專利名稱：基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)遙感成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成 像光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)遙感成像領(lǐng)域?qū)Υ蠓鶎捘暢上窦岸嘧V段復(fù)合成像的能力要求越來(lái)越高，現(xiàn) 有面陣焦平面探測(cè)器的規(guī)模遠(yuǎn)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，逐漸成為制約光學(xué)遙感成像發(fā)展 的瓶頸。為解決面陣探測(cè)器規(guī)模太小的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外常用的技術(shù)手段有面陣探測(cè)器拼接技 術(shù)和子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像技術(shù)。(1)面陣探測(cè)器拼接技術(shù)面陣探測(cè)器拼接技術(shù)有多種手段，包含直接在焦面進(jìn)行拼接、光學(xué)拼接等。焦面 直接拼接方式主要應(yīng)用于天文界，由于此種拼接方式很難避免探測(cè)器間的縫隙，因而不適 用于空間光學(xué)遙感器；光學(xué)拼接方式可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，但會(huì)造成焦面體積較大。對(duì)于多成 像通道光學(xué)系統(tǒng)，由于后繼光學(xué)系統(tǒng)本身就較為龐大和復(fù)雜，不適宜采用光學(xué)拼接方式；同 時(shí)，由于大尺寸、航天級(jí)的面陣探測(cè)器非常昂貴，這種拼接方式也會(huì)大大提高光學(xué)遙感器的 成本。(2)子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像技術(shù)子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像技術(shù)是在光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)足夠的情況下，將成像系統(tǒng)的全視場(chǎng) 劃分為若干子視場(chǎng)，通過(guò)子視場(chǎng)指向鏡的指向運(yùn)動(dòng)，面陣探測(cè)器對(duì)各個(gè)子視場(chǎng)逐一步進(jìn)凝 視成像。由于探測(cè)器是對(duì)分割成的子視場(chǎng)成像，因此器件規(guī)模與全視場(chǎng)凝視成像相比大大 減小，器件加工制造難度不大。從子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像技術(shù)的應(yīng)用來(lái)看，由于在匯聚光路中 使用指向鏡步進(jìn)成像將造成光學(xué)系統(tǒng)離焦，無(wú)法有效成像，現(xiàn)有子視場(chǎng)步進(jìn)成像光學(xué)系統(tǒng) 多采用“前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)+聚焦光學(xué)系統(tǒng)”的型式，在采用同軸三反為主光學(xué)的設(shè)計(jì)中，指向 鏡在前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)出射的平行光路中進(jìn)行步進(jìn)指向，以避免在會(huì)聚光路中由于步進(jìn)指向造 成的光學(xué)系統(tǒng)離焦問(wèn)題。但在大口徑反射式主光學(xué)系統(tǒng)中要利用前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮平 行光路，勢(shì)必帶來(lái)大的系統(tǒng)遮攔從而大大影響成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué) 系統(tǒng)，解決在匯聚光路中進(jìn)行子視場(chǎng)步進(jìn)指向離焦的技術(shù)問(wèn)題，避免在反射式主光學(xué)系統(tǒng) 中為實(shí)現(xiàn)壓縮平行光路而帶來(lái)的系統(tǒng)遮攔等問(wèn)題，為小規(guī)模面陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、多通 道凝視成像提供了 一條技術(shù)途徑。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)指向 鏡步進(jìn)掃描，將全視場(chǎng)劃分成多個(gè)有重疊率的子視場(chǎng)，各成像通道對(duì)子視場(chǎng)逐個(gè)成像后，采 用圖像拼接的方式得到全視場(chǎng)圖像；其中，主光學(xué)系統(tǒng)焦面為球面，指向鏡為在匯聚光路中 設(shè)置的平面反射鏡。
