一种轻小型亿像素高分辨率空间相机

摘要

本发明一种轻小型亿像素高分辨率空间相机，包括一个离轴三反光学系统和垂直电荷转移探测器组件，所述的光学系统相对孔径在2～3之间，包括主镜、次镜、三镜，主镜是凹四次双曲面镜，次镜是凸二次双曲面镜，三镜是凹椭球面镜，所述的光学系统在视场内可见光波段调制传递函数在167lp/mm～250lp/mm的奈奎斯特频率下可以达到0.4以上；所述的垂直电荷转移探测器组件包括垂直电荷转移探测器及相应的信号处理电路，其中垂直电荷转移探测器的像素规模1亿，单个像元面积1μm2。本发明适用于可见光波段光学遥感对地成像。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间相机，更具体的说，它涉及一种可见光波段成像的小相对孔径、亿像素规模的轻小型高分辨率空间相机，属于空间光学遥感技术领域。

背景技术

目前，国内外可见光波段成像的空间相机上使用的探测器均为CCD或CMOS类型，其探测器单个像元的面积大于5×5μm²，对应的奈奎斯特频率小于125lp/mm，与之相应的光学系统往往采用大相对孔径，即大口径长焦距。若用CCD或CMOS实现亿像素规模高分辨率成像，则空间相机无法实现轻小型。垂直电荷转移探测器是我国自主研发的新型可见光探测器，其具有单个像元感光面积小，空间采样频率高的特点，为实现轻小型亿像素高分辨率的空间相机提供便利条件。

中国专利公开号CN103344334A，公开日2013年10月9号，发明创造的名称为基于有中间像离轴三反宽光谱多通道成像光学系统，该申请案公开了一种具有一次像的离轴三反系统，优点是结构形式简单紧凑，多光谱，谱段范围宽的优点。其不足之处是该系统只针对CCD器件，空间遥感器上使用的CCD器件的像元面积均大于7×7μm²，对应的奈奎斯特频率小于72lp/mm，并不适用于具有高奈奎斯特频率的垂直电荷转移探测器。

中国专利公开号CN201410086304.4，公开日2014年6月18日，发明创造名称为垂直电荷转移成像探测器像元合并方法，该申请案公开了三种针对垂直电荷转移成像探测器的像元合并方法，以提高该器件的信噪比和空间分辨率。其不足之处是并没有给出能够与该器件匹配的光学系统形式及结构。

到目前为止，尚未有针对探测器规模1亿且单个像元面积1μm²的垂直电荷转移探测器而设计的小相对孔径空间遥感成像系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种轻小型亿像素高分辨率空间相机，解决了传统可见光空间相机在高采样频率处像质不高的问题，使得相机实现在大于250lp/mm的采样频率时，整机传递函数大于0.1，同时有效的缩短相机体积、减少重量。

本发明的技术方案是：一种轻小型亿像素高分辨率空间相机，包括一个离轴三反光学系统和一个垂直电荷转移探测器组件；入射光线先经离轴三反光学系统聚集后，在垂直电荷转移探测器组件的焦平面上成像；所述的离轴三反光学系统由主镜、次镜、三镜组成，其中主镜是凹四次双曲面镜，次镜是凸二次双曲面镜，三镜是凹椭球面镜。

所述的主镜顶点曲率半径是939.74mm，二次非球面系数K₁＝-1.2433，四次非球面系统α₁＝-8.2×10^-11。

所述的次镜顶点曲率半径是299.03mm，二次非球面系数K2＝-6.005。

所述的三镜顶点曲率半径441.99mm，二次非球面系数K₃＝-0.0987。

所述的离轴三反相对孔径在2～3之间。

所述的垂直电荷转移探测器组件由垂直电荷转移探测器及信号处理电路组成，其中探测器像素规模1亿，单个像元的面积为1μm²。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的成像系统相对孔径小，意味着相同的口径下，相机具有更短的焦距，易于实现相机的轻小型化。同时小相对孔径的光学系统具有更高的衍射极限，可在高采样频率处获得高像质，光学系统可在奈奎斯特频率为167lp/mm～250lp/mm的情况下，全视场可见光波段调制传递函数值优于0.1。该系统充分发挥垂直电荷转移成像器件小像元尺寸、大像素规模的特点，在获取高分辨率图像的同时，获取大范围的观测面积。

(2)本发明的成像系统结构简洁紧凑，系统体积小，光路无遮拦，且光学系统选用反射镜片，没有透镜，不需要消除透射材料引起的色差。

(3)系统在次镜和三镜之间具有中间像，在中间像的位置可以放置机械快门，也可以放置滤光片或消杂光装置，进一步提高图像质量。

附图说明

图1为本发明组成结构示意图；

图2为本发明光学系统全视场可见光波段调制传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明按图1所示的结构实施，系统包括：主镜1、次镜2、三镜3和垂直电荷转移探测器组件4，考虑到镜片材料的热特性和加工难度等方面，各反射镜组件的光学材料选择零膨胀系数的微晶玻璃(ZERODUR)。垂直电荷转移探测器组件中探测器单个像元面积为1μm²，考虑到空间相机对探测器满阱电荷的要求，探测器使用时采用专利公开号CN201410086304.4中发明的像元合并方法，选用2×2binning的方式，即4个单像元合并为一个有效像元使用，有效像元尺寸为2×2μm²，对应的奈奎斯特频率为250lp/mm。

所述的主镜1是凹四次双曲面镜，其顶点曲率半径是939.74mm，二次非球面系数K₁＝-1.2433，四次非球面系统α₁＝-8.2×10^-11。次镜2是凸二次双曲面镜，其顶点曲率半径是299.03mm，二次非球面系数K2＝-6.005。三镜3是凹椭球面镜，其顶点曲率半径441.99mm，二次非球面系数K₃＝-0.0987。

所述的主镜1、次镜2、三镜3构成的具有中间像的离轴三反系统，焦距613mm，相对孔径2.5，在奈奎斯特频率250lp/mm处，如图2所示，光学系统调制传递函数可达0.4以上。

所述的系统视场可以达到1.1°×0.6°，通过主镜、次镜、三镜的离轴形式摆放，实现对光线的三次反射，使得光折叠，最终相机系统总长小于600mm，易于实现轻小型化。系统采用离轴形式，结构简单，且光路无遮拦，特别适用于空间遥感成像。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。