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文檔簡介

1、光學鏡頭數據庫在多光譜遙感成像中的應用 中科院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室 一、前言 二、遙感成像相機的光學系統(tǒng) 三、三反系統(tǒng)的性能和分類 ) 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 (3.2) 三反系統(tǒng)的分類三反系統(tǒng)的分類 (3.3) 小結小結 四、設計實例 五、結論 一、前 言 光學系統(tǒng)數據庫是中國科學數據庫的一個光學專業(yè)子庫,包括光學鏡頭數據庫和光學材料庫。 庫內存儲兩千多個國內外各類光學鏡頭的結構參數、性能參數和像質評價圖。 庫內除了包括照相、望遠、顯微、投影、變焦等經典的系統(tǒng)外,還包括激光光學系統(tǒng)、非共軸等特殊光學系統(tǒng)。 從空間觀測地球是空間資源利用的重要的內容之一,具有

2、明顯的社會、經濟效益,也是促進空間科學發(fā)展的動力源泉,而空間對地觀測的核心是遙感成像技術。 自20世紀60年代起,遙感成像技術正式成為空間應用的重要領域,受到各國政府和航天科技界的重視。 應用遙感成像技術每年能給人類帶來價值數十億美元的財富和好處。 遙感成像技術目前廣泛應用在商業(yè)衛(wèi)星、軍事偵察衛(wèi)星、航空攝影等領域。 發(fā)展遙感成像技術的關鍵是設計滿足需要的相機光學系統(tǒng)。 為了滿足廣大光學工作者的需要,我們的光學鏡頭數據庫中也同時增加了這方面的內容。 二、遙感成像相機的光學系統(tǒng) 進入90年代后,在空間對地遙感領域中,光學系統(tǒng)的要求是: 地面分辯力 高; 地面覆蓋 寬; 研制相機系統(tǒng)的首要任務是在滿

3、足上述條件下,使相機體積減小,重量減輕。 系統(tǒng)角分辨率 D為系統(tǒng)入瞳直徑 增大口徑對于提高空間光學系統(tǒng)的性能有利。但在研制長焦距或超長焦距光學系統(tǒng)時,較少采用大孔徑折射和折反系統(tǒng); D22.1 大口徑的折射系統(tǒng)和折反系統(tǒng)需采用特殊光學材料或復雜的結構來消二級光譜; 其次大尺寸、高光學均勻性的材料較難熔煉,對加工與裝調要求極高; 而且大口徑材料對環(huán)境溫度和壓力的變化也特別敏感,其使用范圍受到了限制;反射系統(tǒng)的特點反射系統(tǒng)的特點: 不存在色差,二級光譜也就不存在,因此可以用于很寬的譜段成像 ; 零件數相對較少,光學系統(tǒng)孔徑可以做得較大,且容易實現輕量化設計;使相機體積減小,整個光學系統(tǒng)的重量減輕

4、; 反射式光學系統(tǒng)對材料要求相對較低,取材容易。 設計型式非常靈活,可以借助折轉反射鏡來折疊光路,使結構緊湊; 可以用非球面來獲得大孔徑、大視場、長焦距等多種性能要求的系統(tǒng) ; 主要缺點是采用同軸系統(tǒng)存在遮攔,使用離軸系統(tǒng),加工和裝調工藝較難。 常用的兩鏡望遠系統(tǒng)最多能校正兩種初級像差(球差和彗差),其余幾種像差也需使用折射元件校正; 由三塊反射鏡組成的三反系統(tǒng),可以用來同時消除四種像差(球差、彗差、像散和畸變),不需使用折射元件,使用更具前景。 我們利用光學鏡頭數據庫收集到的數據和文獻,整理了可應用在多光譜遙感成像中的不同形式三反光學系統(tǒng); 并對這類系統(tǒng)進行了綜合分析和比較。 80年代末期,

