CN101650423A - 大面阵光电器件的光学拼接方法 - Google Patents
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Abstract
随着对大尺寸面阵光电探测器件需求的进一步提高，迫切需要开展面阵光电探测器件的拼接技术研究。本发明大面阵光电器件的光学拼接方法采用棱镜式拼接，通过在空间对棱镜及面阵器件位置的调整，实现了用6片小面阵器件拼接成2×3模式大面阵器件或者用4片小面阵器件拼接成2×2模式的大面阵器件，拼接方法简单，易于工程实现，可以满足航天遥感领域对大面阵光电探测器件的需求。
Description
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种应用于空间遥感器大面阵光电器件光学拼接的方法。
背景技术
随着空间遥感器的发展，大尺寸面阵光电探测器件的需求日趋旺盛，如地球静止轨道凝视卫星遥感器、低轨道画幅式数字型测绘遥感器、航空画幅数字型遥感器、低温光学超大规模矩阵宇宙空间热视仪、深空探测与空间实验技术等。大面阵光电探测遥感器是今后我国航天遥感器发展的一个重要方向，是提高我国光学遥感时间分辨率的重要手段。
由于芯片生产厂家工艺局限，目前国外最大尺寸的面阵光电探测器件为10K×10K，由于供货渠道和费用的限制，较难获取。国内最大尺寸的面阵光电探测器件为2K×4K，更大尺寸(如8K×8K以上)的面阵光电器件还在试验阶段。随着大尺寸面阵光电探测器件需要的进一步提高，面阵光电探测器件尺寸不可能无限增大，迫切需要开展面阵光电探测器件的拼接技术研究，满足航天遥感器对面阵光电探测器件拼接的特殊需求。
2001年在“第十五届全国红外科学技术交流会暨全国光电技术学术交流会”上，中科院光电技术研究所戴俊钊等人发表的《提高大视场图像测量精度的CCD光学拼接技术》一文公开了采用二次棱镜分光实现CCD光学拼接的方法，该方法由于采用半反半透的分光方式，且入射光束需经过两次分光才能到达像面，这就使得入射到像面的光能量减少至原来能量的四分之一，导致能量不足的问题。因此其在航天遥感领域的实用性不是很强。
2003年第11卷04期《光学精密工程》上，中科院长春光机所何昕等人发表的《基于单心球面系统的九块面阵CCD数字拼接》一文介绍了一种单心球面系统的拼接方法，该方法通过对一次像面上的光束进行分割，然后由小透镜分别成像在二次像面上，从而达到拼接的目的。单心球面系统拼接方法由于二次成像小透镜的引入导致系统结构复杂，外形尺寸较大，工程可实现性较差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简便、易于实现的2×3或者2×2面阵光电器件的光学拼接方法。
本发明的技术解决方案为：2×3大面阵光电器件的光学拼接方法，步骤如下：
(1)建立空间直角坐标系，所述坐标系以光线传播方向为Z轴正方向，垂直纸面向外为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定，坐标原点为O；
(2)在空间位置依次放置六片相同的探测器，放置时第一探测器、第三探测器、第五探测器所在平面均与XOZ平面平行，其中第一探测器和第三探测器所在平面与Y轴的正半轴相交，第五探测器所在平面与Y轴的负半轴相交，第四探测器和第六探测器所在平面均与YOZ平面平行，其中第四探测器所在平面与X轴的负半轴相交，第六探测器与X轴的正半轴相交，第二探测器所在平面与入射光线垂直；
(3)在空间位置依次放置五个相同的反射棱镜，第一反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第一探测器，第三反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第三探测器，第四反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第四探测器，第五反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第五探测器，第六反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第六探测器，第四反射棱镜、第五反射棱镜和第六反射棱镜在XOY平面上的投影为依次相连的三个矩形且沿X轴正方向排列，第一反射棱镜和第四反射棱镜在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列，第三反射棱镜和第六反射棱镜在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列；
