光学镜头数据库在多光谱遥感 成像中的应用中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室 一、前言 二、遥感成像相机的光学系统 三、三反系统的性能和分类(3.1) 三反系统的定义(3.2) 三反系统的分类(3.3) 小结 四、设计实例 五、结论一、前 言 光学系统数据库是中国科学数据库的一 个光学专业子库，包括光学镜头数据库 和光学材料库。 库内存储两千多个国内外各类光学镜头 的结构参数、性能参数和像质评价图。 库内除了包括照相、望远、显微、投影 、变焦等经典的系统外，还包括激光光 学系统、非共轴等特殊光学系统。 从空间观测地球是空间资源利用的重要 的内容之一，具有明显的社会、经济效 益，也是促进空间科学发展的动力源泉 ，而空间对地观测的核心是遥感成像技 术。 自20世纪60年代起，遥感成像技术正式 成为空间应用的重要领域，受到各国政 府和航天科技界的重视。 应用遥感成像技术每年能给人类带来价 值数十亿美元的财富和好处。 遥感成像技术目前广泛应用在商业卫星 、军事侦察卫星、航空摄影等领域。 发展遥感成像技术的关键是设计满足需 要的相机光学系统。 为了满足广大光学工作者的需要，我们 的光学镜头数据库中也同时增加了这方 面的内容。 二、遥感成像相机的光学系统 进入90年代后，在空间对地遥感领域中，光 学系统的要求是：地面分辩力 高；地面覆盖 宽； 研制相机系统的首要任务是在满足上述条件 下，使相机体积减小，重量减轻。 系统角分辨率D为系统入瞳直径 增大口径对于提高空间光学系统的性能有 利。但在研制长焦距或超长焦距光学系统 时，较少采用大孔径折射和折反系统; 大口径的折射系统和折反系统需采用特 殊光学材料或复杂的结构来消二级光谱; 其次大尺寸、高光学均匀性的材料较难 熔炼，对加工与装调要求极高； 而且大口径材料对环境温度和压力的变 化也特别敏感，其使用范围受到了限制 ；反射系统的特点： 不存在色差，二级光谱也就不存在，因 此可以用于很宽的谱段成像 ; 零件数相对较少，光学系统孔径可以做 得较大，且容易实现轻量化设计；使相 机体积减小，整个光学系统的重量减轻 ; 反射式光学系统对材料要求相对较低， 取材容易。 设计型式非常灵活，可以借助折转反射 镜来折叠光路，使结构紧凑； 可以用非球面来获得大孔径、大视场、 长焦距等多种性能要求的系统 ; 主要缺点是采用同轴系统存在遮拦，使 用离轴系统，加工和装调工艺较难。 常用的两镜望远系统最多能校正两种初 级像差（球差和彗差），其余几种像差 也需使用折射元件校正； 由三块反射镜组成的三反系统，可以用 来同时消除四种像差（球差、彗差、像 散和畸变），不需使用折射元件，使用 更具前景。 我们利用光学镜头数据库收集到的数据 和文献，整理了可应用在多光谱遥感成 像中的不同形式三反光学系统； 并对这类系统进行了综合分析和比较。 80年代末期，美国CAI公司研制的CA-990长焦 距遥感成像系统，焦距2.8m，相对孔径1/5.6 ，纵向视场角2.340，采用类施密特形式。90年代初，美国ITEK公司开始研制遥感成像系统 ，其中Eyeglass系统，焦距5.6m，相对孔径 1/11.2，视场角1.20，光学系统为R-C系统。另一商业性遥感成像系统，采用了同轴三反 系统，其焦距10m，视场角10左右，相对孔径 1/16。美国IKONOS 系统焦距： 10m F数：f/14.3 覆盖宽度： 13Km 轨道高度：681Km（ 1997年）美国新千年EO-1光学系统lF 数： 7.5l入瞳： 12.5cml焦距： 0.94ml视场：150 x 1.2560三、三反系统的性能和分类 1. 三反系统的定义 2. 三反系统的分类方式 2.1. 按照结构的不同 2.2. 按光焦度分配 1. 三反系统的定义 三反射式消像散系统（TMA）是近年来长 焦距空间光学系统设计使用最多的类型 之一，其结构简单，仅由三块反射镜组 成。 在焦距一定的条件下，三反系统有7个自 由变数 ; 三反系统初始结构图 次镜相对于主镜的遮拦比1，第三镜相 对于次镜的遮拦比2，次镜的放大倍率 1， 第三镜的放大倍率2，再加上三个 面的非球面系数k1、k2、k3。 用其中4个参数可以消除S1、S2、S3、S4 ，同时剩下的3个参数安排系统的结构尺 寸。2. 三反系统的分类 2.1按照结构的不同： 按照结构不同，可以分为同轴和离轴TMA两 类 ；2.1.1 同轴TMA： a. 有二次遮拦TMA； b. 无二次遮拦TMA；a) 共轴十字光路TMA b) 共轴偏视场TMA 优缺点 第一种TMA，小折转反射镜位于中间像处 ，对此反射镜质量要求高，但反射镜尺寸 小。在焦距为10m，相对孔径1/10左右时 ，系统视场一般在3左右 。 第二种TMA，折转反射镜尺寸大，产生的 二次遮拦也大。在焦距为10m，相对孔径 1/10左右时，系统视场一般在2左右。a)完全避免二次遮拦的 b)完全避免二次遮拦的TMA型式之一 TMA型式之二 优 缺 点 第一种TMA，折转反射镜位于次镜和第三 镜之间，由于此系统的中间像是通过一 平面反射镜折转，因而对此反射镜的光 学质量和固定方式的要求较高。 第二种TMA，无折转反射镜，实现起来更 容易。 2.1.2 无遮拦的TMAa) 孔径离轴TMAb) 视场偏置TMA 第一种离轴TMA具有中间实像，可 以放置杂光光栏，有利于抑制杂光 ；长焦距条件下，视场不大； 第二种离轴TMA，无中间成像；长 焦距条件下，视场可以做的较大；优 缺 点2.2. 按系统的光焦度分配分类 正负正分布的三反系统 负正正分布的三反系统（WALRUS型） 正负正分布 Rug-TMA Cook-TMA 优 缺 点Rug-TMA: 有小的总长/焦距比（0.25）； 有中间实像和实出瞳，有利于抑制杂散光 ； 有小的反射镜总面积跟孔径光束截面积比 。 缺点是加工和装调公差严于Cook-TMA。 Cook-TMA: 总长/焦距之比约在0.51； 2.2 负正正分布成中间像 WALRUS无成中间像 WALRUS 对于有中间像的WALRUS，它的前两块 反射镜形成一个2的摄远系统，使得第 三镜的视场可以缩小0.5； 这种结构可有很大视场（例如40以上） ； WALRUS型的第二镜到第三镜之间的距 离相当大（典型值是34倍焦距）。 四、设计实例 系统光学参数： f=4000mm； 相对孔径D/f=1/10 ； 视场角2w=30 表一 系统结构参数 Radius (mm) Distance (mm) Conic coefficient -1640.0 -1244.4 -0.6481.6 418.6 -0.1377.3 - 513.1 -3.5系统结构图 能量分布图 系统传函曲线图五、 结论 光学系统数据库基本上包括了研制各类 光学仪器所需的光学镜头数据和光学材 料数据，可为各类光学系统设计、分析 和像质评价提供较完整的配套技术。 本文讨论的三反系统（TMA）在空间多 光谱遥感成像中的应用是其中的一部分 内容。 谢 谢！