本實(shí)用新型涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種適用于大動(dòng)態(tài)范圍近半球視場恒定分辨率多光譜光學(xué)系統(tǒng)。主要用于高分辨率機(jī)載/星載對(duì)地觀測，也可用于城市安全監(jiān)控、國土普查等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高分辨率對(duì)地觀測技術(shù)能夠利用衛(wèi)星或者飛機(jī)等平臺(tái)攜帶各類成像傳感器，獲取地球表面自然與社會(huì)的各類景觀信息，滿足各類應(yīng)用需求。高分辨率對(duì)地觀測，其目的在于研究生存的地球空間環(huán)境及其運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，為人類開發(fā)地球資源、保護(hù)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)；直接支持各類土木工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量監(jiān)理和運(yùn)行管理，以及礦業(yè)、電力、林業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)過程的定量檢測與精確定位實(shí)施；除此之外，對(duì)地觀測技術(shù)還可以為民眾生活提供各種基于位置的服務(wù)。一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率決定了其捕獲的圖像的視覺保真度，對(duì)應(yīng)對(duì)地觀測任務(wù)的多樣化和高技術(shù)化要求，對(duì)地觀測系統(tǒng)正朝著寬視場、大動(dòng)態(tài)范圍、小畸變、遠(yuǎn)距離、寬光譜、高精度、輕小型化等方向發(fā)展。