(4)分别调整各探测器的位置，使得入射到各探测器的光线的光程相等。
所述的第一反射棱镜、第三反射棱镜、第四反射棱镜、第五反射棱镜、第六反射棱镜均为全反射棱镜。
所述的第一反射棱镜、第三反射棱镜、第四反射棱镜、第五反射棱镜、第六反射棱镜均为对角面镀覆反射膜的立方体棱镜，此时需要在同时与第一反射棱镜、第三反射棱镜和第五反射棱镜相邻的空间放置第二棱镜将沿Z轴正方向入射的光线透射至第二探测器，第二棱镜为立方体棱镜。
2×2大面阵光电器件的光学拼接方法，步骤如下：
(1)建立空间直角坐标系，所述坐标系以光线传播方向为Z轴正方向，垂直纸面向外为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定，坐标原点为O；
(2)在空间位置依次放置四片相同的探测器，第七探测器、第九探测器所在平面均与XOZ平面平行，其中第七探测器所在平面与Y轴的正半轴相交，第九探测器所在平面与Y轴的负半轴相交，第八探测器和第十探测器所在平面均与YOZ平面平行，其中第八探测器所在平面与X轴的正半轴相交，第十探测器与X轴的负半轴相交；
(3)在空间位置依次放置四个相同的反射棱镜，第七反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第七探测器，第八反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第八探测器，第九反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第九探测器，第十反射棱镜将沿Z轴正方向入射的光线反射至第十探测器，第七反射棱镜、第八反射棱镜在XOY平面上的投影为依次相连的两个矩形且沿X轴正方向排列，第九反射棱镜和第八反射棱镜在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列，第十反射棱镜和第七反射棱镜在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列；
(4)分别调整各探测器的位置，使得入射到各探测器的光线的光程相等。
所述的第七反射棱镜、第八反射棱镜、第九反射棱镜、第十反射棱镜均为全反射棱镜。
所述的第七反射棱镜、第八反射棱镜、第九反射棱镜、第十反射棱镜均为对角面镀覆反射膜的立方体棱镜。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用棱镜式拼接方法，根据光路的走向和光程相同的原则，在空间确定焦面和棱镜所摆放的位置，实现6片小面阵器件拼接成2×3模式或者实现4片小面阵器件拼接成2×2模式的大面阵器件，操作简便，结构简单、可靠，拼接后得到的大面阵器件可使相邻探测器有效像元完全搭接，做到无间隙，增大了焦面的尺寸，有利于图像应用；
(2)本发明中反射棱镜既可以全部采用全反射棱镜，也可以采用对角面镀覆反射膜的立方体棱镜和对角面未镀覆反射膜的立方体棱镜的组合来实现光线的反射，可以根据是否需要校正色差选用不同形式的棱镜组合，原理简单，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明2×3模式面阵光电器件的光学拼接示意图；
图2为本发明2×3模式拼接时各棱镜在平面区域的表示图；
图3为本发明2×3模式面阵器件光学拼接效果示意图；
图4为本发明2×2模式面阵光电器件的光学拼接示意图；
图5为本发明2×2模式拼接时各棱镜在平面区域的表示图；
图6为本发明2×2模式面阵器件光学拼接效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为实现6片小面阵器件拼接成2×3模式大面阵器件的拼接示意图。为了叙述方便，首先要建立空间直角坐标系，坐标系以光线传播方向为Z轴正方向(在此选取铅垂向下方向)，垂直纸面向外为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定，坐标原点为O。
在空间位置依次放置六片相同的探测器，第一探测器7、第三探测器9、第五探测器11所在平面均与XOZ平面平行，其中第一探测器7和第三探测器9所在平面与Y轴的正半轴相交，第五探测器11所在平面与Y轴的负半轴相交，第四探测器10和第六探测器12所在平面均与YOZ平面平行，其中第四探测器10所在平面与X轴的负半轴相交，第六探测器12与X轴的正半轴相交，第二探测器8所在平面与入射光线垂直。
本发明采用的探测器为面阵光电图像传感器LUPA-4000 CMOS，其像元尺寸为：12μm，像元数为：2K×2K。当然也可采用其他型号的面阵CMOS器件或者面阵CCD器件。
