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大口径天基平台全谱段成像光学系统设计

李轶庭 付岳刚 王灵杰 张玉慧 刘铭鑫

李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0255
引用本文: 李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0255
LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0255
Citation: LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0255

大口径天基平台全谱段成像光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2020-0255
详细信息
    作者简介:

    李轶庭(1993—),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,2015年于长春理工大学学士学位,主要从事光学设计研究。Email:188437027@qq.com

    王灵杰(1979—),男,江苏人,硕士,副研究员,2002年于天津大学获得学士学位,2007年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获硕士学位,主要从事空间光电系统研究。E-mail:wanglingjie@126.com

Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform

  • 摘要: 针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难,信号采集处理时间长的问题,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点,提出采用压缩感知的大口径全谱段快照式光谱仪的方案。对其光学系统结构进行设计,并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统,用分色片对系统分光,经过对各系统优化处理,最终获得了幅宽为400 km◊400 km,可见光分地面像元分辨率为40 m,中波红外地面像元分辨率为400 m,长波红外地面像元为625 m的光学系统,设计结果MTF可见光路在78.125 lp/mm高于0.455,中波红外光路在33.3 lp/mm高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm高于0.498;系统光谱分辨率分别为可见光20 nm、中波红外50 nm、长波红外光150 nm;可见光路二级光谱小于0.05 mm,设计结果具有良好的成像质量,各部分光学系统成像质量接近衍射极限,设计结果满足应用和指标需求。
  • 图  1  压缩感知光谱成像系统原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of a compressive sensing spectral imaging system

    图  2  基于压缩感知的大口径全谱段光谱仪物理模型

    Figure  2.  Physical model of the visual and infrared large-aperture multispectral sensor based on compressive sensing

    图  3  光学系统结构图

    Figure  3.  Structure of the optical system

    图  4  物镜结构图

    Figure  4.  Structure of the objective lens

    图  5  可见光一次会聚光路

    Figure  5.  First converging lens of the visual part

    图  6  可见光准直及会聚光路

    Figure  6.  Collimating and Converging lens of the visual part

    图  7  500 nmMTF

    Figure  7.  MTF at 500 nm

    图  8  700 nmMTF

    Figure  8.  MTF at 700 nm

    图  9  900 nmMTF

    Figure  9.  MTF at 900 nm

    图  10  500 nm点列图

    Figure  10.  Spot diagram at 500 nm

    图  11  700 nm点列图

    Figure  11.  Spot diagram at 700 nm

    图  12  900 nm点列图

    Figure  12.  Spot diagram at 900 nm

    图  13  可见光路二级光谱

    Figure  13.  Secondary spectrum of the visual part

    图  14  不同视场下可见光路光谱分辨率

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    Figure  14.  Spectral resolution of the visible spectrum in different fields of view

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    图  15  可见光系统谱线弯曲示意图

    Figure  15.  Schematic diagram of spectral smile of the visual spectrum

    图  16  中波红外一次会聚光路

    Figure  16.  First converging lens of the MWIR part

    图  17  中波红外准直及会聚光路

    Figure  17.  Collimating and Converging lens of the MWIR part

    图  18  3500 nm MTF

    Figure  18.  MTF at 3500 nm

    图  19  3800 nm MTF

    Figure  19.  MTF at 3800 nm

    图  20  4100 nm MTF

    Figure  20.  MTF at 4100 nm

    图  21  3500 nm点列图

    Figure  21.  Spot diagram at 3500 nm

    图  22  中波红外3800点列图

    Figure  22.  Spot diagram at 3800 nm

    图  23  4100 nm点列图

    Figure  23.  Spot diagram at 4100 nm

    图  24  中波红外光谱分辨率

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    Figure  24.  Spectral resolution of the MWIR part in different fields of view

