CN102883095A - 双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统 - Google Patents

Abstract

双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，采用2成像系统结构和棱镜分光方式，在第一个镜头上实现17片面阵探测器的成像，主像面放置9片面阵探测器，4个侧像面各放置2片共8片面阵探测器；在第二个镜头上实现8片面阵探测器的成像，其中主像面放置4片面阵探测器，4个侧像面各放置1片共4片面阵探测器；2成像系统与面阵探测器组合实现了5×5模式共25片面阵探测器形成的像面无缝拼接。分光棱镜由1块四棱锥和4块半四棱锥镜组合实现，在分光面采用半透半反实现分光，用于实现等能量分光、以及消除面阵探测器的拼接渐晕。本发明可应用于航空、航天光学成像、光学探测仪器及设备，特别适用于大视场超大面阵探测器的航空、航天测绘相机。

Description

双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统

技术领域

本发明属于超大面阵探测器拼接的无缝成像光电系统，特别是一种双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统。

背景技术

随着航空、航天技术的发展，对大面阵以及超大面阵的光电成像系统需求越来越急迫。常采用两种方式实现大面阵规模成像，一是在探测器厂家定制超大规模探测器器件，二是采用探测器拼接。

目前国际上单片大面阵探测器规模在17k×15k（DMC250）左右，非货架商品，应用成本昂贵。另外进一步增大单片探测器规模也是当前探测器发展的一个技术瓶颈。

国外采用拼接方式的航空测绘相机，如UCE探测器规模已达到20k×13k（UCE）。而航空、航天光电成像系统对重量、尺寸、功耗等有严格的限制。在继续增大探测器规模的情况下，如实现40k×40k规模或更大规模的光电成像系统，采用如UCE的4镜头9探测器拼接，镜头数量多，整个结构将变得庞大。

陈旭南等.多片面阵CCD图像传感器焦平面光学拼接技术中采用单镜头的光学拼接方式可实现多片面阵CCD的拼接，但分光次数过多、光能损失严重，光学系统后工作距离要求大的缺点，在大视场测绘相机系统中无法实现或存在光能严重不足的问题。

中国发明专利CN 101692447B采用单镜头、旋转反射镜与CCD探测器组的方式工作在4个位置实现像面拼接。存在运动机构、可靠性、系统精度的长期稳定性难以保证，以及后工作距离较长的不足。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种无视场缺失、无渐晕、无运动机构、结构简单易实现、系统精度稳定可靠的双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统。

本发明技术方案解决了25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，其特点在于：采用两套成像系统实现5×5模式25片探测器的成像获取，每套成像系统包括一个镜头和一个分光棱镜分光，分光棱镜位于镜头后方；两套成像系统光轴平行安装，25片面阵探测器在主像面和侧像面上进行阵列错位间隔安装，实现像面无缝拼接；

主像面位于分光棱镜的正后方，侧像面位于分光棱镜的4个侧面；

将拼接后的整个像面按照5×5阵列进行等间距分割，水平与垂直分割尺寸与面阵探测器相应方向感光尺寸相一致，所有面阵探测器应选用同一型号产品，即其感光尺寸等参数相同；

阵列编号为由上而下，由左至右编号，即最上一行为第1行，最下一行为第5行；最左一列为第1列，最右一列为第5列；第一行为面阵探测器1～5，第二行为面阵探测器6~10，依次类推，共计25片面阵探测器；

第一套成像系统中，在第一个镜头a后放置第一分光棱镜b和17片面阵探测器，其中主像面放置9片面阵探测器，4个侧像面中每个侧像面各放置2片面阵探测器；主像面放置的9片面阵探测器分别为第一、第三、第五、第十一、第十三、第十五、第二十一、第二十三和第二十五面阵探测器1、3、5、11、13、15、21、23、25；侧像面放置的面阵探测器分别为第二、第四、第六、第十六、第二十、第二十二、第二十四面阵探测器2、4、6、10、16、20、22、24，从第一镜头a向主像面方向看，其中第二、第四面阵探测器2、4位于上侧像面，第二十二、第二十四面阵探测器22、24位于下侧像面，第六、第十六面阵探测器6、16位于左侧像面，第十、第二十面阵探测器10、20位于右侧像面；主像面的面阵探测器和侧像面的面阵探测器中两两相互之间的中心间距为面阵探测器相应方向感光尺寸的2倍；