在放置完探测器后开始放置棱镜，在2×3模式时共需要6个棱镜。如图2所示，为说明棱镜和器件之间的角度和关系，将2×3模式时棱镜在XOY平面上的投影分区域标注，沿x方向的6条边分别为x1、x2、x3、x4、x5和x6，沿y方向的4条边分别为y1、y2、y3和y4，则6个区域分别用x1y1、x2y1、x3y1、x4y2、x5y2、x6y2表示。
图2中，第一探测器7、第三探测器9、第四探测器10、第五探测器11和第六探测器12分别垂直放置在x1、x3、y3、x5和y2处。第一反射棱镜1和第三反射棱镜3的投影位于x1y1和x3y1区域，且使得经过光学系统的光束光线以与棱镜反射面法向成45°角度入射，分别反射到第一探测器7和第三探测器9。
然后将第二探测器8平放在第一反射棱镜1和第三反射棱镜3投影中间的x2y1位置，光束直接垂直入射到第二探测器8上。
第四反射棱镜4的投影位于x6y2区域，第四反射棱镜4反射面法向与第四探测器10的法向夹角为45°。第五反射棱镜5的投影位于x5y2区域，第五反射棱镜5反射面法向与第五探测器11的法向夹角为45°。第六反射棱镜6的投影位于x4y2区域，第六反射棱镜6反射面法向与第六探测器12的法向夹角为45°。
将器件和棱镜放置完毕后，即可实现棱镜2×3面阵器件光学拼接焦面，光学拼接效果示意图如图3所示。
在选用拼接棱镜时，如果光线由全反射式光学系统或者已校正色差的透射式系统、折反射式系统出射时，则第一反射棱镜1、第三反射棱镜3、第四反射棱镜4、第五反射棱镜5、第六反射棱镜6可以均采用全反射棱镜。如果光线由需要校正色差的透射式系统或者折反射式系统出射时，则第一反射棱镜1、第三反射棱镜3、第四反射棱镜4、第五反射棱镜5、第六反射棱镜6均为对角面镀覆反射膜的立方体棱镜，此时应在第一反射棱镜1、第三反射棱镜3和第五反射棱镜5之间放置与第二棱镜2，且第二棱镜2为立方体棱镜，将入射光线透射至第二探测器8。
如图4所示，为实现4片小面阵器件拼接成2×2模式大面阵器件的拼接示意图。图中坐标系的建立方法与2×3模式时相同。
首先还是在空间位置依次放置四片相同的探测器，第七探测器17、第九探测器19所在平面均与XOZ平面平行，其中第七探测器17所在平面与Y轴的正半轴相交，第九探测器19所在平面与Y轴的负半轴相交，第八探测器18和第十探测器20所在平面均与YOZ平面平行，其中第八探测器18所在平面与X轴的正半轴相交，第十探测器20与X轴的负半轴相交。
在放置完探测器后开始放置棱镜，在2×2模式时共需要4个棱镜。如图5所示，为说明棱镜和器件之间的角度和关系，将2×2模式时4个棱镜在XOY平面上的投影分区域标注，沿x方向的4条边分别为x1、x2、x3和x4，沿y方向的4条边分别为y1、y2、y3和y4，则4个区域分别用x1y1、x2y1、x3y2和x4y2表示。
图5中，第七探测器17、第八探测器18、第九探测器19和第十探测器20分别垂直放置在x1、y1、x3和y3处。第七反射棱镜13、第八反射棱镜14、第九反射棱镜15和第十反射棱镜16的投影分别位于x1y1、x2y1、x3y2和x4y2区域，且使得经过光学系统的光束光线以与各棱镜反射面法向成45°角度入射，并分别反射到第七探测器17、第八探测器18、第九探测器19和第十探测器20。
在2×2面阵器件光学拼接模式分光棱镜的选取原则与2×3面阵器件光学拼接模式的选取原则相同。
将所有探测器和棱镜放置完毕后，即可实现棱镜2×2面阵器件光学拼接焦面，光学拼接效果示意图如图6所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。
Claims (6)
1、大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立空间直角坐标系，所述坐标系以光线传播方向为Z轴正方向，垂直纸面向外为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定，坐标原点为O；
(2)在空间位置依次放置六片相同的探测器，放置时第一探测器(7)、第三探测器(9)、第五探测器(11)所在平面均与XOZ平面平行，其中第一探测器(7)和第三探测器(9)所在平面与Y轴的正半轴相交，第五探测器(11)所在平面与Y轴的负半轴相交，第四探测器(10)和第六探测器(12)所在平面均与YOZ平面平行，其中第四探测器(10)所在平面与X轴的负半轴相交，第六探测器(12)与X轴的正半轴相交，第二探测器(8)所在平面与入射光线垂直；