5、美國CAI公司研制的CA-990長焦距遙感成像系統(tǒng),焦距,相對孔徑,縱向視場角0,采用類施密特形式。90年代初,美國ITEK公司開始研制遙感成像系統(tǒng),其中Eyeglass系統(tǒng),焦距,相對孔徑,視場角0,光學系統(tǒng)為R-C系統(tǒng)。另一商業(yè)性遙感成像系統(tǒng),采用了同軸三反系統(tǒng),其焦距10m,視場角10左右,相對孔徑1/16。美國IKONOS 系統(tǒng)焦距: 10m F數: 覆蓋寬度: 13Km 軌道高度: 681Km ( 1997年)美國新千年EO-1光學系統(tǒng)lF 數: l入瞳: l焦距: l視場: 1500三、三反系統(tǒng)的性能和分類 1. 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 2. 三反系統(tǒng)的分類方式三反系統(tǒng)的分類

6、方式 2.1. 按照結構的不同 2.2. 按光焦度分配 1. 三反系統(tǒng)的定義三反系統(tǒng)的定義 三反射式消像散系統(tǒng)(TMA)是近年來長焦距空間光學系統(tǒng)設計使用最多的類型之一,其結構簡單,僅由三塊反射鏡組成。 在焦距一定的條件下,三反系統(tǒng)有7個自由變數 ; 三反系統(tǒng)初始結構圖 次鏡相對于主鏡的遮攔比1,第三鏡相對于次鏡的遮攔比2,次鏡的放大倍率1, 第三鏡的放大倍率2,再加上三個面的非球面系數k1、k2、k3。 用其中4個參數可以消除S1、S2、S3、S4 ,同時剩下的3個參數安排系統(tǒng)的結構尺寸。2. 三反系統(tǒng)的分類三反系統(tǒng)的分類 按照結構的不同: 按照結構不同,可以分為同軸和離軸TMA兩類 ; 2

7、.1.1 同軸TMA: a. 有二次遮攔TMA; b. 無二次遮攔TMA; a) 共軸十字光路TMA b) 共軸偏視場TMA 優(yōu)缺點 第一種TMA,小折轉反射鏡位于中間像處,對此反射鏡質量要求高,但反射鏡尺寸小。在焦距為10m,相對孔徑1/10左右時,系統(tǒng)視場一般在3左右 。 第二種TMA,折轉反射鏡尺寸大,產生的二次遮攔也大。在焦距為10m,相對孔徑1/10左右時,系統(tǒng)視場一般在2左右。a)完全避免二次遮攔的 b)完全避免二次遮攔的 TMA型式之一 TMA型式之二 優(yōu) 缺 點 第一種TMA,折轉反射鏡位于次鏡和第三鏡之間,由于此系統(tǒng)的中間像是通過一平面反射鏡折轉,因而對此反射鏡的光學質量和固

8、定方式的要求較高。 第二種TMA,無折轉反射鏡,實現起來更容易。 2.1.2 無遮攔的TMAF圖2-4-6.Cook三片型離軸TMA系統(tǒng)型式。a) 孔徑離軸TMAb) 視場偏置TMA 第一種離軸TMA具有中間實像,可以放置雜光光欄,有利于抑制雜光;長焦距條件下,視場不大; 第二種離軸TMA,無中間成像;長焦距條件下,視場可以做的較大;優(yōu) 缺 點2.2. 按系統(tǒng)的光焦度分配分類 正負正分布的三反系統(tǒng) 負正正分布的三反系統(tǒng) (WALRUS型) 正負正分布 Rug-TMA Cook-TMA 優(yōu) 缺 點Rug-TMA: 有小的總長/焦距比(); 有中間實像和實出瞳,有利于抑制雜散光; 有小的反射鏡總面

9、積跟孔徑光束截面積比。 缺點是加工和裝調公差嚴于Cook-TMA。Cook-TMA: 總長/焦距之比約在1; 2.2 負正正分布成中間像WALRUS無成中間像WALRUS 對于有中間像的WALRUS,它的前兩塊反射鏡形成一個2的攝遠系統(tǒng),使得第三鏡的視場可以縮??; 這種結構可有很大視場(例如40以上); WALRUS型的第二鏡到第三鏡之間的距離相當大(典型值是34倍焦距)。 四、設計實例 系統(tǒng)光學參數: f=4000mm; 相對孔徑D/f=1/10 ; 視場角2w=30 表一 系統(tǒng)結構參數 Radius (mm) Distance (mm) Conic coefficient -1640.0 -1244.4 481.6 418.6 377.3 -

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