    a)ω=0.33° b)ω=0.2334° c)ω=0.2° d)ω=0°

    图  25  中波红外系统谱线弯曲示意图

    Figure  25.  Schematic diagram of the spectral smile of the MWIR part

    图  26  长波红外一次会聚光路

    Figure  26.  First converging lens of the LWIR part

    图  27  长波红外准直及会聚光路

    Figure  27.  Collimating and Converging lens of the LWIR part

    图  28  7700 nmMTF

    Figure  28.  MTF at 7700 nm

    图  29  8600 nmMTF

    Figure  29.  MTF at 8600 nm

    图  30  9500 nmMTF

    Figure  30.  MTF at 9500 nm

    图  31  7700 nm点列图

    Figure  31.  Spot diagram at 7700 nm

    图  32  长波红外8600 nm点列图

    Figure  32.  Spot diagram at 8600 nm

    图  33  长波红外9500 nm点列图

    Figure  33.  Spot diagram at 9500 nm

    图  34  不同视场下长波红外光路分辨率

    a)ω=0.26° b)ω=0.184° c)ω=0.140° d)ω=0°

    Figure  34.  Spectral resolution of the LWIR part from different fields of view

    a)ω=0.26° b)ω=0.184° c)ω=0.140° d)ω=0°

    图  35  长波红外系统谱线弯曲示意图

    Figure  35.  Schematic diagram of spectral smile of LWIR part

    表  3.1  光学系统设计要求

    可见光中波红外长波红外
    空间分辨率/m40400625
    幅宽/km400×400400×400320×320
    光谱分辨率/nm2050150
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    表  3.2  光学系统探测器参数

    可见光中波红外长波红外
    像元数10000×100001024×1024512×512
    像元尺寸/ μm6.4×6.415×1524×24
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    表  3.3  光学系统参数

    可见光中波红外长波红外
    系统孔径/mm700
    视场角2ω0.66×0.660.66×0.660.52×0.52
    系统焦距/mm450013501375
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    表  3.4  子系统参数

    可见光一次会聚光路/准直光路中波红外一次会聚光路/准直光路长波红外一次会聚光路/准直光路
    系统焦距/mm900/5341350/1371375/124
    光栅线对数lp/mm1705045
    下载: 导出CSV
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出版历程

大口径天基平台全谱段成像光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2020-0255
    作者简介:

    李轶庭(1993—),男,辽宁沈阳人,硕士研究生,2015年于长春理工大学学士学位,主要从事光学设计研究。Email:188437027@qq.com

    王灵杰(1979—),男,江苏人,硕士,副研究员,2002年于天津大学获得学士学位,2007年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获硕士学位,主要从事空间光电系统研究。E-mail:wanglingjie@126.com

摘要: 针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难,信号采集处理时间长的问题,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点,提出采用压缩感知的大口径全谱段快照式光谱仪的方案。对其光学系统结构进行设计,并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统,用分色片对系统分光,经过对各系统优化处理,最终获得了幅宽为400 km◊400 km,可见光分地面像元分辨率为40 m,中波红外地面像元分辨率为400 m,长波红外地面像元为625 m的光学系统,设计结果MTF可见光路在78.125 lp/mm高于0.455,中波红外光路在33.3 lp/mm高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm高于0.498;系统光谱分辨率分别为可见光20 nm、中波红外50 nm、长波红外光150 nm;可见光路二级光谱小于0.05 mm,设计结果具有良好的成像质量,各部分光学系统成像质量接近衍射极限,设计结果满足应用和指标需求。

English Abstract

李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0255
引用本文: 李轶庭, 付岳刚, 王灵杰, 张玉慧, 刘铭鑫. 大口径天基平台全谱段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0255
LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0255
Citation: LI Yi-ting, FU Yue-gang, WANG Ling-jie, ZHANG Yu-hui, LIU Ming-xin. Optical design of visual and infrared large-aperture imaging system based on a space-based platform[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0255
    • 地球静止轨道卫星成像光谱仪在气象观测,资源调查,环境监测等领域具有重大的应用价值。而覆盖可见光到长波红外的光谱仪器具有昼夜观测的技术优势[1]。地球静止轨道凝视型面阵成像光谱仪对其时间分辨率、空间分辨率和成像幅宽,遥感成像动态范围提出了更高的要求,以期获得更加丰富的目标层次及细节信息,以便对探测目标信息进行有效地获取及识别,由于卫星资源有限,大数据量会产生存储、传输及处理的困难。压缩感知技术以其先压缩再采样的特点,在现有信号传输水平下可以有效提高获取图像的效率,降低数据采集的压力。在此背景下,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点[2-5],结合压缩感知光谱成像技术,对全谱段成像光学系统进行分析,并对其光学系统进行设计。

    • 将压缩感知理论应用于光谱成像技术中,可以实现对光谱图像信息的压缩采集,解决了卫星数据存储、传输、处理的问题,其原理如图1所示。待测光经过物镜成像于离散编码模板上,离散编码模板将得到的二维信息调制准直后,由色散元件色散为光谱带,会聚后,探测器获取经过压缩后的二维离散光谱混叠信息,通过优化解混后即可高概率获得原始光谱信息,压缩感知成像光谱技术获得的采样数据量远小于传统成像光谱技术的数据量,可将将卫星信号数据量降低两个数量级[6-8]

