專(zhuān)利名稱(chēng)：大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于空間遙感器大面陣 光電器件光學(xué)拼接的方法。
背景技術(shù)：
隨著空間遙感器的發(fā)展，大尺寸面陣光電探測(cè)器件的需求日趨旺盛，如地 球靜止軌道凝視衛(wèi)星遙感器、低軌道畫(huà)幅式數(shù)字型測(cè)繪遙感器、航空畫(huà)幅數(shù)字
型遙感器、低溫光學(xué)超大規(guī)模矩陣宇宙空間熱朝L儀、深空探測(cè)與空間實(shí)驗(yàn)技術(shù) 等。大面陣光電探測(cè)遙感器是今后我國(guó)航天遙感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，是提 高我國(guó)光學(xué)遙感時(shí)間分辨率的重要手段。
由于芯片生產(chǎn)廠家工藝局限，目前國(guó)外最大尺寸的面陣光電探測(cè)器件為 10Kx10K,由于供貨渠道和費(fèi)用的限制，4支難獲取。國(guó)內(nèi)最大尺寸的面陣光電 探測(cè)器件為2Kx4K,更大尺寸(如8Kx8K以上)的面陣光電器件還在試驗(yàn) 階段。隨著大尺寸面陣光電探測(cè)器件需要的進(jìn)一步提高，面陣光電探測(cè)器件尺 寸不可能無(wú)限增大，迫切需要開(kāi)展面陣光電探測(cè)器件的拼接技術(shù)研究，滿(mǎn)足航 天遙感器對(duì)面陣光電探測(cè)器件拼接的特殊需求。
2001年在"第十五屆全國(guó)紅外科學(xué)技術(shù)交流會(huì)暨全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流 會(huì)"上，中科院光電技術(shù)研究所戴俊釗等人發(fā)表的《提高大視場(chǎng)圖像測(cè)量精度 的CCD光學(xué)拼接技術(shù)》 一文公開(kāi)了采用二次棱鏡分光實(shí)現(xiàn)CCD光學(xué)4并接的方 法，該方法由于采用半反半透的分光方式，且入射光束需經(jīng)過(guò)兩次分光才能到 達(dá)像面，這就使得入射到像面的光能量減少至原來(lái)能量的四分之一，導(dǎo)致能量 不足的問(wèn)題。因此其在航天遙感領(lǐng)域的實(shí)用性不是很強(qiáng)。
2003年第11巻04期《光學(xué)精密工程》上，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所何昕等人 發(fā)表的《基于單心球面系統(tǒng)的九塊面陣CCD數(shù)字拼接》 一文介紹了一種單心球面系統(tǒng)的拼接方法，該方法通過(guò)對(duì)一次像面上的光束進(jìn)行分割，然后由小透 鏡分別成像在二次像面上，從而達(dá)到拼接的目的。單心球面系統(tǒng)拼接方法由于 二次成像小透鏡的引入導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸較大，工程可實(shí)現(xiàn)性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種操作簡(jiǎn)便、 易于實(shí)現(xiàn)的2x3或者2x2面陣光電器件的光學(xué)拼接方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為2x3大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，步驟如
下
(1) 建立空間直角坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系以光線傳播方向?yàn)閆軸正方向， 垂直紙面向外為Y軸正方向，X軸正方向由右手定則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)為O;
(2) 在空間位置依次放置六片相同的探測(cè)器，放置時(shí)第一探測(cè)器、第三探 測(cè)器、第五探測(cè)器所在平面均與XOZ平面平行，其中第一探測(cè)器和第三探測(cè)器 所在平面與Y軸的正半軸相交，第五探測(cè)器所在平面與Y軸的負(fù)半軸相交，第 四探測(cè)器和第六探測(cè)器所在平面均與YOZ平面平行，其中第四探測(cè)器所在平面 與X軸的負(fù)半軸相交，第六探測(cè)器與X軸的正半軸相交，第二探測(cè)器所在平面 與入射光線垂直；
