用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法及其系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法及其系统。微小透镜阵列位于前置物镜和探测器焦平面之间，前置物镜采用同心对称的球形透镜结构，以获取大视场场景；微小透镜阵列的每个通道由一组分离的双胶合透镜组构成，用于在其所承担通道的小视场范围内实现精细像差校正，形成多个独立的成像通道，将整个视场内信息无任何损失地全部成像至探测器焦平面上，在大视场内各处都获得衍射极限性能的高分辨率成像。本发明采用纯透射式的光学结构，具有简单紧凑、适用于整个可见光工作波段、视场大、全视场像质均匀、成像性能优、成本低等特点。本发明提供了空间分辨率不受视场限制的多尺度光学成像系统，适用于对地观测和普查的遥感相机。
【专利说明】用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，特别涉及一种采用多尺度结构的、折射式的、工作于整个可见光波段的、大视场、高分辨率的光学成像方法及其系统。
【背景技术】
[0002]随着空间探索和对地观测的不断发展，对成像系统的视场和分辨率要求越来越高。为实现在大视场范围内实时获取高分辨率光学图像，大规模高分辨率相机一直是研究的难点和重点。
[0003]采用传统的成像方法和系统，大视场和高分辨率相互制约，工作波长一定时，要提高系统的分辨率，只能通过增大系统口径。而大视场、大口径光学系统，采用传统方法设计，要引入更多光学面来校正几何像差，系统会变得非常复杂，要以系统重量、体积、复杂性和巨额成本增加为巨大代价。另外，这种大口径和高复杂性的光学系统，还受光学材料、加工、检测、制造成本和遥感器运载能力等多方面条件的制约。采用当前的制造技术，10米级的地基系统和2.4米的天基系统已被认为达到了系统设计和经济承受的极限。因此，采用传统的设计方法，很难同时满足现代遥感器成像系统对大视场和高分辨率的要求。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、分辨率高、视场大、适用波段宽的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法及其系统。
[0005]实现本发明目的的技术方案是提供一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法，将前置成像物镜获得的大视场景物，经若干个单通道光学成像系统分割成对应的分视场，各单通道光学成像系统分别对其剩余像差进行校正，在与各单通道光学成像系统对应的探测器的焦平面上得到性能相同的光学图像，通过对得到的各光学图像进行拼接处理后，得到全视场光学图像。
[0006]本发明技术方案还包括一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，沿光线入射方向，依次为前置物镜光学系统、微小透镜阵列和探测器焦平面；所述的前置物镜光学系统为一组四片透镜胶合的同心球面结构，四片透镜为球心对称，安装于一个镜筒内，四片透镜依次为弯月形球面负透镜、平凸球面正透镜、平凸球面正透镜、弯月形球面负透镜；前置物镜光学系统的焦距I为67mm (K 72mm ;所述的微小透镜阵列包括若干个单通道光学成像系统，所述的单通道光学成像系统为安装于一个镜筒内的两组双胶合透镜结构，两组双胶合透镜的光学元件依次为球面负透镜和球面正透镜组成的第一双胶合组，球面正透镜和球面负透镜组成的第二双胶合组，单通道光学成像系统的焦距f2为17mm (f2( 22mm ;各单通道光学成像系统安装于一个与前置物镜光学系统的球形像面同心的曲面上，形成微小透镜阵列。
[0007]前置物镜光学系统中，所述的弯月形球面负透镜、平凸球面正透镜、平凸球面正透镜和弯月形球面负透镜，它们相对于前置物镜光学系统的焦距之的归一化值依次为广H、f，12、f，n 和 f'4，满足条件-1.48 ( f\x ( -1.45，0.53 ( f，12 ( 0.56，0.54 ( f，n ^0.57,-1.30 (f，-1.25 ;它们所用材料的折射率依次为、/?14，满足条件:
1.68 ( 1.73，1.43 ^n12 ( 1.50，1.45 ( 1.53，1.67 ^nli ( 1.72。
[0008]单通道光学成像系统中，所述的球面负透镜、球面正透镜、球面正透镜和球面负透镜的焦距，它们相对于单通道光学成像系统的焦距忍的归一化值依次为和f，2V 满足条件-0.96 (f，21( -0.94，0.45 (f，22( 0.50,0.220.27，
-0.35≤/%4≤-0.30 ;它们所用材料的折射率依次为/?21、/?22、/?23、/?24，满足条件:
1.58 ^ n2l ^ 1.63，1.50 ^ n22 ^ 1.56，1.52 ^ /?23 ^ 1.57，1.53 ^ n2i ^ 1.60。