      图  1  压缩感知光谱成像系统原理图

      Figure 1.  Schematic diagram of a compressive sensing spectral imaging system

      根据此模型提出本文的光学系统结构形式,根据光学系统全谱段的要求,需将系统分为可见光、中波红外、长波红外3个谱段光路分别进行设计[7],采用分色片分谱段,选择DMD作为离散编码模板,可见光所选DMD像元大小为7.6 μm,采用一个DMD像元与4个探测器像元大小进行匹配,中波红外光路所选DMD大小为7.6 μm,采用一个DMD像元与一个探测器像元大小匹配,长波红外光路所选DMD像元大小为10.8 μm,采用一个DMD像元与1个探测器像元大小进行匹配,DMD的开合角度为±12°,通过中继镜组的放大倍率匹配编码模板与探测器像元面积的不同,目前常用DMD的像元数受芯片工艺限制,无法与探测器实现完美的匹配,当探测器分辨率高于编码DMD的分辨率时,可通过对DMD像元进行灰度分级的办法,保证分级后的编码像元与探测器像元一一对应,即可保证系统的整体分辨率。由于DMD带来的额外像差可由像面倾斜进行补偿,基于DMD的目标模拟器应用于长波红外波段时,照明光束需要选取合适的入射角以减少DMD的衍射效应对系统成像对比度造成的影响[9-11]。整体光学系统的模型如图2所示,其由物镜,分光片,一次成像系统,准直系统,色散元件,DMD,以及光谱信息采集处理系统七部分组成,待测光经过物镜入射到分光系统进行波段选择,经成像系统成像于编码模板上,由准直系统准直为平行光,在色散元件表面色散为光谱带,经会聚系统会聚在探测器上。光学系统覆盖可见光、中波红外、长波红外,谱段较宽。根据压缩感知成像光谱系统模型,需对系统进行模块化设计、可降低整体设计的难度,在保证各模块的成像质量后,将各模块整合最终对整体进行设计[12-20]

      图  2  基于压缩感知的大口径全谱段光谱仪物理模型

      Figure 2.  Physical model of the visual and infrared large-aperture multispectral sensor based on compressive sensing

    • 本文光学系统分为3个谱段,各谱段设计要求如表3.1所示

      表 3.1  光学系统设计要求

      可见光中波红外长波红外
      空间分辨率/m40400625
      幅宽/km400×400400×400320×320
      光谱分辨率/nm2050150

      根据空间分辨率以及幅宽的要求,所选探测器参数如表3.2所示。

      表 3.2  光学系统探测器参数

      可见光中波红外长波红外
      像元数10000×100001024×1024512×512
      像元尺寸/ μm6.4×6.415×1524×24

      根据公式1对系统,焦距及视场角进行计算

      $$B=2H{\rm{tan}}\omega =\frac{LH}{f}$$ (1)

      其中H为卫星的轨道高度,B为相机的幅宽,L为像面的长度,a为像元尺寸大小,ω为半视场角,$f$为系统焦距。

      相机镜头孔径D的大小影响相机的分辨本领,调制传递函数(MTF),曝光量,信噪比和相机尺寸。相机孔径D的大小需考虑探测器的信噪比、噪声等效温差、噪声等效反射率差的要求。综合考虑后,光学系统孔径为700 mm。

      表 3.3  光学系统参数

      可见光中波红外长波红外
      系统孔径/mm700
      视场角2ω0.66×0.660.66×0.660.52×0.52
      系统焦距/mm450013501375

      物镜设计为同轴反射无焦系统,可以实现无色差设计以及卫星长时间凝视成像的轨道的震动补偿,其放大倍率为5x,要求系统遮拦比小于1/3。同时根据DMD像元大小与探测器像元大小计算不同光路准直光路的焦距,准直光路焦距与会聚光路焦距保持一致。选择光栅作为系统的色散元件,光栅的刻痕数直接决定系统的光谱分辨率。根据公式(2)(3)与各谱段会聚光路焦距计算光栅刻线数,如表3.4

      $$\delta \lambda =\frac{d\lambda }{d\theta }\Delta \theta =\frac{d{\rm{cos}}\theta }{m}\frac{\lambda }{Nd{\rm{cos}}\theta }=\frac{\lambda }{mN}$$ (2)
      $$\theta =2{\rm{arctan}}\frac{\delta }{2f}$$ (3)

      其中$\delta $为像元的大小,$\delta \lambda $为系统的光谱分辨率,各光学子系统参数如表3.3所示。

      表 3.4  子系统参数

      可见光一次会聚光路/准直光路中波红外一次会聚光路/准直光路长波红外一次会聚光路/准直光路
      系统焦距/mm900/5341350/1371375/124
      光栅线对数lp/mm1705045