(3) 在空間位置依次放置五個(gè)相同的反射棱鏡，第一反射棱鏡將沿Z軸 正方向入射的光線反射至第一探測(cè)器，第三反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光 線反射至第三探測(cè)器，第四反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光線反射至第四探 測(cè)器，第五反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光線反射至第五探測(cè)器，第六反射 棱鏡將沿Z軸正方向入射的光線反射至第六探測(cè)器，第四反射棱鏡、第五反射 棱鏡和第六反射棱鏡在XOY平面上的投影為依次相連的三個(gè)矩形且沿X軸正 方向排列，第一反射棱鏡和第四反射棱鏡在XOY平面上的投影為相連的兩個(gè) 矩形且沿Y軸負(fù)方向排列，第三反射棱鏡和第六反射棱鏡在XOY平面上的投 影為相連的兩個(gè)矩形且沿丫軸負(fù)方向排列；
(4) 分別調(diào)整^#測(cè)器的位置，使得入射到^#:測(cè)器的光線的光程相等。
6所述的第一反射棱鏡、第三反射棱鏡、第四反射棱鏡、第五反射棱鏡、第 六反射棱鏡均為全反射棱鏡。
所述的第一反射棱鏡、第三反射棱鏡、第四反射棱鏡、第五反射棱鏡、第 六反射棱鏡均為對(duì)角面鍍覆反射膜的立方體棱鏡，此時(shí)需要在同時(shí)與第一反射
棱鏡、第三反射棱鏡和第五反射棱鏡相鄰的空間放置第二棱鏡將沿z軸正方向 入射的光線透射至第二探測(cè)器，第二棱鏡為立方體棱4竟。
2x2大面陣光電器件的光學(xué)4并接方法，步驟如下
(1) 建立空間直角坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系以光線傳"t番方向?yàn)閆軸正方向， 垂直紙面向外為Y軸正方向，X軸正方向由右手定則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)為O;
(2) 在空間位置依次放置四片相同的探測(cè)器，第七探測(cè)器、第九探測(cè)器所 在平面均與XOZ平面平行，其中第七探測(cè)器所在平面與Y軸的正半軸相交， 第九探測(cè)器所在平面與Y軸的負(fù)半軸相交，第八探測(cè)器和第十探測(cè)器所在平面 均與YOZ平面平行，其中第/\探測(cè)器所在平面與X軸的正半軸相交，第十揮: 測(cè)器與X軸的負(fù)半軸相交；
(3) 在空間位置依次放置四個(gè)相同的反射棱鏡，第七反射棱鏡將沿Z軸 正方向入射的光線反射至第七探測(cè)器，第八反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光 線反射至第八探測(cè)器，第九反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光線反射至第九探 測(cè)器，第十反射棱鏡將沿Z軸正方向入射的光線反射至第十探測(cè)器，第七反射 棱鏡、第八反射棱鏡在XOY平面上的投影為依次相連的兩個(gè)矩形且沿X軸正 方向排列，第九反射棱鏡和第八反射棱鏡在XOY平面上的投影為相連的兩個(gè) 矩形且沿Y軸負(fù)方向排列，第十反射棱鏡和第七反射棱鏡在XOY平面上的損: 影為相連的兩個(gè)矩形且沿Y軸負(fù)方向排列；
(4) 分別調(diào)整^#測(cè)器的位置，使得入射到^#測(cè)器的光線的光程相等。 所述的第七反射棱鏡、第八反射棱鏡、第九反射棱鏡、第十反射棱鏡均為
全反射棱鏡。
所述的第七反射棱鏡、第八反射棱鏡、第九反射棱鏡、第十反射棱鏡均為對(duì)角面鍍覆反射膜的立方體棱鏡。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1 )本發(fā)明采用棱鏡式拼接方法，根據(jù)光路的走向和光程相同的原則，在 空間確定焦面和棱鏡所擺放的位置，實(shí)現(xiàn)6片小面陣器件拼接成2 x 3模式或 者實(shí)現(xiàn)4片小面陣器件拼接成2x2模式的大面陣器件，操作筒便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 可靠，拼接后得到的大面陣器件可使相鄰探測(cè)器有效像元完全搭接，做到無(wú)間 隙，增大了焦面的尺寸，有利于圖^象應(yīng)用；
