CN102928903A - 一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法 - Google Patents

Abstract

一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法，采用对称式棱镜结构实现像面分光，在光轴垂直透射像面上布置4块面阵探测器，在4个侧面布置5块面阵探测器。拼接结构对称简单，数量少，分布集中，全反全透分光后能量无损失，该无缝拼接方法可应用于航空、航天光学成像、光学探测仪器及设备，特别适用于超大面阵探测器的航空、航天成像光电系统。

Description

一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法

技术领域

本发明属于超大面阵探测器无缝光学拼接方法，特别是一种采用对称式棱镜结构实现3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法。

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，一是在面阵探测器厂家定制超大规模面阵探测器器件，二是采用面阵探测器拼接。

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面阵探测器规模也是当前面阵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面阵探测器规模已达到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。在继续增大面阵探测器规模的情况下，如实现30k×30k规模或更大规模的光电成像系统，采用如UCE的4镜头9面阵探测器拼接，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 101650423 B的大面阵光电器件光学拼接仅能实现2×3或2×2模式的面阵探测器拼接，用于分光的各棱镜位置不对称，棱镜结构与拼接复杂；棱镜间接触面小长时间工作稳定性难以保证；各块棱镜相对关系独立不集中，拼接需要复杂的机械结构进行固定与安装，体积大，重量重，不符合航空航天轻量化的需求。

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、棱镜结构对称、拼接简单易实现、轻量化的3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法。

本发明技术解决方案：采用对称式棱镜结构实现3×3面阵探测器的无缝光学拼接，其特点在于：

由9片面阵探测器组合像面按照3×3方式进行阵列分割，水平及垂直方向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3行；最左一列为第1列，最右一列为第3列。第一行为面阵探测器1~3，第二行为面阵探测器4~6，第三行为面阵探测器7~9；组合像面按照阵列分割后的9块面阵探测器分别对应组合像面的1～9号区域；

建立空间直角坐标系，原点O位于像面左上角；X轴为列增加方向，即由左向右；Y轴为行增加方向，即由上向下；Z轴为X、Y轴的右手坐标系；

在Z轴后方分别放置9片面阵探测器，第一、第三、第七、第九面阵探测器（1、3、7、9）均在XOY平面上，第一面阵探测器（1）位于左上角；第三面阵探测器（30位于右上角，第七面阵探测器（7）位于左下角，即第3行第1列；第九面阵探测器（9）位于右下角，即第3行第3列；第四至第六面阵探测器（4、5、6）位于与YOZ相平行的平面上；第二、第八面阵探测器（2、8）位于与XOZ相平行的平面上；

在Z轴前方布置组合式的五块反射棱镜（a、b、c、d、e），并在空余区间形成四块透射区；在组合式的五块反射棱镜中的第一反射棱镜（a）布置在上述组合像面2号区域前即Z轴负向，第二反射棱镜（b）布置在上述组合像面4号区域前，第四反射棱镜（d）布置在上述组合像面6号区域，第五反射棱镜（e）布置在上述组合像面8号区域前；上述第一、第二、第四块和第五块反射棱镜（a、b、d、e）在组合像面上形成“十字”对称结构，处于Z轴同一坐标位置；第三反射棱镜（c）布置在上述组合像面5号区域前，且位于上述四块反射棱镜前即Z轴负向；

由沿Z轴正向入射的光线经透射区直接投射在第一、三、七、九面阵探测器（1、3、7、9）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第一反射棱镜（a）沿Y轴负向投射在第二面阵探测器（2）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第二反射棱镜（b）沿X轴负向投射在第四面阵探测器（4）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第三反射棱镜（c）沿X轴正向投射在第五面阵探测器（5）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第四反射棱镜（d）沿X轴正向投射在第六面阵探测器（6）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第五反射棱镜（e）沿Y轴正向投射在第八面阵探测器（8）上；

分别调整上述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。

所述9片面阵探测器可采用10k×10k面阵探测器或6k×8k面阵探测器。

所述五块反射棱镜（a、b、c、d、e）的分光面镀制全反膜系。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明采用对称式棱镜结构实现像面分光，在光轴垂直透射像面上布置4块面阵探测器，在4个侧面布置5块面阵探测器；而且四块反射棱镜在组合像面上形成“十字”结构，1块位于上述四块棱镜之前，因此整个结构无视场缺失、结构简单，易实现；且数量少，分布集中，全反全透分光后能量无损失。

（2）本发明各反射棱镜为背对背整面接触，安装固定较CN 101650423 B中棱镜牢固可靠，可保障各棱镜长时间工作的稳定性。

（3）本发明棱镜数量少且集中，与CN 101650423 B中2×3面阵探测器拼接棱镜数量一样，因此在更大规模3×3面阵探测器拼接情况下实现小体积轻重量结构，符合航空航天发展要求。

附图说明

图1本发明采用对称式棱镜组合实现的3×3面阵探测器拼接布置结构图；

图2本发明拼接实现的3×3模式像面组合图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括5块反射棱镜，9片面阵探测器，如10k×10k面阵探测器。

如图2所示，组合像面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3行；最左一列为第1列，最右一列为第3列。第一行为面阵探测器1~3，第二行为面阵探测器4~6，第三行为面阵探测器7~9；组合像面按照阵列分割后的9块面阵探测器分别对应组合像面的1～9号区域。