然而在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)研制過程中，寬視場和高分辨率是互為矛盾的，這增加了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工難度。從實(shí)際需求出發(fā)，人們總是希望盡可能的獲取足夠多的信息。目前，近半球視場成像的系統(tǒng)主要有魚眼透鏡超半球凝視成像系統(tǒng)和環(huán)帶凝視全景成像系統(tǒng)，存在視場盲區(qū)或圖像畸變、全視場相對(duì)照度不均勻和軸上軸外分辨率不同的問題，而且受焦距較短的影響分辨率一般不高。目前所采用的較多的高分辨率光學(xué)系統(tǒng)以折反式或者全反射式為主，折反射式系統(tǒng)和同軸全反射系統(tǒng)的視場一般很小，全視場很難超過10°；離軸反射系統(tǒng)可以在一個(gè)成像方向上實(shí)現(xiàn)一個(gè)很寬(超過50°)的視場，在另一個(gè)方向上只有非常窄的視場，但是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裝調(diào)都很困難。因此，新型寬視場、小畸變、高分辨率的輕型光學(xué)成像系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的球鏡容易獲得較大視場、較小幾何畸變、均勻的相對(duì)照度和軸上軸外均勻的分辨率。文獻(xiàn)S.Rim，P.Catrysse，R.Dinyari，K.Huang， and P.Peumans，"The optical advantages of curved focal plane arrays，"in Proc.SPIE5678，48-58(2005)提出用一個(gè)包含球透鏡和曲面探測器的衍射受限相機(jī)；加利福尼亞大學(xué)的Luneburg在Mathematical Theory of Optics期刊中提出采用變折射率的單心系統(tǒng)來進(jìn)行像差校正；文獻(xiàn)G.Krishnan and S.Nayar，"Towards a true spherical camera，"Proc.SPIE 7240，724002(2009)提出同時(shí)利用球透鏡和球面探測器實(shí)現(xiàn)大視場成像。這類系統(tǒng)缺陷在于只采用單心球鏡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)存在較大球差和色差，且其像面為球面，受限于目前曲面探測器的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)球形像面的困難較大。2010年美國杜克大學(xué)D.J.Brady等人，在美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局DARPA規(guī)劃部署的AWARE(Advanced Wide FOV Architectures for Image Reconstruction and Exploitation)項(xiàng)目支持下，提出一種名為Gigagon的改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用排列于球鏡像面上的平面探測器陣列成像；并于2012年研制出名為AWARE-2的二十億超高像素相機(jī)。該相機(jī)由一個(gè)直徑為60mm的單心球透鏡和環(huán)繞其外球面的200多個(gè)微型相機(jī)構(gòu)成，每臺(tái)微型相機(jī)裝有型號(hào)為Aptina MT9F002的14M像素CMOS傳感器，能夠同時(shí)獲得120°×50°寬視場和38μrad瞬時(shí)視場，滿足寬視場、高分辨率、多波段目標(biāo)識(shí)別和日/夜的全天候監(jiān)測能力的需求。該方案采用二次成像方式，中心球透鏡實(shí)現(xiàn)小視場范圍內(nèi)的高成像質(zhì)量，之后再用中繼系統(tǒng)成像。缺點(diǎn)在于小相機(jī)的數(shù)量很多，對(duì)于加工、制造、裝調(diào)都是很大的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)也有單位做過這些方面的研究。2012年北京空間機(jī)電研究所申請的專利號(hào)為103064171A的專利《一種新型高分辨率大視場光學(xué)成像系統(tǒng)》中采用了同心球透鏡加校正鏡的方案，沒有采用二次成像方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單。但在方案中存在一個(gè)問題，光闌設(shè)置在球透鏡的中心，導(dǎo)致大視場的光線會(huì)產(chǎn)生光瞳像差，直接使得像面照度變低同時(shí)探測截止頻率降低，使得不同視場的探測能力不同，就這一點(diǎn)而言已經(jīng)失去了球透鏡的對(duì)稱優(yōu)勢，同時(shí)對(duì)于后期制造的雜光抑制也很難。2013年蘇州大學(xué)申請的專利號(hào)為203838419U的專利《用于大規(guī)模高分辨率遙感相機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)》采用的系統(tǒng)類似于美國AWARE-2的相機(jī)，采用二次成像系統(tǒng)，會(huì)面臨AWARE-2相機(jī)同樣的問題，單個(gè)相機(jī)視場很小，微相機(jī)數(shù)目很多；并且此方案中同樣在球透鏡中心放置光闌，也會(huì)面北京空間機(jī)電研究所方案的問題，這一點(diǎn)在專利提供的MTF曲線中也可以看到。 2014年蘇州大學(xué)申請的專利號(hào)為204188263U的專利《一種大視場凝視式光譜成像系統(tǒng)》中基本上采用了之前專利中的方案，但是解決了2013年方案中光闌位置的問題；同時(shí)加入了分光元件實(shí)現(xiàn)光譜成像，使得系統(tǒng)更為復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)后期裝調(diào)尤為不利；同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的工作波段很窄，僅為0.48-0.65μm，并不能覆蓋航天相機(jī)通常所采用的可見光多光譜(0.45-0.9μm)波段。2014年西安電子科技大學(xué)申請的專利號(hào)為104079808A的專利《超高分辨率寬場成像系統(tǒng)》中，采用的方案比較簡單，但其傳遞函數(shù)中各視場的成像質(zhì)量不一致，同時(shí)傳遞函數(shù)曲線中顯示的全視場為9.2°(MTF曲線中給出的最大的半視場為4.6°)，與專利申請書中所說的16.545°有出入。同時(shí)上面所有的專利中所提到的系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了全視場一致的成像質(zhì)量，但是都沒能實(shí)現(xiàn)全視場恒定地元分辨率這一點(diǎn)，而這一點(diǎn)對(duì)于星載/機(jī)載對(duì)地探測相機(jī)非常重要。其主要原因在于當(dāng)相機(jī)的視場達(dá)到120°時(shí)，中心視場與邊緣視場的目標(biāo)到相機(jī)的距離的差距可能會(huì)達(dá)到2-3倍，而整個(gè)相機(jī)的焦距對(duì)于全視場是個(gè)定值，這樣會(huì)導(dǎo)致中心視場與邊緣視場的地元分辨率差距很大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決技術(shù)背景中存在的技術(shù)問題，使光學(xué)系統(tǒng)具有成像質(zhì)量高、成像視場大、工作譜段寬(可實(shí)現(xiàn)可見光多光譜成像)、全視場恒定地元分辨率、可以實(shí)現(xiàn)輕量化的特點(diǎn)，本實(shí)用新型提出了一種適用于大動(dòng)態(tài)范圍近半球視場恒定分辨率多光譜光學(xué)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：

一種適用于大動(dòng)態(tài)范圍近半球視場恒定分辨率多光譜光學(xué)系統(tǒng)，其特別之處在于：沿光線入射方向依次包括一個(gè)同心球透鏡、多個(gè)光闌和與多個(gè)光闌一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)成像微透鏡，多個(gè)光闌及對(duì)應(yīng)的成像微透鏡呈扇形分布在同心球透鏡的出光處，且位于與該同心球透鏡同心的兩個(gè)不同球面上；每個(gè)成像微透鏡和對(duì)應(yīng)的光闌構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的成像通道；