(2)本發(fā)明中反射棱鏡既可以全部采用全反射棱鏡，也可以采用對(duì)角面鍍 覆反射膜的立方體棱鏡和對(duì)角面未鍍覆反射膜的立方體棱鏡的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)光線 的反射，可以根據(jù)是否需要校正色差選用不同形式的棱鏡組合，原理簡(jiǎn)單，易 于工程實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明2x3模式面陣光電器件的光學(xué)4并接示意圖； 圖2為本發(fā)明2 x 3模式拼接時(shí)各棱鏡在平面區(qū)域的表示圖； 圖3為本發(fā)明2 x 3模式面陣器件光學(xué)拼接效果示意圖； 圖4為本發(fā)明2 x 2模式面陣光電器件的光學(xué)拼接示意圖； 圖5為本發(fā)明2 x 2模式拼接時(shí)各棱鏡在平面區(qū)域的表示圖； 圖6為本發(fā)明2x2模式面陣器件光學(xué)拼接效果示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)6片小面陣器件拼接成2x3模式大面陣器件的拼接 示意圖。為了殺又述方便，首先要建立空間直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系以光線傳播方向 為Z軸正方向(在此選取鉛垂向下方向)，垂直紙面向外為Y軸正方向，X軸 正方向由右手定則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)為O。
在空間位置依次放置六片相同的#:測(cè)器，第一神笨測(cè)器7、第三探測(cè)器9、 第五探測(cè)器11所在平面均與XOZ平面平行，其中第一探測(cè)器7和第三探測(cè)器 9所在平面與Y軸的正半軸相交，第五探測(cè)器11所在平面與Y軸的負(fù)半軸相
8交，第四探測(cè)器10和第六探測(cè)器12所在平面均與YOZ平面平行，其中第四 探測(cè)器10所在平面與X軸的負(fù)半軸相交，第六探測(cè)器12與X軸的正半軸相交， 第二4果測(cè)器8所在平面與入射光線垂直。
本發(fā)明采用的探測(cè)器為面陣光電圖像傳感器LUPA-4000 CMOS,其像元 尺寸為12|jm，像元數(shù)為2Kx2K。當(dāng)然也可采用其他型號(hào)的面陣CMOS器 件或者面陣CCD器件。
在放置完探測(cè)器后開(kāi)始放置棱鏡，在2 x 3模式時(shí)共需要6個(gè)棱鏡。如圖2 所示，為說(shuō)明棱鏡和器件之間的角度和關(guān)系，將2x3模式時(shí)棱鏡在XOY平面 上的"t殳影分區(qū)域標(biāo)注，沿x方向的6條邊分別為x1、 x2、 x3、 x4、 x5和x6， 沿y方向的4條邊分別為y1、 y2、 y3和y4,則6個(gè)區(qū)域分別用x1y1 、 x2y1、 x3y1、 x4y2、 x5y2、 x6y2表示。
圖2中，第一探測(cè)器7、第三探測(cè)器9、第四探測(cè)器10、第五探測(cè)器11 和第六探測(cè)器12分別垂直放置在x1、 x3、 y3、 x5和y2處。第一反射棱鏡1 和第三反射棱鏡3的投影位于x1y1和x3y1區(qū)域，且使得經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束 光線以與棱鏡反射面法向成45。角度入射，分別反射到第一探測(cè)器7和第三探 測(cè)器9。
然后將第二探測(cè)器8平放在第一反射棱鏡1和第三反射棱鏡3投影中間的 x2y1位置，光束直接垂直入射到第二探測(cè)器8上。
第四反射棱鏡4的投影位于x6y2區(qū)域，第四反射棱鏡4反射面法向與第 四探測(cè)器10的法向夾角為45° 。第五反射棱鏡5的投影位于x5y2區(qū)域，第 五反射棱鏡5反射面法向與第五探測(cè)器11的法向夾角為45° 。第六反射棱鏡 6的投影位于x4y2區(qū)域，第六反射棱鏡6反射面法向與第六探測(cè)器12的法向 夾角為45° 。
將器件和棱鏡放置完畢后，即可實(shí)現(xiàn)棱鏡2x3面陣器件光學(xué)拼接焦面， 光學(xué)拼接效果示意圖如圖3所示。
在選用拼接棱鏡時(shí)，如果光線由全反射式光學(xué)系統(tǒng)或者已校正色差的透射式系統(tǒng)、折反射式系統(tǒng)出射時(shí)，則第一反射棱鏡1、第三反射棱鏡3、第四反 射棱鏡4、第五反射棱鏡5、第六反射棱鏡6可以均采用全反射棱鏡。如果光 線由需要校正色差的透射式系統(tǒng)或者折反射式系統(tǒng)出射時(shí)，則第一反射棱鏡1、 第三反射棱鏡3、第四反射棱鏡4、第五反射棱鏡5、第六反射棱鏡6均為對(duì)角 面鍍覆反射膜的立方體棱鏡，此時(shí)應(yīng)在第一反射棱鏡1、第三反射棱鏡3和第 五反射棱鏡5之間放置與第二棱鏡2，且第二棱鏡2為立方體棱鏡，將入射光 線透射至第二4果測(cè)器8。