第二套成像系统中，在第二个镜头c后放置第二分光棱镜d和8片面阵探测器，其中主像面放置4片面阵探测器，4个侧像面中每个侧像面各放置1片面阵探测器；主像面放置的面阵探测器分别为第七、第九、第十七、第十九面阵探测器为7、9、17、19；侧像面放置的面阵探测器分别为第八、第十二、第十四、第十八面阵探测器8、12、14、18，从第二镜头c向主像面方向看，其中第八面阵探测器8位于上侧像面，第十八面阵探测器18位于下侧像面，第十二面阵探测器12位于左侧像面，第十四面阵探测器14位于右侧像面；主像面的面阵探测器和侧像面的面阵探测器中两两相互之间的中心间距为面阵探测器相应方向感光尺寸的2倍；

在5×5阵列像面上，第二套成像系统的面阵探测器布置在第一套成像系统面阵探测器布置后的剩余区域，即在整个像面上两成像系统面阵探测器布置为互补关系。

所述分光棱镜b或d由1块四棱锥镜和4块半四棱锥镜组成；四棱锥镜包含4个45°分光面和一个后端面；所述半四棱锥镜是

四棱锥镜的对半剖分；四棱锥镜位于中央，其余4块半四棱锥镜位于四棱锥镜外侧周围，组合后变成为一块等厚的光学平板；光学平板厚度为四棱锥镜后端面通光尺寸的1/2。

所述四棱锥棱镜在4个45°分光面镀制半透半反膜系，后端面为全透膜系，通过半反半透分光，实现等能量分光。

所述半四棱锥棱镜在每个面镀制全透膜系。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）通过本发明的结构实现了25片面阵探测器的像面无缝拼接方法，具有无视场缺失、无渐晕、无运动机构、结构简单易实现、系统精度稳定可靠的优点。特别是如果采用8k×8k的货架产品，则5×5模式可实现40k×40k的探测成像规模。

（2）本发明的2镜头与棱镜半透半反分光方式组合，像面光能为进入成像系统光能的50%，实现像面等照度成像。

（3）本发明的分光棱镜由1块四棱锥和4块半四棱锥镜组合实现，在分光面采用半透半反实现分光，用于实现等能量分光、以及消除面阵探测器的拼接渐晕。

（4）本发明可应用于航空、航天光学成像、光学探测仪器及设备，特别适用于大视场超大面阵探测器的航空、航天测绘相机。

附图说明

图1为本发明双镜头组合实现25片面阵探测器无缝拼接成像光电系统图；

图2为本发明镜头a与17片面阵探测器安装布置图；

图3为本发明镜头c与8片面阵探测器安装布置图；

图4为本发明25片面阵探测器组合实现的像面拼接图；

图5为本发明中分光棱镜结构图，其中a为主视图，b为侧视图；

图6为本发明中四棱锥结构图；

图7为本发明中半四棱锥结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括2套成像系统，第1套成像系统包括第镜头a、分光棱镜b、17片面阵探测器组；第2套成像系统包括镜头c、分光棱镜d、8片面阵探测器组；组合实现25片面阵探测器的像面无缝拼接成像光电系统。

如图2所示，在镜头a后放置分光棱镜b和17片面阵探测器，其中主像面放置9片面阵探测器，4个侧像面各放置2片面阵探测器。主像面放置面阵探测器为1、3、5、11、13、15、21、23、25。侧像面放置面阵探测器2、4、6、10、16、20、22、24；从镜头向主像面方向看，其中面阵探测器2、4位于上侧像面，面阵探测器22、24位于下侧像面，面阵探测器6、16位于左侧像面，面阵探测器10、20位于右侧像面；像面面阵探测器水平与垂直方向的中心间距为相应方向感光尺寸的2倍。

如图3所示，在镜头c后放置分光棱镜d和8片面阵探测器，其中主像面放置4片面阵探测器，4个侧像面各放置1片面阵探测器。主像面放置面阵探测器为7、9、17、19。侧像面放置面阵探测器8、12、14、18，从镜头向主像面方向看，其中面阵探测器8位于上侧像面，面阵探测器18位于下侧像面，面阵探测器12位于左侧像面，面阵探测器14位于右侧像面；像面面阵探测器水平与垂直方向的中心间距为相应方向感光尺寸的2倍。在实施时，可根据镜头c像面实际大小，减小镜头c的视场大小以与像面大小相适应，而其它参数如焦距、F/#等不变，进一步减小整个成像光电系统的尺寸和重量。

如图5所示，分光棱镜包括1块四棱锥（如图6所示）和4块半四棱锥（如图7所示）。四棱锥包含4个45°分光面和一个后端面，位于图5中央，其余4块半四棱锥位于四棱锥四周，组合后变成为一块等厚的光学平板。光学平板厚度仅为四棱锥后端面通光尺寸的1/2。