所述多個(gè)成像微透鏡包括多個(gè)短焦校正鏡、多個(gè)中焦校正鏡和多個(gè)長焦校正鏡，所述多個(gè)成像微透鏡對(duì)于不同的視場采用不同焦距的校正鏡組校正像差，以保證恒定地元高分辨率。

結(jié)合推掃的成像模式，整個(gè)系統(tǒng)的成像微透鏡僅在垂直于推掃方向上排列。

上述同心球透鏡由六片同心設(shè)置的透鏡組成，沿光線入射方向依次為：第一負(fù)透鏡，第二負(fù)透鏡，第一正透鏡，第二正透鏡，第三負(fù)透鏡和第四負(fù)透鏡；各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-4f’₁<f’₁₁<-3f’₁，1.4<n₁₁<1.6，0.5f’₁<R₁<f’₁，0.2f’₁<R₂<0.6f’₁；第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-f’₁<f’₁₂<-0.5f’₁，1.5<n₁₂<1.8，0.2f’₁<R₃<0.6f’₁，0.1f’₁<R₄<0.5f’₁；第一正透鏡的光學(xué)特性為：0.5f’₁<f’₁₃<f’₁，1.4<n₁₃<1.6，0.1f’₁<R₅<0.5f’₁，f’₁<R₆；第二正透鏡的光學(xué)特性為：0.5f’₁<f’₁₄<f’₁，1.4<n₁₄<1.6，f’₁<R₇，-0.5f’₁<R₈<-0.1f’₁；第三負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-2f’₁<f’₁₅<-f’₁，1.5<n₁₅<1.8，-0.5f’₁<R₉<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₀<-0.1f’₁；上述第四負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-4f’₁<f’₁₆<-3f’₁，1.5<n₁₆<1.8，-0.5f’₁<R₁₁<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₂<-0.1f’₁；其中，f’₁為同心球透鏡的焦距，f’₁>0；f’₁₁、f’₁₂、f’₁₃、f’₁₄、f’₁₅、f’₁₆依次為組成同心球透鏡的六片透鏡的焦距，n₁₁、n₁₂、n₁₃、n₁₄、n₁₅、n₁₆依次為組成同心球透鏡的六片透鏡所采用的玻璃折射率；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次為六片透鏡所對(duì)應(yīng)的12個(gè)曲率半徑。

上述短焦校正鏡由四片透鏡組成，沿光路依次為：第一正透鏡，第一負(fù)透鏡，第二負(fù)透鏡，第二正透鏡；各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；上述第一正透鏡的光學(xué)特性為：0<f’₂₁<f’₂,1.4<n₂₁<1.6,0<R₂₁<0.1f’₂,-0.2f’₂<R₂₂<0；上述第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：f’₂₂<-10f’₂,1.5<n₂₂<1.8,-0.1f’₂<R₂₃<0,-0.1f’₂<R₂₄<0；上述第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-f’₂<f’₂₃<0,1.5<n₂₃<1.8,-0.1f’₂<R₂₅<0,0<R₂₆<0.1f’₂；上述第二正透鏡的光學(xué)特性為：0.3f’₂<f’₂₄<f’₂,1.4<n₂₄<1.6,0.2f’₂<R₂₇<f’₂,-3f’₂<R₂₈<-2f’₂；其中，f’₂為短焦校正鏡的焦距，f’₂>0，f’₂₁、f’₂₂、f’₂₃、f’₂₄依次為組成短焦校正鏡的四片透鏡的焦距，n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄依次為組成短焦校正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