如圖4所示，為實(shí)現(xiàn)4片小面陣器件拼接成2x2模式大面陣器件的拼接 示意圖。圖中坐標(biāo)系的建立方法與2x3才莫式時(shí)相同。
首先還是在空間位置依次放置四片相同的探測(cè)器，第七探測(cè)器17、第九探 測(cè)器19所在平面均與XOZ平面平行，其中第七〗果測(cè)器17所在平面與Y軸的 正半軸相交，第九探測(cè)器19所在平面與Y軸的負(fù)半軸相交，第八探測(cè)器18和 第十探測(cè)器20所在平面均與YOZ平面平行,其中第八探測(cè)器18所在平面與X 軸的正半軸相交，第十探測(cè)器20與X軸的負(fù)半軸相交。
在放置完探測(cè)器后開(kāi)始放置棱鏡，在2x2模式時(shí)共需要4個(gè)棱鏡。如圖5 所示，為說(shuō)明棱鏡和器件之間的角度和關(guān)系，將2x2模式時(shí)4個(gè)棱鏡在XOY 平面上的投影分區(qū)域標(biāo)注，沿x方向的4條邊分別為x1、 x2、 x3和x4,沿y 方向的4條邊分別為y1、 y2、 y3和y4,則4個(gè)區(qū)域分別用x1y1 、 x2y1、 x3y2 和x4y2表示。
圖5中，第七探測(cè)器17、第八探測(cè)器18、第九4笨測(cè)器19和第十探測(cè)器 20分別垂直放置在x1、 y1、 x3和y3處。第七反射棱鏡13、第八反射棱鏡14、 第九反射棱鏡15和第十反射棱鏡16的投影分別位于x1y1 、x2y1 、x3y2和x4y2 區(qū)域，且使得經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束光線以與各棱鏡反射面法向成45°角度入 射，并分別反射到第七探測(cè)器17、第八探測(cè)器18、第九探測(cè)器19和第十探測(cè) 器20。 在2 x 2面陣器件光學(xué)拼接模式分光棱鏡的選取原則與2x3面陣器件光學(xué)拼接才莫式的選取原則相同。
將所有探測(cè)器和棱鏡放置完畢后，即可實(shí)現(xiàn)棱鏡2x2面陣器件光學(xué)拼接 焦面，光學(xué)拼接效果示意圖如圖6所示。
本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)于技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1、大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，其特征在于步驟如下(1)建立空間直角坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系以光線傳播方向?yàn)閆軸正方向，垂直紙面向外為Y軸正方向，X軸正方向由右手定則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)為O；(2)在空間位置依次放置六片相同的探測(cè)器，放置時(shí)第一探測(cè)器(7)、第三探測(cè)器(9)、第五探測(cè)器(11)所在平面均與XOZ平面平行，其中第一探測(cè)器(7)和第三探測(cè)器(9)所在平面與Y軸的正半軸相交，第五探測(cè)器(11)所在平面與Y軸的負(fù)半軸相交，第四探測(cè)器(10)和第六探測(cè)器(12)所在平面均與YOZ平面平行，其中第四探測(cè)器(10)所在平面與X軸的負(fù)半軸相交，第六探測(cè)器(12)與X軸的正半軸相交，第二探測(cè)器(8)所在平面與入射光線垂直；(3)在空間位置依次放置五個(gè)相同的反射棱鏡，第一反射棱鏡(1)將沿Z軸正方向入射的光線反射至第一探測(cè)器(7)，第三反射棱鏡(3)將沿Z軸正方向入射的光線反射至第三探測(cè)器(9)，第四反射棱鏡(4)將沿Z軸正方向入射的光線反射至第四探測(cè)器(10)，第五反射棱鏡(5)將沿Z軸正方向入射的光線反射至第五探測(cè)器(11)，第六反射棱鏡(6)將沿Z軸正方向入射的光線反射至第六探測(cè)器(12)，第四反射棱鏡(4)、第五反射棱鏡(5)和第六反射棱鏡(6)在XOY平面上的投影為依次相連的三個(gè)矩形且沿X軸正方向排列，第一反射棱鏡(1)和第四反射棱鏡(4)在XOY平面上的投影為相連的兩個(gè)矩形且沿Y軸負(fù)方向排列，第三反射棱鏡(3)和第六反射棱鏡(6)在XOY平面上的投影為相連的兩個(gè)矩形且沿Y軸負(fù)方向排列；(4)分別調(diào)整各探測(cè)器的位置，使得入射到各探測(cè)器的光線的光程相等。