[0009]—种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，它的视场为
O。≤ω≤120。；它的光学筒长L为135mm≤L≤150臟。
[0010]本发明在传统的前置成像物镜与焦平面探测器之间引入微小透镜阵列，将前置成像物镜获得的大视场景物分成多个成像通道，经各通道的单微小透镜结构精确校正剩余像差后，各通道探测器的焦平面上均得到性能相同且具有极高分辨率的光学像，通过对各通道图像进行拼接处理，可获得全视场高分辨率光学像。大视场内信息无任何损失地全部成像至探测器焦平面上。
[0011]本发明提供的用于大规模高分辨率遥感相机的大视场高分辨率光学成像系统，由于采用了多尺度结构的折射式光学成像方法，可在很大的视场范围内实现极高的分辨率。在前置物镜和探测器焦面之间，引入微小透镜阵列，作为场处理器。本发明提供的多尺度结构光学系统，前置物镜采用四片胶合的同心对称球面透镜，这种结构的系统，具有像差与视场无关的优点，它的剩余像差只有球场和垂轴色差，因此，具备获取大视场成像的能力，再通过合理的光焦度分配、正负透镜组合，有效减小球差，另外通过合理选取光学玻璃材料来消色差，得到较小的剩余像差。本发明提供的多尺度结构光学系统，微小透镜阵列位于一个与前置物镜形成的球形像面同心的曲面上，同时起校正前置物镜剩余像差和中继转像的作用，它的每个通道分担前置物镜的一个分视场，只需采用简单的匹兹伐结构，通过两组双胶合物镜，选择合理的玻璃搭配，有效减小前置物镜的剩余球场和垂轴色差，而小透镜阵列各通道系统本身具有口径小和近轴的特点，像差校正难度小，可容易将其视场内前置物镜像差校正到接近衍射极限的成像性能，获得具有衍射极限的极高分辨率，各通道均可将前置物镜对应视场内的像校正到衍射极限性能。最后通过电子计算机技术，将各通道子图像进行拼接处理，即可得到前置物镜获取的大视场景物像，且具有衍射极限的高分辨率特性。
[0012]本发明提供的多尺度大视场高分辨率光学成像系统搭载于航天器上，接收来自地物的太阳光反射光，经过多尺度光学系统后，在各通道探测器的光敏面上形成光学像，经电子电路采集、图像处理后输出捕获的目标图像，得到地物大范围内目标场景的高分辨率图像。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明采用多尺度结构的折射式光学系统，由前置物镜和小透镜阵列构成，前置物镜和小透镜阵列系统均具有结构简单、容易装调、稳定性好、实现成本低的优点。
[0014]2、本发明提供的光学系统的视场为0° ^ ω ^120°，可探测范围广，探测识别效率高；全视场范围内均具有接近极限的成像性能，光学均匀性好。【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明提供的用于大规模高分辨率遥感相机的多尺度光学系统的工作原理示意图；
图2是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的光路图；图4是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的点扩散函数分布图；
图5是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的光程差曲线；
图6是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的能量集中度曲线；
图7是本发明实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的光学传递函数曲线。
[0016]图中:1、前置物镜光学系统；11、前置物镜的弯月形球面负透镜；12、前置物镜的平凸球面正透镜；13、前置物镜的平凸球面正透镜；14、前置物镜的弯月形球面负透镜；2、微小透镜阵列；21、球面负透镜；22、球面正透镜；23、球面正透镜；24、球面负透镜；3、像面(探测器焦平面)。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。
[0018]实施例1:
本实施例的技术方案是提供一种用于大规模高分辨率遥感相机的多尺度、大视场、高分辨率光学成像系统，它的工作波段为0.48 μ m?0.65 μ m,系统F数为F/#=4.0，全视场角120 度。
[0019]参见附图1，它是本发明提供的用于大规模高分辨率遥感相机的多尺度光学系统的工作原理示意图；前置物镜多尺度大视场高分辨率光学成像系统搭载于航天器上，接收来自地物的太阳光反射光，经过多尺度光学系统后，在各通道探测器的光敏面上形成光学像，经电子电路采集、图像处理后输出捕获的目标图像，得到地物大范围内目标场景的高分辨率图像。
[0020]参见附图2，它是本实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的结构示意图；沿光线入射方向，依次为前置物镜1、微小透镜阵列2和像面(探测器焦平面)3。