上述中焦校正鏡由四片透鏡組成，沿光路依次為：第一正透鏡，第二正透鏡，第一負(fù)透鏡，第三正透鏡；各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；其中第一正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₃<f’₃₁<-0.5f’₃，1.4<n₃₁<1.6，-0.2f’₃<R₃₁<-0.3f’₃，0.3f’₃<R₃₂<0.2f’₃；第二正透鏡的光學(xué)特性為：-0.3f’₃<f’₃₂<-0.6f’₃，1.4<n₃₂<1.65，0.2f’₃<R₃₃<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₄<0.05f’₃；第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.3f’₃<f’₃₃<0.1f’₃，1.4<n₃₃<1.6，0.2f’₃<R₃₅<0.05f’₃，-0.1f’₃<R₃₆<-0.2f’₃；第三正透鏡的光學(xué)特性為： -2f’₃<f’₃₄<-3f’₃，1.4<n₃₄<1.6，0.1f’₃<R₃₇<0.2f’₃，0.1f’₃<R₃₈<0.2f’₃；其中，f’₃為中焦校正鏡的焦距，f’₃<0；f’₃₁、f’₃₂、f’₃₃、f’₃₄依次為組成中焦校正鏡的四片透鏡的焦距，n₃₁、n₃₂、n₃₃、n₃₄依次為組成中焦正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、R₃₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

上述長焦校正鏡由四片透鏡組成，沿光路依次為：第一正透鏡，第一負(fù)透鏡，第二負(fù)透鏡，第二正透鏡；其中第一正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₄<f’₄₁<-0.5f’₄，1.4<n₄₁<1.6，-0.5f’₄<R₄₁<-2f’₄，0.3f’₄<R₄₂<0.1f’₄；第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.2f’₄<f’₄₂<0.1f’₄，1.4<n₄₂<1.65，0.3f’₄<R₄₃<0.1f’₄，-0.3f’₄<R₄₄<-0.6f’₄；第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.6f’₄<f’₄₃<0.2f’₄，1.4<n₄₃<1.65，0.2f’₄<R₄₅<0.1f’₄，-0.5f’₄<R₄₆<-f’₄；第二正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₄<f’₄₄<-0.4f’₄，1.4<n₄₄<1.6，2f’₄<R₄₇<f’₄，0.4f’₄<R₄₈<0.1f’₄；其中，f’₄為長焦校正鏡的焦距，f’₄<0；f’₄₁、f’₄₂、f’₄₃、f’₄₄依次為組成長校正鏡的四片透鏡的焦距，n₄₁、n₄₂、n₄₃、n₄₄依次為組成長焦校正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₄₁、R₄₂、R₄₃、R₄₄、R₄₅、R₄₆、R₄₇、R₄₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

優(yōu)選的，上述的短焦校正鏡、中焦校正鏡和長焦校正鏡具有相同的相對(duì)孔徑，保證各視場成像質(zhì)量的一致性。

上述的同心球透鏡和成像微透鏡之間的距離為光學(xué)系統(tǒng)焦距的一半，以保證排布足夠多的成像微透鏡且各個(gè)微透鏡之間不會(huì)相互干涉。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1.把光闌設(shè)置在球透鏡與校正鏡之間，充分利用同心球透鏡全視場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)特性；

2.光闌放置在球透鏡的外面，有利于對(duì)每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)的成像通道單獨(dú)抑制雜光；

3.每個(gè)成像通道的成像光束被有效分開，避免了局部強(qiáng)光源對(duì)全部視場的干擾，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的成像探測；

4.采用同心球透鏡加上各個(gè)校正鏡組實(shí)現(xiàn)在整個(gè)視場上接近衍射極限的成像質(zhì)量；

5.光學(xué)系統(tǒng)的有效視場理論上可以接近180°，結(jié)合推掃的成像模式可以獲得極大的成像幅寬；

6.在接近180°的全視場范圍內(nèi)，所有視場的畸變小于0.02％；

7.成像譜段覆蓋0.45-0.9μm，覆蓋了常用的可見光多光譜譜段(0.45-0.52μm,0.52-0.59μm,0.63-0.69μm，0.77-0.89μm)，選擇合理的成像器件就可以實(shí)現(xiàn)全色與多光譜成像；

8.為了實(shí)現(xiàn)不同視場內(nèi)的恒定地元分辨率，對(duì)于不同的視場采用三種的校正鏡組校正像差，在同一個(gè)球透鏡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)短焦、中焦和長焦來保證恒定地元高分辨率；同時(shí)短、中焦和長焦系統(tǒng)具有相同的相對(duì)孔徑F#，從而進(jìn)一步保證了各個(gè)視場成像質(zhì)量的一致性；