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，其特征在于 所述的第一反射棱鏡(1 )、第三反射棱鏡(3)、第四反射棱鏡(4)、第五反射 棱鏡(5)、第六反射棱鏡(6)均為全反射棱鏡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，其特征在于所述的第一反射棱鏡(1)、第三反射棱鏡(3)、第四反射棱鏡(4)、第五反射 棱鏡(5)、第六反射棱鏡(6)均為對(duì)角面鍍覆反射膜的立方體棱鏡，此時(shí)需 要在同時(shí)與第一反射棱鏡(1)、第三反射棱鏡(3)和第五反射棱鏡(5)相鄰 的空間放置第二棱鏡(2)將沿Z軸正方向入射的光線透射至第二探測(cè)器(8), 第二棱鏡(2)為立方體棱鏡。
4、 大面陣光電器件的光學(xué)4并接方法，其特征在于步驟如下(1) 建立空間直角坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系以光線傳播方向?yàn)閆軸正方向， 垂直紙面向外為Y軸正方向，X軸正方向由右手定則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)為O;(2) 在空間位置依次放置四片相同的探測(cè)器，第七探測(cè)器(17)、第九探 測(cè)器(19)所在平面均與XOZ平面平行，其中第七探測(cè)器(17)所在平面與Y 軸的正半軸相交，第九探測(cè)器(19)所在平面與Y軸的負(fù)半軸相交，第八探測(cè) 器(18)和第十探測(cè)器(20)所在平面均與YOZ平面平行，其中第八探測(cè)器(18)所在平面與X軸的正半軸相交，第十探測(cè)器(20)與X軸的負(fù)半軸相交；(3) 在空間位置依次放置四個(gè)相同的反射棱鏡，第七反射棱鏡(13)將 沿Z軸正方向入射的光線反射至第七探測(cè)器(17),第八反射棱鏡(14)將沿Z 軸正方向入射的光線反射至第八探測(cè)器(18),第九反射棱鏡(15)將沿Z軸 正方向入射的光線反射至第九探測(cè)器(19)，第十反射棱鏡(16)將沿Z軸正 方向入射的光線反射至第十探測(cè)器(20),第七反射棱鏡(13)、第八反射棱鏡(14)在XOY平面上的投影為依次相連的兩個(gè)矩形且沿X軸正方向排列，第 九反射棱鏡(15)和第八反射棱鏡(14)在XOY平面上的投影為相連的兩個(gè) 矩形且沿Y軸負(fù)方向排列，第十反射棱鏡(16)和第七反射棱鏡(13)在XOY 平面上的《&影為相連的兩個(gè)矩形且沿Y軸負(fù)方向排列；(4) 分別調(diào)整各探測(cè)器的位置，使得入射到各探測(cè)器的光線的光程相等。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，其特征在于 所述的第七反射棱鏡(13)、第八反射棱鏡(14)、第九反射棱鏡(15)、第十 反射棱鏡(16)均為全反射棱鏡。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法，其特征在于所述的第七反射棱鏡(13)、第八反射棱鏡(14)、第九反射棱鏡(15)、第十 反射棱鏡(16)均為對(duì)角面鍍覆反射膜的立方體棱鏡。
全文摘要
隨著對(duì)大尺寸面陣光電探測(cè)器件需求的進(jìn)一步提高，迫切需要開(kāi)展面陣光電探測(cè)器件的拼接技術(shù)研究。本發(fā)明大面陣光電器件的光學(xué)拼接方法采用棱鏡式拼接，通過(guò)在空間對(duì)棱鏡及面陣器件位置的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了用6片小面陣器件拼接成2×3模式大面陣器件或者用4片小面陣器件拼接成2×2模式的大面陣器件，拼接方法簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，可以滿(mǎn)足航天遙感領(lǐng)域?qū)Υ竺骊嚬怆娞綔y(cè)器件的需求。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101650423SQ20091009238
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者蘭麗艷, 李妥妥, 林宏宇, 悅 郭, 阮寧娟, 馬建華 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所