CN102073147A

CN102073147A - 多望远镜型光学合成孔径成像系统及其设计方法

Info

Publication number: CN102073147A
Application number: CN 201010604667
Authority: CN
Inventors: 梁士通; 杨建峰; 薛彬; 阮萍
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102073147B

Abstract

本发明旨在提供一种多望远镜型光学合成孔径成像系统及其设计方法，以解决传统单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到期望的系统指标的问题。设计得到的三子镜折反式光学合成孔径成像系统由光束合成镜和在系统入瞳面上以中心对称型式排布的结构相同的三个无焦子望远镜以及分别对应于各无焦子望远镜的光学延迟线组成，三个无焦子望远镜出瞳的共同的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径均满足无焦子望远镜放大率；光学延迟线设置于相应的折射系统平行出射光光路上，由两个平面反射镜组成；所述光束合成镜也为旋转对称系统。本发明系统结构紧凑，布局合理，为实现合成孔径成像技术工程化应用奠定了基础。

Description

多望远镜型光学合成孔径成像系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，以及基于此方法设计成型的系统。

背景技术

根据物理光学理论，在系统工作波长一定的情况下，要提高光学系统的空间分辨率，必须增大系统的通光口径。在实际应用中，大型或超大型的光学系统口径的增大受到材料、工艺水平、装配、有效载荷舱体积和成本等诸多因素的限制，在现有技术条件下是很难实现甚至不可能实现。并且对于空间光学系统，口径的增大势必带来发射的困难，复杂的空间环境也可能导致大口径光学镜面的变形而不能达到正常的工作性能，最终导致系统可能无法达到正常的工作性能。为了突破系统口径的限制，获得更高的空间分辨率，并且降低系统的重量，光学合成孔径成像理论得以提出。

为了解决传统单个大口径光学系统所带来的种种技术难题，欧美科学家较早的提出了光学合成孔径成像技术。光学合成孔径成像系统是以组合孔径法为基本原理的成像系统。它是把多个小口径的光学元件或光学系统按照一定的方式在空间上进行排列，通过各子孔径的光束经过位相补偿和调整后相干叠加到共同的焦平面上，使系统的空间分辨率和成像质量等效为一个更大口径的光学成像系统。各子孔径所产生的像场必需是同位相叠加，这样它们之间才能在艾里斑的中心相互增强并使艾里斑变窄，从而达到提高分辨率的作用。小孔径系统的使用，降低了系统加工和制造难度，整个系统的体积和重量也大大降低。多个结构相同的小孔径系统还可实现模块化生产和检测，大幅降低研制成本。

光学合成孔径成像系统有共用次镜型和多望远镜型两种理论结构型式。共用次镜结构，又名拼接主镜技术，是将单大口径系统的主镜分为多个小块，每个小块的面型与主镜相同，是主镜的一部分，将各部件按其在大口径系统中的位置进行排布，次镜将来自各小块的光线汇聚至像面成像。共用次镜结构可以认为是多个带有不同离轴量的光学系统的组合，现在单大口径系统的设计主要采用的就是这种结构。

共用次镜结构的设计可以在传统单口径系统的主镜上加入不同的孔径光阑实现，其设计方法与传统单孔径系统的设计方法相同。

多望远镜结构主要考虑由多个结构相同的无焦系统、光束合成镜和光学延迟线三部分组合实现的，多个无焦子望远镜收集来自物面的入射光束，光束合成镜作为第二级光学系统收集来自各无焦子望远镜的光束，并将其成像于像面上，光学延迟线则作为无焦子望远镜和光束合成镜的连接部，将无焦子望远镜的出射光束送入光束合成镜进行光束合成。该结构中无焦子望远镜可以实现批量化生产，以降低成本；光束合成镜口径较小，在设计和加工等方面难度不大；无焦子望远镜和光束合成镜间的光学延迟线可用于调整各子镜间的相位差，给装调带来方便。