9.結(jié)合推掃的成像模式，整個(gè)系統(tǒng)的成像微透鏡僅排列在垂直于推掃方向上，相對(duì)于面陣成像可以極大的減少相機(jī)的數(shù)量；同時(shí)可以對(duì)整個(gè)球透鏡進(jìn)行切割(切割之后留下的為環(huán)形透鏡)僅保留所需要的部分，可以加大的減少相機(jī)的體積和質(zhì)量；

10.短焦、中焦和長焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)光學(xué)總長足夠長，可以保證在像面上排布足夠多的相機(jī)且各個(gè)相機(jī)之間不會(huì)相互干涉；球透鏡與校正鏡組之間距離足夠長，這一點(diǎn)對(duì)于后期的雜光抑制是有好處的；同時(shí)組成校正鏡組的鏡片排布很緊密，對(duì)于系統(tǒng)裝調(diào)都非常有利；

11.同心球透鏡的第一負(fù)透鏡采用融石英JGSl材料，適應(yīng)惡劣環(huán)境，避免由于熱沖擊，輻照等因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

附圖說明

圖1a為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1b為本實(shí)用新型短焦校正鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1c為本實(shí)用新型中焦校正鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1d為本實(shí)用新型長焦校正鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a、圖2b和圖2c分別為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦及長焦對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3d、圖3e和圖3f分別為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦及長焦對(duì)應(yīng)的MTF曲線；

圖4g、圖4h和圖4i分別為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦及長焦的彌散斑圖；

圖5j、圖5k和圖5l分別為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦及長焦的場曲和畸變曲線；

圖中附圖標(biāo)記為：1-同心球透鏡，11-同心球透鏡的第一負(fù)透鏡，12-同心球透鏡的第二負(fù)透鏡，13-同心球透鏡的第一正透鏡，14-同心球透鏡的第二正透鏡，15-同心球透鏡的第三負(fù)透鏡，16-同心球透鏡的第四負(fù)透鏡；2-短焦校正鏡，3-中焦校正鏡，4-長焦校正鏡；21-短焦校正鏡的光闌，22-短焦校正鏡的第一正透鏡，23-短焦校正鏡的第一負(fù)透鏡，24-短焦校正鏡的第二負(fù)透鏡，25-短焦校正鏡的第二正透鏡；31-中焦校正鏡的光闌，32-中焦校正鏡的第一正透鏡，33-中焦校正鏡的第二正透鏡，34-中焦校正鏡的第一負(fù)透鏡，35-中焦校正鏡的第正透鏡；41-長焦校正鏡的光闌、42-長焦校正鏡的第一正透鏡、43-長焦校正鏡的第一負(fù)透鏡、44-長焦校正鏡的第二負(fù)透鏡、45-長焦校正鏡的第二正透鏡。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述。

如圖1所示，為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，在光學(xué)路徑上放置同心球透鏡1，該同心球透鏡1由六片同心透鏡組成，沿光線入射方向依次為：同心球透鏡的第一負(fù)透鏡11，同心球透鏡的第二負(fù)透鏡12，同心球透鏡的第一正透鏡13，同心球透鏡的第二正透鏡14，同心球透鏡的第三負(fù)透鏡15和同心球透鏡的第四負(fù)透鏡16；為了避免由于熱沖擊、輻照等因素對(duì)系統(tǒng)的影響；同心球透鏡的第一負(fù)透鏡采用融石英JGSl材料；

同心球透鏡1的第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-4f’₁<f’₁₁<-3f’₁，1.4<n₁₁<1.6，0.5f’₁<R₁<f’₁，0.2f’₁<R₂<0.6f’₁；同心球透鏡的第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-f’₁<f’₁₂<-0.5f’₁，1.5<n₁₂<1.8，0.2f’₁<R₃<0.6f’₁，0.1f’₁<R₄<0.5f’₁；同心球透鏡的第一正透鏡的光學(xué)特性為：0.5f’₁<f’₁₃<f’₁，1.4<n₁₃<1.6，0.1f’₁<R₅<0.5f’₁，f’₁<R₆；同心球透鏡的第二正透鏡的光學(xué)特性為：0.5f’₁<f’₁₄<f’₁，1.4<n₁₄<1.6，f’₁<R₇，-0.5f’₁<R₈<-0.1f’₁；同心球透鏡的第三負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-2f’₁<f’₁₅<-f’₁，1.5<n₁₅<1.8，-0.5f’₁<R₉<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₀<-0.1f’₁；同心球透鏡的第四負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-4f’₁<f’₁₆<-3f’₁，1.5<n₁₆<1.8，-0.5f’₁<R₁₁<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₂<-0.1f’₁；其中，f’₁為同心球透鏡的焦距，f’₁>0；f’₁₁、f’₁₂、f’₁₃、f’₁₄、f’₁₅、f’₁₆依次為組成同心球透鏡的六片透鏡的焦距，n₁₁、n₁₂、n₁₃、n₁₄、n₁₅、n₁₆依次為組成同心球透鏡的六 片透鏡所采用的玻璃折射率；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次為六片透鏡所對(duì)應(yīng)的12個(gè)曲率半徑。