如上所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，主光學(xué)系統(tǒng)采 用同軸三反設(shè)計(jì)，通過(guò)球面反射鏡與非球面反射鏡的組合，實(shí)現(xiàn)球面形式的主光學(xué)焦面。如上所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，指向鏡到主光 學(xué)焦面的距離與球面焦面的曲率半徑一致。如上所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，指向鏡為二維 運(yùn)動(dòng)平面指向鏡，通過(guò)步進(jìn)掃描將全視場(chǎng)劃分成MXN個(gè)有一定重疊率的子視場(chǎng)。如上所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其中，通過(guò)分光組件 將系統(tǒng)分成多個(gè)成像通道，各成像通道利用校正透鏡組對(duì)焦距進(jìn)行控制，并校正像差，得到 探測(cè)器所需的平像場(chǎng)。本發(fā)明的積極效果(1)本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)采用子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像模式，可利用小型面陣焦平 面探測(cè)器實(shí)現(xiàn)大型焦平面陣列功能，從而突破面陣探測(cè)器在大面陣成像應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。(2)本發(fā)明的子視指向鏡置于匯聚光路中，解決了反射式主光學(xué)系統(tǒng)中壓縮平行 光路帶來(lái)的遮攔較大、MTF較低等問(wèn)題。(3)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)主光學(xué)系統(tǒng)獨(dú)特的球面焦面形式，解決了指向鏡在匯 聚光路系統(tǒng)中由于步進(jìn)指向產(chǎn)生的離焦問(wèn)題。(4)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)校正透鏡組對(duì)主光學(xué)的場(chǎng)曲進(jìn)行校正，解決了探測(cè)器 需求平像場(chǎng)的問(wèn)題。(5)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)利用子視場(chǎng)指向反射鏡對(duì)各子視場(chǎng)逐一成像，不必移動(dòng)笨 重的物鏡或者物方掃描鏡，使得整個(gè)成像系統(tǒng)輕小型化。(6)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)分光組件及校正透鏡組的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了不同譜段的復(fù) 合成像，為光學(xué)遙感成像的多通道集成提供了有益的技術(shù)途徑。(7)本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)需求調(diào)整子視場(chǎng)劃分規(guī)模和分光通道的集成數(shù)目， 有效解決多通道大畫(huà)幅成像中的器件規(guī)模需求大和系統(tǒng)復(fù)雜集成困難等問(wèn)題。系統(tǒng)解決方 案可擴(kuò)展性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)可行，適用于利用小型面陣焦面器件實(shí)現(xiàn)大區(qū)域覆蓋的多譜段光學(xué)成 像系統(tǒng)。


圖1是子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2是同軸三反主光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖；圖3是4X4子視場(chǎng)劃分步進(jìn)成像示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明如圖1所示，本發(fā)明所提出的一種基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系 統(tǒng)，包括前置的同軸三反主光學(xué)系統(tǒng)，中間的二維指向反射鏡系統(tǒng)，分光組件，后面的子視 場(chǎng)成像通道校正透鏡組及相應(yīng)的面陣探測(cè)器等組件組合而成。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的工作原理是目標(biāo)光線進(jìn)入同軸三反主光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)四次反射到達(dá)二維指向反射鏡系統(tǒng)；通過(guò)指向鏡的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將各個(gè)子視場(chǎng)的光線逐個(gè)引入至折轉(zhuǎn) 鏡，并由其反射到分光組件；光線經(jīng)分光后進(jìn)入各自成像支路，并由校正透鏡組進(jìn)行焦距控 制及像差校正，最后在各自面陣探測(cè)器陣列上成像。主光學(xué)系統(tǒng)采用同軸三反設(shè)計(jì)，M1、M2、M3分別為主反射鏡、次反射鏡和三反射鏡， 通過(guò)三個(gè)反射鏡不同球面和非球面面型，及不同間距的組合，可實(shí)現(xiàn)球面形式的主光學(xué)系 統(tǒng)焦面；在同軸三反的構(gòu)型中，采用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域公知的技術(shù)手段即能夠確定出 具體復(fù)合要求的系統(tǒng)參數(shù)。