多望远镜型光学合成孔径成像技术与传统单孔径光学成像技术的差异导致其在设计方法上和性能评价上的差异。

在性能评价方面，调制传递函数(MTF)和斯特列尔值(Strehl Ratio，SR)是评价合成孔径成像系统成像性能和设计优劣的重要指标。根据瑞利判据，良好的设计结果其MTF应接近衍射极限，SR高于0.8。

目前，还没有出现规范的设计方法作为标准化操作流程，以建立满足系统指标的合成孔径成像系统。某些简单的合成孔径成像系统的实践，仍然难以达到期望的系统指标。

合成孔径成像系统的设计是合成孔径成像技术工程化应用的先决条件，是合成孔径成像技术研究的关键技术之一。

发明内容

本发明旨在提供一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，以解决传统单个大口径光学系统加工和制造难度大以及某些简单的合成孔径成像系统实践难以达到期望的系统指标的问题。

该多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法：设要求的系统指标为工作波段λ1～λ2，系统口径D，系统焦距f，系统全视场角2ω；该光学合成孔径成像系统的设计方法包括以下步骤：

(1)根据要求的系统指标确定无焦子望远镜和光束合成镜各自的性能指标，其中，无焦子望远镜全视场角即系统全视场角2ω；

(1.1)根据系统指标选择合适的孔径排布、填充因子F和无焦子望远镜数N；

(1.2)根据填充因子F和无焦子望远镜数N确定无焦子望远镜口径d，

d = \sqrt{\frac{F}{N}} \cdot D;

(1.3)根据系统口径D和系统焦距f选择无焦子望远镜放大率m；

(1.4)根据系统口径D和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜的入瞳直径D_c，D_c＝D/m；

根据系统焦距f和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜焦距f_c，f_c＝f/m；

(1.5)根据无焦子望远镜全视场角2ω和无焦子望远镜放大率m确定光束合成镜全视场角ω_c，ω_c＝2mω；

(2)根据以上技术指标分别对无焦子望远镜和光束合成镜单独进行设计，无焦子望远镜的设计达到衍射极限，光束合成镜保留部分像差以抵消无焦系统的残余像差；

(3)将无焦子望远镜、光束合成镜和光学延迟线按照步骤(1.1)设定的孔径排布进行排布，使无焦子望远镜的出瞳与光束合成镜的入瞳重合；

(4)对系统整体进行整体优化，使之达到要求的系统指标；若多次优化后，系统仍不能达到要求的系统指标，则返回步骤(1)，修改无焦子望远镜和光束合成镜技术指标，其中，无焦子望远镜放大率m作为此时的主要修改参数，然后继续之后步骤直至达到要求的系统指标。

上述无焦子望远镜放大率m的取值范围为5～20，一般不主动考虑在该范围之外取值。

上述光束合成镜是通过保留一部分负的场曲和畸变(作为典型的两种像差)，以抵消无焦系统的残余像差。

上述光学延迟线采用多个平面反射镜或棱镜。

本发明还提供了基于此方法设计成型的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，该光学合成孔径成像系统由光束合成镜和在系统入瞳面上以中心对称型式排布的结构相同的三个无焦子望远镜以及分别对应于各无焦子望远镜的光学延迟线组成，三个无焦子望远镜出瞳的共同的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径均满足无焦子望远镜放大率；其中，每一个无焦子望远镜均包括沿光入射方向依次设置的RC系统和用以形成平行出射光的折射系统，所述RC系统的像面位于RC系统的主镜之后，所述RC系统与所述折射系统共焦；光学延迟线设置于相应的折射系统平行出射光光路上，由两个平面反射镜组成；所述光束合成镜也为旋转对称系统。