如图6所示，四棱锥棱镜在4个45°分光面镀制半透半反膜系，后端面镀制全透膜系。如图7所示，半四棱锥棱镜在各面镀制全透膜系。通过半反半透分光，实现像面各个面阵探测器照度均等。

如图2所示，由物方入射的光线经镜头a进入分光棱镜b，经45°分光面分光，一部分光线进入主像面，在面阵探测器1、3、5、11、13、15、21、23、25上成像，另一部分光线进入4个侧像面，分别在面阵探测器2、4、6、10、16、20、22、24上成像。如图3所示，由物方入射的光线经镜头b进入分光棱镜d，经45°分光面分光，一部分光线进入主像面，在面阵探测器7、9、17、19上成像，另一部分光线进入4个侧像面，分别在面阵探测器8、12、14、18上成像。

分别调整各面阵探测器的位置，使入射在各面阵探测器上的光程相等。

本发明说明书中未作详细阐述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，其特征在于：

采用两套成像系统实现5×5模式25片面阵探测器的成像获取，每套成像系统包括一个镜头和一个分光棱镜，分光棱镜位于镜头后方；两套成像系统光轴平行安装，25片面阵探测器在主像面和侧像面上进行阵列错位间隔安装，实现像面无缝拼接；

主像面位于分光棱镜的正后方，侧像面位于分光棱镜的4个侧面；

将拼接后的整个像面按照5×5阵列进行等间距分割，水平与垂直分割尺寸与面阵探测器相应方向感光尺寸相一致；

所述阵列编号为由上而下，由左至右编号，即最上一行为第1行，最下一行为第5行；最左一列为第1列，最右一列为第5列；第一行为第一至第五面阵探测器（1～5），第二行为第六至第十面阵探测器（6~10），依次类推，共计25片面阵探测器；

第一套成像系统中，在第一个镜头（a）后放置第一分光棱镜（b）和17片面阵探测器，其中主像面放置9片面阵探测器，4个侧像面中每个侧像面各放置2片面阵探测器；主像面放置的9片面阵探测器分别为第一、第三、第五、第十一、第十三、第十五、第二十一、第二十三和第二十五面阵探测器（1、3、5、11、13、15、21、23、25）；侧像面放置的面阵探测器分别为第二、第四、第六、第十六、第二十、第二十二、第二十四面阵探测器（2、4、6、10、16、20、22、24），从第一镜头（a）向主像面方向看，其中第二、第四面阵探测器（2、4）位于上侧像面，第二十二、第二十四面阵探测器（22、24）位于下侧像面，第六、第十六面阵探测器（6、16）位于左侧像面，第十、第二十面阵探测器（10、20）位于右侧像面；主像面的面阵探测器和侧像面的面阵探测器中两两相互之间的中心间距为面阵探测器相应方向感光尺寸的2倍；

第二套成像系统中，在第二个镜头（c）后放置第二分光棱镜（d）和8片面阵探测器，其中主像面放置4片面阵探测器，4个侧像面中每个侧像面各放置1片面阵探测器；主像面放置的面阵探测器分别为第七、第九、第十七、第十九面阵探测器为（7、9、17、19）；侧像面放置的面阵探测器分别为第八、第十二、第十四、第十八面阵探测器（8、12、14、18），从第二镜头（c）向主像面方向看，其中第八面阵探测器（8）位于上侧像面，第十八面阵探测器（18）位于下侧像面，第十二面阵探测器（12）位于左侧像面，第十四面阵探测器（14）位于右侧像面；主像面的面阵探测器和侧像面的面阵探测器中两两相互之间的中心间距为面阵探测器相应方向感光尺寸的2倍；

在5×5阵列像面上，第二套成像系统的面阵探测器布置在第一套成像系统面阵探测器布置后的剩余区域，即在整个像面上两成像系统面阵探测器布置为互补关系。

2.根据权利要求1所述的双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，其特征在于：所述第一分光棱镜（b）或第二分光棱镜（d）由1块四棱锥镜和4块半四棱锥镜组成；四棱锥镜包含4个45°分光面和一个后端面；所述半四棱锥镜是四棱锥镜的对半剖分；四棱锥镜位于中央，其余4块半四棱锥镜位于四棱锥镜外侧周围，组合后变成为一块等厚的光学平板；所述光学平板厚度为四棱锥镜后端面通光尺寸的1/2。

3.根据权利要求2所述的双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，其特征在于：所述四棱锥棱镜在4个45°分光面镀制半透半反膜系，后端面为全透膜系，通过半反半透分光，实现等能量分光。

4.根据权利要求2所述的双镜头25片面阵探测器的无缝拼接成像光电系统，其特征在于：所述半四棱锥棱镜在每个面镀制全透膜系。

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