)后分別到達(dá)可見光高分辨率成像支路焦面接收器件以及自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件上成像；
[0010]折轉(zhuǎn)反射鏡和變形鏡的法線均位于光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)，且折轉(zhuǎn)反射鏡的法線方向與主光軸夾角為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，變形鏡的法線方向與主光軸夾角為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60° ;可見光高分辨率成像支路焦面接收器件和自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)部件上。
[0011]所述的共用主鏡、共用次鏡、折轉(zhuǎn)反射鏡、變形鏡、三鏡的材料均為碳化硅或微晶玻璃或熔石英，上述鏡子的反射面上均鍍有金屬高反射率反射膜。
[0012]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013]I)本實(shí)用新型由于采用了共光路全反射結(jié)構(gòu)形式，將高分辨率成像與高精度波前探測實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，兩種探測器件集成在一個(gè)焦面結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)支路焦距完全一致，波前像差差值一定，通過高精度在軌波前探測，獲得精確的波前相位信息，為在軌波前校正提供信息支持，實(shí)現(xiàn)在軌像差主動(dòng)校正，提高系統(tǒng)的在軌成像質(zhì)量；該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡單，無色差、加工和裝調(diào)簡單，工程化難度低。解決了傳統(tǒng)大口徑長焦距空間相機(jī)在軌穩(wěn)定性和成像質(zhì)量較差的問題。
[0014]2)本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)通過控制主共用次鏡光焦度同時(shí)矯正一次像和二次像差，降低加工和裝調(diào)的難度；
[0015]3)本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的高分辨率成像探測器件與波前探測支路探測器件集成在一個(gè)焦面部件上，可針對可見光高分辨率成像支路軸上視場點(diǎn)進(jìn)行裝調(diào)、測試；波前探測支路采用的ro探測器使用與成像探測器相同的TDICCD，電路輸出一致，大大簡化了系統(tǒng)工程化難度。
[0016]4)本實(shí)用新型具有成像質(zhì)量良好、高分辨率高、光機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、組成簡單、光機(jī)結(jié)構(gòu)集成度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有對大范圍地物的高分辨率成像、高精度高可靠性在軌實(shí)時(shí)波前探測和矯正功能。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2多通道視場設(shè)置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，其特征在于包括:共用主鏡1、共用次鏡2、折轉(zhuǎn)鏡3、三鏡4、變形鏡5、可見光高分辨率成像支路焦面接收器件6、自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件7。
[0020]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步描述:
[0021]光學(xué)系統(tǒng)的可見光高分辨率成像支路工作譜段為Pan:0.45 μ m?0.89 μ m、B1:0.45 μ m ?0.52 μ m、B2:0.52 μ m ?0.59 μ m、B3:0.63 μ m ?0.69 μ m、B4:0.77 μ m ?0.89 μm，焦距為16000mm，視場為0.64° X0.64°偏場角度為0.28°?0.32° ;自適應(yīng)波前探測支路的工作譜段和焦距與高分辨率成像支路一致。兩個(gè)視場點(diǎn)位于可見光高分辨率成像支路視場的邊緣，偏場角度為0.91°。
[0022]兩個(gè)個(gè)支路共用共用主鏡、共用次鏡、三鏡和折轉(zhuǎn)鏡，其中可見光高分辨率成像支路、自適應(yīng)波前探測支路視場不同，可見光高分辨率成像支路對靠近軸上的軸外視場景物成像，自適應(yīng)波前探測支路利用與高分辨率成像支路靠近的軸外視場的兩個(gè)視場點(diǎn)成像?？梢姽饨t外高分辨率成像支路焦距為15m、全視場為2°、探測器為像元尺寸7 μ m/28 μ m的TDICXD ;自適應(yīng)波前探測支路采用的H)探測器使用與成像探測器相同的TDICXD。
[0023]來自可見光高分辨率成像支路的光束經(jīng)過共用主鏡1、共用次鏡2反射之后，透過共用主鏡通光孔到達(dá)折轉(zhuǎn)反射鏡3，經(jīng)其折轉(zhuǎn)后到達(dá)三鏡4和變形鏡5，折轉(zhuǎn)后到達(dá)可見光高分辨率成像支路焦面接收器件6 ;折轉(zhuǎn)反射鏡3和變形鏡5的法線位于光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)，與主光軸夾角分別為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°和60°?？梢姽飧叻直媛食上裰方姑娼邮掌骷?。