為了對(duì)每個(gè)校正鏡組對(duì)應(yīng)的成像通道單獨(dú)抑制雜光，且充分利用同心球透鏡1全視場旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)特性，在過同心球透鏡1球心的軸上對(duì)應(yīng)位置依次放置光闌以及對(duì)應(yīng)光闌的成像微透鏡系統(tǒng)；每個(gè)成像通道的成像光束被有效分開，避免了局部強(qiáng)光源對(duì)全部視場的干擾，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的成像探測。結(jié)合推掃的成像模式，整個(gè)系統(tǒng)的成像微透鏡僅排列在垂直于推掃方向上，相對(duì)于面陣成像可以極大的減少相機(jī)的數(shù)量；同時(shí)可以對(duì)整個(gè)球透鏡進(jìn)行切割僅保留所需要的部分，可以大大的減少相機(jī)的體積和質(zhì)量。

成像微透鏡系統(tǒng)包括短焦校正鏡2、中焦校正鏡3和長焦校正鏡4；如圖2所示分別單獨(dú)給出了本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦及長焦對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，短焦校正鏡2采用四片透鏡組成，如圖1b所示，沿光線入射方向依次為：短焦校正鏡的第一正透鏡22，短焦校正鏡的第一負(fù)透鏡23，短焦校正鏡的第二負(fù)透鏡24，短焦校正鏡的第二正透鏡25；各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；上述短焦校正鏡的第一正透鏡的光學(xué)特性為：0<f’₂₁<f’₂,1.4<n₂₁<1.6,0<R₂₁<0.1f’₂,-0.2f’₂<R₂₂<0；上述短焦校正鏡的第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：f’₂₂<-10f’₂,1.5<n₂₂<1.8,-0.1f’₂<R₂₃<0,-0.1f’₂<R₂₄<0；上述短焦校正鏡的第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：-f’₂<f’₂₃<0,1.5<n₂₃<1.8,-0.1f’₂<R₂₅<0,0<R₂₆<0.1f’₂；上述短焦校正鏡的第二正透鏡的光學(xué)特性為：0.3f’₂<f’₂₄<f’₂,1.4<n₂₄<1.6,0.2f’₂<R₂₇<f’₂,-3f’₂<R₂₈<-2f’₂；其中，f’₂為短焦校正鏡的焦距(f’₂>0)，f’₂₁、f’₂₂、f’₂₃、f’₂₄依次為組成短焦校正鏡的四片透鏡的焦距，n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄依次為組成短焦校正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

中焦校正鏡3采用四片透鏡組成，如圖1c所示，沿光線入射方向依次為：中焦校正鏡的第一正透鏡32，中焦校正鏡的第二正透鏡33，中焦校正鏡的第一負(fù)透鏡34，中焦校正鏡的第三正透鏡35；各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；其中中焦校正鏡的第一正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₃<f’₃₁<-0.5f’₃，1.4<n₃₁<1.6，-0.2f’₃<R₃₁<-0.3f’₃，0.3f’₃<R₃₂<0.2f’₃；中焦校正鏡的第二正透鏡的光學(xué)特性為： -0.3f’₃<f’₃₂<-0.6f’₃，1.4<n₃₂<1.65，0.2f’₃<R₃₃<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₄<0.05f’₃；中焦校正鏡的第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.3f’₃<f’₃₃<0.1f’₃，1.4<n₃₃<1.6，0.2f’₃<R₃₅<0.05f’₃，-0.1f’₃<R₃₆<-0.2f’₃；中焦校正鏡的第三正透鏡的光學(xué)特性為：-2f’₃<f’₃₄<-3f’₃，1.4<n₃₄<1.6，0.1f’₃<R₃₇<0.2f’₃，0.1f’₃<R₃₈<0.2f’₃；其中，f’₃為中焦校正鏡的焦距，f’₃<0；f’₃₁、f’₃₂、f’₃₃、f’₃₄依次為組成中焦校正鏡的四片透鏡的焦距，n₃₁、n₃₂、n₃₃、n₃₄依次為組成中焦正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、R₃₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