      设计结果要求一次会聚系统,准直系统,会聚系统各部分像质良好,对于高分辨率的成像光谱仪系统,二级光谱的存在将严重影响最终的成像质量,二级光谱的色差大小与系统焦距成正比,因此对于长焦距的可见光路系统,需对其二级光谱进行优化及评价。由于系统空间维很大,必然存在谱线弯曲和色畸变,谱线弯曲是指不同波长弯曲图像与直线的偏离程度,色畸变是由光谱成像系统对不同波长的像放大率不同造成的,严重时,会影响成像质量,谱线弯曲过大还会降低系统的空间分辨率,为获得准确的多光谱图像,谱线弯曲以及色畸变需控制在1/2个像元以内。在中波、长波光路中选择制冷型红外探测器,因此需对进行冷光阑匹配。

    • 基于上述参数分别对3个谱段进行光学系统设计,其整体结构如图3所示。

      物镜选择以卡塞格林为基础的同轴三反无焦系统,在二镜,三镜中加入反射镜以折转光路,使系统紧凑,同时在主镜与三镜中引入高阶非球面在保证系统放大率和遮拦比的情况下,像质达到最佳。其设计结果如图4所示,其放大倍率为5x,遮拦比为0.185。

      图  3  光学系统结构图

      Figure 3.  Structure of the optical system

      图  4  物镜结构图

      Figure 4.  Structure of the objective lens

      对可见光、中波红外、长波红外系统整体要求结构紧凑,对各光路不同系统进行模块化设计[15-20],可以降低系统的设计难度。

      可见光路的优化中,约束一次会聚光路、准直光路、会聚光路焦距分别为900 mm、534 mm、534 mm,约束各镜片厚度以及系统整体长度,对于长焦距系统,对二级光谱的优化选择阿贝数相差较大、部分色散相同或相近的玻璃对其进行优化。采用棱镜-光栅结构作为可见光路的分光元件,补偿系统的谱线弯曲,通过真实光线的追迹控制系统的色畸变大小,利用像面倾斜的方式校正轴向色差并达到平谱面的目的,在对各模块优化后,对整体结构进行优化,优化结果可见光会聚光路各视场MTF在波长500 nm、700 nm、900 nm时,在78.125 lp/mm处分别高于0.674、0.562、0.455,点列斑83%以上位于艾里斑内,弥散斑半径最大分别为5.231 μm、4.694 μm、4.113 μm,小于一个探测器像元尺寸。在不同视场下光谱变化下20 nm可以清晰分辨,满足20 nm的光谱分辨率,其中不同颜色光斑分别代表900 nm、880 nm、720 nm、700 nm、520 nm、500 nm波长在光学系统的点列图大小,可以看出光学系统在各视场均满足20 nm的光谱分辨率,可见光系统的二级光谱小于0.05 mm,谱线弯曲很小,色畸变最大值为2.753 μm,小于1/2个像元大小,如图5~图15所示。

      图  5  可见光一次会聚光路

      Figure 5.  First converging lens of the visual part

      图  6  可见光准直及会聚光路

      Figure 6.  Collimating and Converging lens of the visual part

      图  7  500 nmMTF

      Figure 7.  MTF at 500 nm

      图  8  700 nmMTF

      Figure 8.  MTF at 700 nm

      图  9  900 nmMTF

      Figure 9.  MTF at 900 nm

      图  10  500 nm点列图

      Figure 10.  Spot diagram at 500 nm

      图  11  700 nm点列图

      Figure 11.  Spot diagram at 700 nm

      中波红外的优化中,约束一次会聚光路、准直光路、会聚光路焦距分别为270 mm、137 mm、137 mm,约束各镜片厚度以及系统整体长度,并对部分表面引入二次曲面以及高阶非球面,针对中波红外系统的谱线弯曲以及色畸变,采用离轴透镜的方式对其补偿,先优化得到一次成像未离轴时的光学系统,然后根据系统存在的谱线弯曲量,确定透镜的离轴量,最后适当改变透镜的半径完成谱线弯曲的校正,通过真实光线的追迹控制系统的色畸变大小,采用二次成像的方式对光学系统的冷光阑进行匹配,控制系统的焦距以及各视场的边缘光线出瞳像高对系统进行优化。优化后各模块成像质量良好、最终得到的中波红外光学系统在波长3500 nm、3800 nm、4100 nm处的MTF在33.3 lp/mm时分别高于0.607、0.566、0.518。弥散斑半径最大分别为5.419 μm、5.922 μm、6.678 μm。在不同视场下光谱变化50 nm时各波长点列图光斑可以清晰的分辨,其中不同颜色光斑分别代表4100 nm、4050 nm、3800 nm、3750 nm、3550 nm、3500 nm波长光学在光学系统的点列图大小,可以看出光学系统满足50 nm的光谱分辨率,谱线弯曲很小,色畸变最大值为5.48 μm,小于1/2个像元,如图16~图25所示。