(3)在空间位置依次放置五个相同的反射棱镜，第一反射棱镜(1)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第一探测器(7)，第三反射棱镜(3)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第三探测器(9)，第四反射棱镜(4)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第四探测器(10)，第五反射棱镜(5)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第五探测器(11)，第六反射棱镜(6)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第六探测器(12)，第四反射棱镜(4)、第五反射棱镜(5)和第六反射棱镜(6)在XOY平面上的投影为依次相连的三个矩形且沿X轴正方向排列，第一反射棱镜(1)和第四反射棱镜(4)在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列，第三反射棱镜(3)和第六反射棱镜(6)在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列；
(4)分别调整各探测器的位置，使得入射到各探测器的光线的光程相等。
2、根据权利要求1所述的大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于：所述的第一反射棱镜(1)、第三反射棱镜(3)、第四反射棱镜(4)、第五反射棱镜(5)、第六反射棱镜(6)均为全反射棱镜。
3、根据权利要求1所述的大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于：所述的第一反射棱镜(1)、第三反射棱镜(3)、第四反射棱镜(4)、第五反射棱镜(5)、第六反射棱镜(6)均为对角面镀覆反射膜的立方体棱镜，此时需要在同时与第一反射棱镜(1)、第三反射棱镜(3)和第五反射棱镜(5)相邻的空间放置第二棱镜(2)将沿Z轴正方向入射的光线透射至第二探测器(8)，第二棱镜(2)为立方体棱镜。
4、大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立空间直角坐标系，所述坐标系以光线传播方向为Z轴正方向，垂直纸面向外为Y轴正方向，X轴正方向由右手定则确定，坐标原点为O；
(2)在空间位置依次放置四片相同的探测器，第七探测器(17)、第九探测器(19)所在平面均与XOZ平面平行，其中第七探测器(17)所在平面与Y轴的正半轴相交，第九探测器(19)所在平面与Y轴的负半轴相交，第八探测器(18)和第十探测器(20)所在平面均与YOZ平面平行，其中第八探测器(18)所在平面与X轴的正半轴相交，第十探测器(20)与X轴的负半轴相交；
(3)在空间位置依次放置四个相同的反射棱镜，第七反射棱镜(13)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第七探测器(17)，第八反射棱镜(14)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第八探测器(18)，第九反射棱镜(15)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第九探测器(19)，第十反射棱镜(16)将沿Z轴正方向入射的光线反射至第十探测器(20)，第七反射棱镜(13)、第八反射棱镜(14)在XOY平面上的投影为依次相连的两个矩形且沿X轴正方向排列，第九反射棱镜(15)和第八反射棱镜(14)在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列，第十反射棱镜(16)和第七反射棱镜(13)在XOY平面上的投影为相连的两个矩形且沿Y轴负方向排列；
(4)分别调整各探测器的位置，使得入射到各探测器的光线的光程相等。
5、根据权利要求4所述的大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于：所述的第七反射棱镜(13)、第八反射棱镜(14)、第九反射棱镜(15)、第十反射棱镜(16)均为全反射棱镜。
6、根据权利要求4所述的大面阵光电器件的光学拼接方法，其特征在于：所述的第七反射棱镜(13)、第八反射棱镜(14)、第九反射棱镜(15)、第十反射棱镜(16)均为对角面镀覆反射膜的立方体棱镜。
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