M4、M6均為平面折轉(zhuǎn)鏡；M5為二維平面指向鏡，設(shè)置在主光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚光路中，以 MXN的步進(jìn)規(guī)模完成對(duì)全視場(chǎng)的掃描覆蓋，且指向鏡到主光學(xué)焦面的距離與球面焦面的曲 率半徑一致；光路經(jīng)分光組件M7后進(jìn)入不同成像通道，各通道均有相應(yīng)的校正透鏡組完成 焦距控制及場(chǎng)曲等像差的校正，使其匹配探測(cè)器規(guī)模特征及器件所需的平像場(chǎng)。主光學(xué)系統(tǒng)的入瞳設(shè)置在主鏡上，指向鏡直接設(shè)置在出瞳附近的會(huì)聚光路中，由 于采用獨(dú)特的球面焦面設(shè)計(jì)，并且球面半徑與指向鏡到焦面的距離相等，從而解決了指向 鏡在會(huì)聚光路系統(tǒng)中由于步進(jìn)指向產(chǎn)生的離焦問(wèn)題，同時(shí)還進(jìn)一步減小指向鏡有效口徑， 并且避免了大口徑光學(xué)系統(tǒng)在平行光路中進(jìn)行掃描成像的這一傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的遮攔較 大、MTF較低等問(wèn)題，有效提升像質(zhì)。主光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型及球面焦面示意圖如圖2所示。所述光學(xué)系統(tǒng)利用各成像通道的校正透鏡組完成各通道的焦距控制，并對(duì)主光學(xué) 系統(tǒng)球面焦面產(chǎn)生的場(chǎng)曲進(jìn)行校正，工程可實(shí)現(xiàn)性高，代價(jià)小。如圖3所示，該光學(xué)系統(tǒng)采用較大的光學(xué)視場(chǎng)、較小規(guī)模的探測(cè)器件、將對(duì)應(yīng)目標(biāo) 區(qū)域的全光學(xué)成像視場(chǎng)劃分為若干子視場(chǎng)，通過(guò)子視場(chǎng)指向鏡的指向運(yùn)動(dòng)，面陣探測(cè)器對(duì) 各個(gè)子視場(chǎng)逐一步進(jìn)凝視成像。當(dāng)所述光學(xué)系統(tǒng)的指向鏡通過(guò)步進(jìn)掃描將全視場(chǎng)劃分成 MXN個(gè)有一定重疊率的子視場(chǎng)進(jìn)行成像時(shí)，系統(tǒng)所需面陣探測(cè)器件規(guī)模可縮減為單個(gè)面陣 器件一次覆蓋全視場(chǎng)時(shí)所需規(guī)模的1/(MXN)左右。這種成像方式一方面較好地解決了通 常需要大規(guī)模探測(cè)器才能實(shí)現(xiàn)的大幅寬成像問(wèn)題；另一方面實(shí)現(xiàn)了依據(jù)不同探測(cè)任務(wù)要求 對(duì)成像區(qū)域大小和成像譜段進(jìn)行靈活配置的需求，極大地提高系統(tǒng)應(yīng)用效益。更具體的，若面陣凝視光學(xué)系統(tǒng)所需設(shè)計(jì)口徑為lm，采用雙譜段成像，成像通道 1和成像通道2的焦距分別為10m、8m，全視場(chǎng)為0.77° X0. 77°。設(shè)計(jì)主光學(xué)系統(tǒng)焦距 為10m，主反射鏡Ml為橢球面，曲率半徑為1947mm，次反射鏡M2為凸雙曲面，曲率半徑為 753mm，三反射鏡M3為橢球面，曲率半徑為2019mm，主次鏡間距700mm，次三鏡間距2369mm， 主光學(xué)系統(tǒng)焦面曲率半徑為1712mm，三鏡到球面焦面頂點(diǎn)的間距為3845mm，平面指向鏡M5 中心放置在球面焦面頂點(diǎn)前1712mm處，與其曲率半徑相同。因此當(dāng)指向鏡進(jìn)行二維指向以 將不同子視場(chǎng)引入到成像光路中時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生離焦情況。各通道校正透鏡組分別對(duì)焦距進(jìn) 行相應(yīng)的壓縮控制，并校正像差。若兩通道采用的成像器件的像元尺寸分別為9 μ mX9 μ m、15 μ mX 15 μ m，為實(shí)現(xiàn) 0.77° X0. 77°的視場(chǎng)覆蓋，若使用單個(gè)面陣器件覆蓋全視場(chǎng)，則所需器件規(guī)模大小至少 應(yīng)分別達(dá)到151(乂151(、7.21(乂7.21(0(指一千個(gè)像元)。采用本方案提出的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視 成像方式，將全視場(chǎng)劃分成4X4共16個(gè)0.2° X0.2°的子視場(chǎng)，且各子視場(chǎng)間單邊疊加 0.01°以用于圖像拼接，通過(guò)二維指向鏡將子視場(chǎng)光線逐個(gè)反射到折轉(zhuǎn)鏡上，并進(jìn)入相應(yīng) 通道進(jìn)行成像，如圖3所示。由于成像通道1及成像通道2完成子視場(chǎng)覆蓋所需器件規(guī)模僅為3. 9KX3. 9K、1. 9KX 1. 9Κ，因此成像通道1和通道2僅需采用4ΚΧ4Κ和2ΚΧ2Κ的探測(cè) 器件，通過(guò)4X4子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像方式，即可實(shí)現(xiàn)上述全視場(chǎng)覆蓋能力?？