[0021]参见附图3，它是本实施例提供的用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统的光路图；包括前置物镜1、微小透镜阵列中的一个单通道光学成像系统和像面3。由图3可以看出，该多尺度光学成像系统的前置物镜由四片胶合的球面透镜构成，沿光线入射方向，依次为前置物镜的弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14。图3中含有一个单通道光学成像系统的光路，由附图3可以看出微小透镜阵列中的一个单通道光学成像系统由四片球面镜构成，它们为前后两组双胶合透镜结构，沿光线入射方向，依次为球面负透镜21和球面正透镜22组成的第一双胶合组，球面正透镜23和球面负透镜24组成的第二双胶合组，它们安装于一个镜筒内。若干个单通道光学成像系统安装于一个与前置物镜光学系统的球形像面同心的曲面上，形成微小透镜阵列。
[0022]前置物镜首先获取大视场的景物像，微小透镜阵列将该景物像分成多个成像通道，对其剩余像差进行精细校正，并同时将高质量的像转成到探测器的焦平面上。
[0023]本实施例提供的多尺度折射式光学成像系统中，对应各光学元件的相关参数如下:前置物镜光学系统和单通道光学成像系统的焦距分别为70mm和20mm，沿光线方向，弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14、中间像面15、球面负透镜21、球面正透镜22、球面正透镜23、球面负透镜24的曲率半径依次分别为 30.17mm、17.73mm、Infinity、-18.02mm、-34.65mm、-69.99mm、12.48mm、
5.42mm、-52.13mm、387.02mm、-2.63mm、和-15.87mm ;各透镜厚度依次为 12.44mm、17.89mm、17.87mm、16.62mm、3.47mm,3.llmm、3, Ilmm 和 1.90mm ;各透镜的折射率依次为 1.72、1.46、1.45,1.71,1.61,1.52,1.53,1.51。
[0024]为克服传统光学成像系统实现大视场和高分辨率要付出重量、体积、系统复杂性和巨额成本为代价的困难，本发明采用多尺度结构的设计思想，选用视场不受几何像差约束、即可获得大视场的同心球面系统作为前置物镜，并在前置物镜与焦平面之间引入微小透镜阵列光学系统，由各单通道光学成像系统将大视场分成多个成像通道，每个单通道光学成像系统在近轴范围对剩余像差进行精确校正，可在各通道获得接近衍射极限的成像性能，即可在大视场内实现衍射极限成像特性。为保证整个像面上各处的光强分布均匀，整个系统的光栏设计在单通道光学成像系统第一组双胶合镜组的第一个光学表面，另外也可起到很好地抑制视场外杂光的作用。
[0025]参见附图4，它是本实施例提供的光学成像系统的像面点扩散函数分布图，给出了像面上O度、30度、60度三个视场处的光斑强度分布，因为系统为对称结构，在-60度?O度视场范围内的光斑强度分布对应于60度?O度视场。可见,光斑中心点强度都在90%以上，而且强度超过50%以上的能量均集中在2.16 μ m的半圆范围内，像面上能量分布均匀。可见，本实施例提供的多尺度光学成像系统在大视场范围内，像面能量具有均匀性好的特性。
[0026]参见附图5，它是本实施例提供的光学成像系统的光程差分布曲线，表示实际像面与理想像面(即衍射极限面)之间的相位误差，横坐标表示光瞳坐标，纵坐标表示光程差大小，可见各视场光程差值均小于ο.2 λ，根据瑞利判据，光程差小于λ /4系统达到衍射极限成像性能。因此，本实施例提供的多尺度光学成像系统在120度的大视场范围达到了衍射极限的成像特性。
[0027]参见附图6，它是本实施例提供的光学成像系统的能量集中度曲线，横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中数值，图6表明，系统在单个探测器像元范围内能量集中度大于80%。
[0028]参见附图7，它是本实施例提供的光学成像系统的光学传递函数曲线，横坐标为空间频率，纵坐标是传递函数值，由图7可见，在120度视场范围内，系统在探测器乃奎斯特频率处，传递函数值在0.4，满足使用要求。
[0029]实施例2 本实施例中，工作波段为0.72 μ m?1.0 μ m，系统F数为F/#=4.0，全视场角120度，光学系统结构及成像光路参见附图2和附图3。
[0030]光学成像系统的其余参数如下:前置物镜和微小透镜单通道光学成像系统焦距分别为70mm和20mm，沿光线方向，弯月形球面负透镜11、平凸球面正透镜12、平凸球面正透镜13、弯月形球面负透镜14、中间像面15、球面负透镜21、球面正透镜22、球面正透镜23、球面负透镜 24 的曲率半径依次分别为 31.12mm、18.43mm、Infinity、_19.13mm、_35.55mm、_72.01mm、12.99mm、5.87mm、-53.36mm、391.52mm、-3.08mm、和-16.11mm ;各透镜厚度依次为