長焦校正鏡4采用四片透鏡組成，如圖1d所示，沿光線入射方向依次為：長焦校正鏡的第一正透鏡42，長焦校正鏡的第一負(fù)透鏡43，長焦校正鏡的第二負(fù)透鏡44，長焦校正鏡的第二正透鏡45。各透鏡之間通過膠合的形式結(jié)合在一起；其中長焦校正鏡的第一正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₄<f’₄₁<-0.5f’₄，1.4<n₄₁<1.6，-0.5f’₄<R₄₁<-2f’₄，0.3f’₄<R₄₂<0.1f’₄；長焦校正鏡的第一負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.2f’₄<f’₄₂<0.1f’₄，1.4<n₄₂<1.65，0.3f’₄<R₄₃<0.1f’₄，-0.3f’₄<R₄₄<-0.6f’₄；長焦校正鏡的第二負(fù)透鏡的光學(xué)特性為：0.6f’₄<f’₄₃<0.2f’₄，1.4<n₄₃<1.65，0.2f’₄<R₄₅<0.1f’₄，-0.5f’₄<R₄₆<-f’₄；長焦校正鏡的第二正透鏡的光學(xué)特性為：-0.2f’₄<f’₄₄<-0.4f’₄，1.4<n₄₄<1.6，2f’₄<R₄₇<f’₄，0.4f’₄<R₄₈<0.1f’₄；其中，f’₄為長焦校正鏡的焦距，f’₄<0；f’₄₁、f’₄₂、f’₄₃、f’₄₄依次為組成長校正鏡的四片透鏡的焦距，n₄₁、n₄₂、n₄₃、n₄₄依次為組成長焦正鏡的四片透鏡所采用的玻璃折射率；R₄₁、R₄₂、R₄₃、R₄₄、R₄₅、R₄₆、R₄₇、R₄₈依次為四片透鏡所對(duì)應(yīng)的8個(gè)曲率半徑。

本實(shí)施例所提供的光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)焦距短焦、中焦和長焦依次為586mm、837mm和1025mm；不同焦距對(duì)應(yīng)的全視場依次為6°、4.2°和3.44°，通過拼接實(shí)現(xiàn)接近180°的全視場；短焦、中焦和長焦的系統(tǒng)F#均為7.5，全視場無漸暈。如圖3d、圖3e、圖3f、圖4g、圖4h、圖4i、圖5j、圖5k和圖5l所示，在450nm-900nm波段范圍內(nèi)全視場范圍內(nèi)MTF均接近衍射極限，相對(duì)畸變小于0.02％，相對(duì)于中心波長(600nm)的彌散斑能量質(zhì)心偏差在3um以內(nèi)。若將該相機(jī)應(yīng)用于500km的近地軌道衛(wèi)星上，可以在接近120°視場范圍內(nèi)獲得恒定地元分辨率優(yōu)于16m的接近衍射極限的成像質(zhì)量。

光學(xué)系統(tǒng)采用推掃的模式，所以成像相機(jī)只需要分布在垂直于推掃的方向上，對(duì)于多余的球透鏡部分均可以切割掉，這樣可以極大的減小光學(xué)系統(tǒng)的復(fù) 雜性，同時(shí)也利于實(shí)現(xiàn)相機(jī)的輕小型化。

通過對(duì)該實(shí)施例進(jìn)行等比例縮放，在同等F#和視場情況下，可以實(shí)現(xiàn)軌道飛行高度小于500km情況下，在接近180°視場內(nèi)實(shí)現(xiàn)接近衍射極限的成像質(zhì)量，并且可以在超過120°視場范圍內(nèi)具有恒定地元分辨率。