上述RC系统与折射系统之间还设置有一个用于匹配校正RC系统与折射系统的调试透镜。

上述调试透镜为近似于平板透镜的负透镜。

上述光束合成镜的最后一个透镜为双胶合结构。

本发明具有以下优点：

1、突破了系统口径的限制，可获得更高的空间分辨率，能够满足较高的系统指标，为实现合成孔径成像技术工程化应用奠定了基础。

2、综合对系统点列图、MTF和斯特列尔值的分析，系统的成像质量已经达到衍射极限，具有良好的成像性能。

3、子望远镜和光束合成镜均为旋转对称系统，便于加工和装配，且系统结构紧凑，布局合理。

附图说明

图1为现有合成孔径系统结构型式，其中a为多望远镜结构，b为共用次镜结构；

图2为本发明系统示意图；

图3为本发明光路结构示意图(仅示意了其中一个子望远镜)；

图4为各无焦子望远镜在系统入瞳面上的排布型式示意图；

图5为无焦子望远镜的波像差RMS随视场的变化示意图；

图6为光束合成镜的MTF曲线；

图7为本发明三子镜折反式光学合成孔径成像系统MTF在各视场在子午和弧矢方向的MTF曲线；

图8为本发明三子镜折反式光学合成孔径成像系统斯特列尔值随视场的变化曲线。

附图标号说明：

1-反射镜，2-反射镜，3-透镜，4-透镜，5-透镜，6-透镜，7-透镜，8-透镜，9-透镜，10-像面。

具体实施方式

本发明的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，要求的系统总体技术指标如表1所示。

表1

工作谱段	0.51～0.59μm
		全视场角	0.2°
孔径	500mm
		系统焦距	5400mm
孔径排布	GOLAY3

按照表1提出的系统总体指标要求，根据本发明的设计方法对该系统进行了指标分配和设计，得到的无焦子望远镜和光束合成镜的技术指标如表2所示。

表2

	无焦子望远镜	光束合成镜
			工作波段	0.51～0.59μm	0.51～0.59μm
入瞳直径	200mm	50mm
			焦距	∞	540mm
放大率	10	---
			全视场角	0.2°	2°

该系统结构示意图如图2所示。图3给出了本发明光路结构示意图(仅示意了其中一个子望远镜)；图4为各无焦子望远镜在系统入瞳面上的排布型式示意图。

图3中，单无焦子望远镜、光束合成镜和光学延迟线组成的系统总体可分为四组。I组由反射镜1和2组成RC系统，透镜3用于对系统焦距进行微调。II组由透镜4、5和6的三片式结构组成，I组和II组共焦组成一个无焦系统，该无焦系统为系统的子望远镜。III组由透镜7、8和9组成系统的光束合成镜，其中透镜9为双胶合结构。IV组为光学延迟线，由两个平面反射镜组成。

光线走向为：来自目标的入射光线经反射镜1和反射镜2后经过透镜3汇聚于I组的像面上，I组的像面为II组的物面，该像面的光线进入II组后通过透镜4、5和6变为平行光束，进入IV组的光学延迟线，然后进行III组，经透镜7、8和9后在光束合成镜焦面成像，其他无焦子望远镜也各自通过自身的光学延迟线后进入系统光束合成镜，最终在像面10形成各子镜合成后的分辨率提高的图像。

该三子镜折反式光学合成孔径成像系统的设计方法包括以下步骤：

d = \sqrt{\frac{F}{N}} \cdot D;

(1.3)根据系统口径D和系统焦距f选择无焦子望远镜放大率m，m一开始只在5～20的范围内选择；

(2)根据以上技术指标分别对无焦子望远镜和光束合成镜单独进行设计，无焦子望远镜的设计达到衍射极限，光束合成镜保留一部分负的场曲和畸变以抵消无焦系统的残余像差；

(3)将无焦子望远镜、光束合成镜和光学延迟线按照步骤(1.1)设定的孔径排布进行排布，使无焦子望远镜的出瞳与光束合成镜的入瞳重合；其中，光学延迟线采用两个平面反射镜或棱镜；

其中，关于无焦子望远镜的设计：

用两个有焦系统共焦即可得到无焦系统。由于子望远镜口径较大，可以采用反射式结构，但反射式结构会给系统带来遮拦，且反射镜面数较少时，无法同时校正各种像差；折射元件会引入色差，但在视场和口径不大时，色差是可以校正的。因此，采用反射系统与折射系统共焦的型式是可行的。

反射系统采用RC系统，折射系统采用三片式结构，根据放大率等要求，确定各结构的焦距和口径等参数，然后对无焦系统进行优化。可以采用波像差评价其性能，图5给出了无焦子望远镜的波像差RMS随视场的变化情况。