紤]指向鏡的 步進(jìn)及穩(wěn)定(以2s/步計(jì))、子視場(chǎng)凝視成像(以Is/子幀計(jì))等過(guò)程所需時(shí)間，完成單幅 全視場(chǎng)圖像所需時(shí)間約為46s。類似地，若要實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的視場(chǎng)覆蓋，比如視場(chǎng)需求達(dá)到1.15° XI. 15°，可 將全視場(chǎng)劃分為6X6共36個(gè)子視場(chǎng)，采用與上述一致的子視場(chǎng)大小、重疊率及探測(cè)器件， 即可滿足全視場(chǎng)覆蓋需求。而要采用單個(gè)器件對(duì)全視場(chǎng)的覆蓋，兩成像通道對(duì)器件的規(guī)模 需求分別為 22. 4KX22. 4K、10. 8ΚΧ10. 8Κ。此方案可有效縮減器件規(guī)模需求，各通道經(jīng)校正透鏡組校正后可獲得較好的成像 效果，整個(gè)系統(tǒng)能以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)多成像通道集成的大畫(huà)幅凝視成像能力，具有較好的 工程可實(shí)現(xiàn)性。以上所述系統(tǒng)只是本發(fā)明實(shí)施的具體情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員在面臨不同應(yīng)用需求 時(shí)，可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)思想，進(jìn)行相應(yīng)更改設(shè)計(jì)，如增減子視場(chǎng)劃分?jǐn)?shù)目及通道個(gè)數(shù)， 以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求
基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)指向鏡步進(jìn)掃描，將全視場(chǎng)劃分成多個(gè)有重疊率的子視場(chǎng)，各成像通道對(duì)子視場(chǎng)逐個(gè)成像后，采用圖像拼接的方式得到全視場(chǎng)圖像；其特征在于主光學(xué)系統(tǒng)焦面為球面，指向鏡為在匯聚光路中設(shè)置的平面反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于主光學(xué)系統(tǒng)采用同軸三反設(shè)計(jì)，通過(guò)球面反射鏡與非球面反射鏡的組合，實(shí)現(xiàn)球面形式 的主光學(xué)焦面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于指向鏡到主光學(xué)焦面的距離與球面焦面的曲率半徑一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于指向鏡為二維運(yùn)動(dòng)平面指向鏡，通過(guò)步進(jìn)掃描將全視場(chǎng)劃分成MXN個(gè)有一定重疊率的 子視場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于通過(guò)分光組件將系統(tǒng)分成多個(gè)成像通道，各成像通道利用校正透鏡組對(duì)焦距進(jìn)行控制， 并校正像差，得到探測(cè)器所需的平像場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)遙感成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于球面焦面的子視場(chǎng)步進(jìn)凝視成像光學(xué)系統(tǒng)。目的是解決在匯聚光路中進(jìn)行分視場(chǎng)步進(jìn)指向產(chǎn)生的離焦問(wèn)題。主光學(xué)系統(tǒng)采用獨(dú)特的球面焦面形式，在會(huì)聚光路中設(shè)置平面指向鏡，指向鏡到主光學(xué)焦面的距離與球面焦面的曲率半徑保持一致，避免會(huì)聚光路中由于指向鏡運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離焦問(wèn)題；通過(guò)指向鏡的二維步進(jìn)指向，將全視場(chǎng)中的不同子視場(chǎng)逐個(gè)引入到后續(xù)成像光路中，并由分光組件分成不同通道，各成像通道的校正透鏡組完成焦距控制及場(chǎng)曲等像差校正，以匹配各通道探測(cè)器件規(guī)模和實(shí)現(xiàn)探測(cè)器件所需的平像場(chǎng)。本發(fā)明突破大面陣凝視成像應(yīng)用中面陣探測(cè)器規(guī)模有限的技術(shù)瓶頸，利用小型面陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)全視場(chǎng)的掃描覆蓋。
文檔編號(hào)G01C11/02GK101975984SQ20101029132
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者和濤, 宋鵬飛, 王世濤, 王虎妹, 練敏隆, 邱民樸 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院