[0024]來自和自適應(yīng)波前探測支路的光束經(jīng)過共用主鏡1、共用次鏡2反射之后，透過共用主鏡通光孔到達(dá)折轉(zhuǎn)反射鏡3，經(jīng)其折轉(zhuǎn)后到達(dá)三鏡4和變形鏡5，折轉(zhuǎn)后到達(dá)自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件7 ;折轉(zhuǎn)反射鏡3和變形鏡5的法線位于光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)，與主光軸夾角分別為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°和60°。
[0025]可見光高分辨率成像支路焦面接收器件6和自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件7集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)部件上。
[0026]共用主鏡1、共用次鏡2的通光口徑為圓對稱面，共用主鏡開通光空為梯形腰空，前后表面上的開空為矩形；三鏡4和折轉(zhuǎn)反射鏡3和變形鏡5通光口徑為矩形。共用主鏡
1、共用次鏡2、折轉(zhuǎn)反射鏡3和變形鏡5、三鏡4的材料為碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英，反射面鍍有金屬高反射率反射膜。
[0027]光學(xué)系統(tǒng)的三鏡4固定于共用主鏡基板的背部固定在共用主鏡I基板背部，折轉(zhuǎn)反射鏡3和變形鏡5固定于同一支撐結(jié)構(gòu)上，其在子午面內(nèi)，與主光軸垂直且相交。
[0028]圖2給出了光學(xué)系統(tǒng)兩個(gè)通道的視場設(shè)置示意圖，可見光高分辨率成像支路的探測器為面陣器件；自適應(yīng)波前探測支路采用兩個(gè)或多個(gè)視場點(diǎn)，視場點(diǎn)位于可見光高分辨率成像支路的軸外附近，接收器件為小面陣器件。
[0029]可見光高分辨率成像支路焦面接收器件6為像元尺寸7 μπι/28 μπι的線陣多色TDICXD探測器；自適應(yīng)波前探測支路接收器件7為像元尺寸7 μ m/28 μπι的線陣多色TDICXD探測器；光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸為C 1300 X 2500mm3。
[0030]本實(shí)用新型說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括:共用主鏡(I)、共用次鏡(2)、折轉(zhuǎn)反射鏡(3)、三鏡(4)、變形鏡(5)、可見光高分辨率成像支路焦面接收器件(6)、自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件(7); 共用主鏡(I)和共用次鏡(2)同軸，并且共用主鏡(I)和共用次鏡(2)的光軸作為光學(xué)系統(tǒng)的主光軸；共用主鏡(I)上設(shè)有通光孔，可見光高分辨率成像支路與自適應(yīng)波前探測支路不共視場，可見光高分辨率成像支路利用靠近軸上的軸外視場，自適應(yīng)波前探測支路利用軸外視場；來自可見光高分辨率成像支路和自適應(yīng)波前探測支路的光束經(jīng)過共用主鏡(I)、共用次鏡(2)反射之后，透過共用主鏡通光孔到達(dá)折轉(zhuǎn)反射鏡(3)，經(jīng)其折轉(zhuǎn)后到達(dá)三鏡(4)，再經(jīng)三鏡(4)折轉(zhuǎn)后分別到達(dá)可見光高分辨率成像支路焦面接收器件(6)以及自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件(7)上成像； 折轉(zhuǎn)反射鏡(3)和變形鏡(5)的法線均位于光學(xué)系統(tǒng)子午面內(nèi)，且折轉(zhuǎn)反射鏡(3)的法線方向與主光軸夾角為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，變形鏡(5)的法線方向與主光軸夾角為沿光軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60° ;可見光高分辨率成像支路焦面接收器件(6)和自適應(yīng)波前探測支路焦面接收器件(7)集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)部件上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述的共用主鏡(I)、共用次鏡(2)、折轉(zhuǎn)反射鏡(3)、變形鏡(5)、三鏡(4)的材料均為碳化硅或微晶玻璃或熔石英，上述鏡子的反射面上均鍍有金屬高反射率反射膜。
【專利摘要】高分辨率相機(jī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，采用共用的共用主鏡、共用次鏡，三鏡、折轉(zhuǎn)反射鏡和不同的焦面器件，構(gòu)成兩個(gè)光學(xué)支路：可見光高分辨率成像支路、自適應(yīng)波前探測支路。兩個(gè)支路均對軸外視場景物成像，入射光線視場角不同；可見光高分辨率成像支路利用靠近軸上的軸外視場，自適應(yīng)波前探測支路利用與可見光高分辨率成像支路有一定間隔的軸外視場，可見光高分辨率成像支路與自適應(yīng)波前探測支路具有相對固定的波像差差值，通過在軌主動(dòng)矯正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軌波前探測、在軌控制運(yùn)算和在軌波前校正。本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)具有高分辨率、光機(jī)結(jié)構(gòu)集成度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，具有對大范圍地物的高分辨率成像、高精度高可靠性在軌實(shí)時(shí)波前探測和矯正功能。
【IPC分類】G02B17/06, G01C11/00
【公開號(hào)】CN204718596
【申請?zhí)枴緾N201520402282
【發(fā)明人】湯天瑾, 高衛(wèi)軍, 程少園
【申請人】北京空間機(jī)電研究所
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月11日