建立空间直角坐标系，原点O位于像面左上角；X轴为列增加方向，即由左向右；Y轴为行增加方向，即由上向下；Z轴为X、Y轴的右手坐标系；

在Z轴后方分别放置9片面阵探测器，第一第三、第七、第九面阵探测器1、3、7、9均在XOY平面上，第一面阵探测器1位于左上角；第三面阵探测器3位于右上角，第七面阵探测器7位于左下角，即第3行第1列；第九面阵探测器9位于右下角，即第3行第3列；第四至第六面阵探测器4、5、6位于与YOZ相平行的平面上；第二、第八面阵探测器2、8位于与XOZ相平行的平面上；

在Z轴前方布置组合式的五块反射棱镜a、b、c、d、e，并在空余区间形成四块透射区；在组合式的五块反射棱镜中的第一反射棱镜a布置在上述组合像面2号区域前即Z轴负向，第二反射棱镜b布置在上述组合像面4号区域前，第四反射棱镜d布置在上述组合像面6号区域，第五反射棱镜e布置在上述组合像面8号区域前；上述第一、第二、第四块和第五块反射棱镜a、b、d、e在组合像面上形成“十字”对称结构，处于Z轴同一坐标位置；第三反射棱镜c布置在上述组合像面5号区域前，且位于上述四块反射棱镜前即Z轴负向；

由沿Z轴正向入射的光线经透射区直接投射在第一、三、七、九面阵探测器1、3、7、9上；

由沿Z轴正向入射的光线经第一反射棱镜a沿Y轴负向投射在第二面阵探测器2上；

由沿Z轴正向入射的光线经第二反射棱镜b沿X轴负向投射在第四面阵探测器4上；

由沿Z轴正向入射的光线经第三反射棱镜c沿X轴正向投射在第五面阵探测器5上；

由沿Z轴正向入射的光线经第四反射棱镜d沿X轴正向投射在第六面阵探测器6上；

由沿Z轴正向入射的光线经第五反射棱镜e沿Y轴正向投射在第八面阵探测器8上；

分别调整上述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。

如图1所示，在分光棱镜a、b、c、d、e的分光面镀制全反膜系。

采用上述10k×10k面阵探测器可实现30k×30k像面规模。

总之，本发明采用对称式棱镜结构实现像面分光，在光轴垂直透射像面上布置4块面阵探测器，在4个侧面布置5块面阵探测器；而且采用对称式棱镜，即四块反射棱镜在组合像面上形成“十字”结构，1块反射棱镜位于上述四块棱镜之前。拼接结构对称简单，数量少，分布集中，全反全透分光后能量无损失，该无缝拼接方法可应用于航空、航天光学成像、光学探测仪器及设备，特别适用于超大面阵探测器的航空、航天成像光电系统。

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 (3)

1.一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法，其特征在于：

由9片面阵探测器的组合像面按照3×3方式进行阵列分割，水平及垂直方向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3行；最左一列为第1列，最右一列为第3列；第一行为第一至第三面阵探测器（1~3），第二行为第四至第六面阵探测器（4~6），第三行为第七至第九面阵探测器（7~9）；组合像面按照阵列分割后的9片面阵探测器分别对应组合像面的1～9号区域；

建立空间直角坐标系，原点O位于像面左上角；X轴为列增加方向，即由左向右；Y轴为行增加方向，即由上向下；Z轴为X、Y轴的右手坐标系；

在Z轴后方分别放置9片面阵探测器，第一、第三、第七、第九面阵探测器（1、3、7、9）均在XOY平面上，第一面阵探测器（1）位于左上角；第三面阵探测器（3）位于右上角，第七面阵探测器（7）位于左下角，即第3行第1列；第九面阵探测器（9）位于右下角，即第3行第3列；第四至第六面阵探测器（4、5、6）位于与YOZ相平行的平面上；第二、第八面阵探测器（2、8）位于与XOZ相平行的平面上；

在Z轴前方布置组合式的五块反射棱镜（a、b、c、d、e），并在空余区间形成四块透射区；在组合式的五块反射棱镜中的第一反射棱镜（a）布置在上述组合像面2号区域前即Z轴负向，第二反射棱镜（b）布置在上述组合像面4号区域前，第四反射棱镜（d）布置在上述组合像面6号区域前，第五反射棱镜（e）布置在上述组合像面8号区域前；上述第一、第二、第四块和第五块反射棱镜（a、b、d、e）在组合像面上形成“十字”对称结构，处于Z轴同一坐标位置；第三反射棱镜（c）布置在上述组合像面5号区域前，且位于上述四块反射棱镜前即Z轴负向；

由沿Z轴正向入射的光线经透射区直接投射在第一、三、七、九面阵探测器（1、3、7、9）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第一反射棱镜（a）沿Y轴负向投射在第二面阵探测器（2）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第二反射棱镜（b）沿X轴负向投射在第四面阵探测器（4）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第三反射棱镜（c）沿X轴正向投射在第五面阵探测器（5）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第四反射棱镜（d）沿X轴正向投射在第六面阵探测器（6）上；

由沿Z轴正向入射的光线经第五反射棱镜（e）沿Y轴正向投射在第八面阵探测器（8）上；

分别调整上述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。

2.根据权利要求1所述的一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法，其特征在于：所述9片面阵探测器可采用10k×10k面阵探测器或6k×8k面阵探测器。

3.根据权利要求1所述的一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法，其特征在于：所述五块反射棱镜（a、b、c、d、e）的分光面镀制全反膜系。

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