1.52mm、17.96mm、17.94mm、16.98mm、3.31mm、2.97mm、2.97mm 和 1.89mm ;各透镜的折射率依次为 1.71,1.45,1.47,1.73,1.62,1.53,1.54,1.52。
[0031]该多尺度折射式光学成像系统，在120度视场角的整个像面范围，可获得均匀的光强分布，得到衍射极限性能的光学图像，适用于大规模高分辨率空间相机。
【权利要求】
1.一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像方法，其特征在于:将前置成像物镜获得的大视场景物，经若干个单通道光学成像系统分割成对应的分视场，各单通道光学成像系统分别对其剩余像差进行校正，在与各单通道光学成像系统对应的探测器的焦平面上得到性能相同的光学图像，通过对得到的各光学图像进行拼接处理后，得到全视场光学图像。
2.一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:沿光线入射方向，依次为前置物镜光学系统(I)、微小透镜阵列(2)和探测器焦平面(3);所述的前置物镜光学系统为一组四片透镜胶合的同心球面结构，四片透镜为球心对称，安装于一个镜筒内，四片透镜依次为弯月形球面负透镜(11)、平凸球面正透镜(12)、平凸球面正透镜(13)、弯月形球面负透镜(14);前置物镜光学系统(I)的焦距为67mm ≤ Z7 ≤ 72mm ;所述的微小透镜阵列(2)包括若干个单通道光学成像系统，所述的单通道光学成像系统为安装于一个镜筒内的两组双胶合透镜结构，两组双胶合透镜的光学元件依次为球面负透镜(21)和球面正透镜(22)组成的第一双胶合组，球面正透镜(23)和球面负透镜(24)组成的第二双胶合组，单通道光学成像系统的焦距f2为17_ (f2≤22mm ;各单通道光学成像系统安装于一个与前置物镜光学系统(I)的球形像面同心的曲面上，形成微小透镜阵列(2)。
3.根据权利要求2所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:所述的弯月形球面负透镜(11)、平凸球面正透镜(12)、平凸球面正透镜(13)和弯月形球面负透镜(14)，它们相对于前置物镜光学系统的焦距Zr的归一化值依次为广n、广12、
和 /，14，满足条件-1.48 ≤f\x ≤-1.45，0.53 ≤f，12 ≤0.56，0.54 ≤f，n ≤0.57，-1.30 ≤广 74 ≤-1.25。
4.根据权利要求2所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:所述的弯月形球面负透镜(11)、平凸球面正透镜(12)、平凸球面正透镜(13)和弯月形球面负透镜(14)，它们所用材料的折射率依次为/7n、/712、n13、n14，满足条件1.68 ≤1.73，1.43 ≤n12 ≤1.50，1.45 ≤n13 ≤1.53，1.67 ≤nli ≤1.72。
5.根据权利要求2所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:所述的球面负透镜(21)、球面正透镜(22)、球面正透镜(23)和球面负透镜(24)的焦距，它们相对于单通道光学成像系统的焦距f2的归一化值依次为f，2l、f，22、f，和f，2V满足条件-0.96 ≤f，21 ≤-0.94，0.45 ≤f，22 ≤0.50，0.22 ≤/~3 ≤0.27，-0.35 ≤f，2i (-0.30。
6.根据权利要求2所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:所述的球面负透镜(21)、球面正透镜(22 )、球面正透镜(23 )和球面负透镜(24)，它们所用材料的折射率依次为n21、n22、n23、n24，满足条件1.58≤n21≤1.63，1.50≤n22≤1.56，1.52 ≤ Ii2Oo ≤ 1.57，1.53 ≤ n24 ≤ 1.60。
7.根据权利要求2所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:它的视场ω为0°≤ω≤120°。
8.根据权利要求1所述的一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其特征在于:它的光学筒长L为135_ ≤ L ≤ 150_。
【文档编号】G02B27/58GK103698900SQ201310742999
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】季轶群, 王岩 申请人:苏州大学