无焦系统存在少量的色差，但各色光的RMS波像差在全视场均达到了衍射极限基本达到了理想状态，最大波像差小于0.06λ，低于0.072λ的衍射极限，系统的各种主要像差已经得到较好的校正。

子望远镜的次镜对主镜的遮拦比较小，约为0.12，可以保证较大的光通量，提高系统的成像质量。RC系统的像面在主镜以后，对抑制系统杂散光有利。系统出瞳距较长，约为500mm。无焦子系统在成像性能和结构型式等方面已经满足设计要求。

关于光束合成镜的设计：

光束合成镜用于收集来自各无焦子系统的光束，使其在像面上成像。根据合成孔径系统中的黄金准则，各子镜的出瞳的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径为50mm。根据无焦系统的放大率，光束合成镜的全视场角为2°，光束合成镜焦距为540mm。对于折射系统，该技术指标是比较容易实现的，因此采用三片式，其中一片为双胶合的结构型式。但光束合成镜设计时还应考虑无焦系统的剩余像差的校正，场曲和畸变在剩余像差所占比例较大，光束合成镜保留一部分负的场曲和畸变，以抵消无焦系统的像差。

为了降低无焦系统轴外光线在光束合成镜上的投射高度，将光束合成镜的入瞳前移，使无焦系统的出瞳与光束合成镜的入瞳重合，满足光瞳匹配。光束合成镜的MTF如图6所示。

光束合成镜保留了部分像差，仅就其本身而言，成像性能没有达到衍射极限。无焦子镜和光束合成镜设计完成后，应将两部分合成一个整体进行适当的优化，提高系统的整体性能。

经仿真，验证本发明系统各视场的斯特列尔值随视场的增大而逐渐降低，在边缘视场约为0.88，但均在0.8以上，根据斯特列尔判据，系统在全视场具有良好的成像质量。

综合对系统点列图、MTF和斯特列尔值的分析，系统的成像质量已经达到衍射极限，具有良好的成像性能。子望远镜和光束合成镜均为旋转对称系统，便于加工和装配，且系统结构紧凑，布局合理。

Claims

1.一种多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，设要求的系统指标为工作波段λ1～λ2，系统口径D，系统焦距f，系统全视场角2ω；该光学合成孔径成像系统的设计方法包括以下步骤：

d = \sqrt{\frac{F}{N}} \cdot D;

(1.3)根据系统口径D和系统焦距f选择无焦子望远镜放大率m；

2.根据权利要求1所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在于：所述无焦子望远镜放大率m的取值范围为5～20。

3.根据权利要求2所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在于：所述光束合成镜是通过保留一部分场曲和畸变，以抵消无焦系统的残余像差。

4.根据权利要求3所述的多望远镜型光学合成孔径成像系统的设计方法，其特征在于：所述光学延迟线采用多个平面反射镜或棱镜。

5.按照权利要求1所述设计方法建立的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于：该光学合成孔径成像系统由光束合成镜和在系统入瞳面上以中心对称型式排布的结构相同的三个无焦子望远镜以及分别对应于各无焦子望远镜的光学延迟线组成，三个无焦子望远镜出瞳的共同的外切圆在光束合成镜入瞳上的孔径均满足无焦子望远镜放大率；其中，每一个无焦子望远镜均包括沿光入射方向依次设置的RC系统和用以形成平行出射光的折射系统，所述RC系统的像面位于RC系统的主镜之后，所述RC系统与所述折射系统共焦；光学延迟线设置于相应的折射系统平行出射光光路上，由两个平面反射镜组成；所述光束合成镜也为旋转对称系统。

6.根据权利要求5所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于：所述RC系统与折射系统之间还设置有一个用于匹配校正RC系统与折射系统的调试透镜。

7.根据权利要求6所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于：所述调试透镜为近似于平板透镜的负透镜。

8.根据权利要求7所述的三子镜折反式光学合成孔径成像系统，其特征在于：所述光束合成镜的最后一个透镜为双胶合结构。