      图  12  900 nm点列图

      Figure 12.  Spot diagram at 900 nm

      图  13  可见光路二级光谱

      Figure 13.  Secondary spectrum of the visual part

      图  14  不同视场下可见光路光谱分辨率

      Figure 14.  Spectral resolution of the visible spectrum in different fields of view

      图  15  可见光系统谱线弯曲示意图

      Figure 15.  Schematic diagram of spectral smile of the visual spectrum

      图  16  中波红外一次会聚光路

      Figure 16.  First converging lens of the MWIR part

      图  17  中波红外准直及会聚光路

      Figure 17.  Collimating and Converging lens of the MWIR part

      图  18  3500 nm MTF

      Figure 18.  MTF at 3500 nm

      图  19  3800 nm MTF

      Figure 19.  MTF at 3800 nm

      图  20  4100 nm MTF

      Figure 20.  MTF at 4100 nm

      图  21  3500 nm点列图

      Figure 21.  Spot diagram at 3500 nm

      长波红外的优化中,约束一次会聚光路、准直光路、会聚光路焦距分别为275 mm、126 mm、126 mm,约束各镜片厚度以及系统整体长度并对部分表面引入二次曲面以及高阶非球面,针对长波红外系统的谱线弯曲以及色畸变,与中波红外系统相似,采用离轴透镜的方式对其优化,通过真实光线的追迹控制系统的色畸变的大小,采用二次成像的方式对光学系统的冷光阑进行匹配,约束系统焦距以及各视场光线出瞳像高对系统进行优化。优化后各模块成像质量良好、最终得到的长波红外光学系统在波长7700 nm、8600 nm、9500 nm处的MTF在20.8 lp/mm时分别高于0.568、0.536、0.498。弥散斑半径最大分别为10.16 μm、4.007 μm、9.163 μm。在不同视场下光谱变化150 nm时各波长点列图光斑可以清晰的分辨,其中不同颜色光斑分别代表9500 nm、9350 nm、8600 nm、8450 nm、7850 nm、7700 nm波长光学在光学系统各视场的点列图大小,可以看出光学系统满足150 nm的光谱分辨率,谱线弯曲很小,色畸变最大值为9.35 μm,小于1/2个像元大小,如图26~图35所示。

      图  22  中波红外3800点列图

      Figure 22.  Spot diagram at 3800 nm

      图  23  4100 nm点列图

      Figure 23.  Spot diagram at 4100 nm

      图  24  中波红外光谱分辨率

      Figure 24.  Spectral resolution of the MWIR part in different fields of view

      图  25  中波红外系统谱线弯曲示意图

      Figure 25.  Schematic diagram of the spectral smile of the MWIR part

      图  26  长波红外一次会聚光路

      Figure 26.  First converging lens of the LWIR part

      图  27  长波红外准直及会聚光路

      Figure 27.  Collimating and Converging lens of the LWIR part

      图  28  7700 nmMTF

      Figure 28.  MTF at 7700 nm

      图  29  8600 nmMTF

      Figure 29.  MTF at 8600 nm

      图  30  9500 nmMTF

      Figure 30.  MTF at 9500 nm

      图  31  7700 nm点列图

      Figure 31.  Spot diagram at 7700 nm

      图  32  长波红外8600 nm点列图

      Figure 32.  Spot diagram at 8600 nm

      图  33  长波红外9500 nm点列图

      Figure 33.  Spot diagram at 9500 nm

      图  34  不同视场下长波红外光路分辨率

      Figure 34.  Spectral resolution of the LWIR part from different fields of view

      图  35  长波红外系统谱线弯曲示意图

      Figure 35.  Schematic diagram of spectral smile of LWIR part

    • 为了获取地球静止轨道的高动态光谱数据,设计了一种基于压缩感知的全谱段成像光学系统。该系统通过物镜无焦化设计以满足卫星轨道震动补偿的需求并使用分色片将光学系统谱段细化,以实现全谱段的探测,经过优化设计,系统结构紧凑,点列图能量集中于艾里斑,各部分MTF均接近衍射极限,像质良好,光谱分辨率分别为可见光20 nm、中波红外50 nm、长波红外150 nm。满足设计要求。

参考文献 (20)

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