CN104765147B - 一种焦平面拼接反射镜的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种焦平面拼接反射镜的设计方法，首先根据光学系统确定出瞳、像平面、拼接反射镜的反射面、传感器的几何位置关系，然后利用得到的几何位置关系来确定出拼接反射镜的反射面的形状和位置，最后根据拼接反射镜的反射面形状与位置，进而得到拼接反射镜的形状、大小与位置，完成焦平面拼接反射镜的设计。本发明方法与现有技术相比，能够对同一目标同时成像，镜头重量轻，并且没有机械拼接受结构工艺限制的问题，更加实用，同时填补了全反全透式拼接中焦平面拼接反射镜的设计方法的空白，促进了全反全透式拼接的应用和大视场的光学遥感器的发展。

Description

一种焦平面拼接反射镜的设计方法

技术领域

本发明涉及空间光学遥感器的焦平面设计，特别是一种焦平面拼接反射镜的设计方法。

背景技术

随着光学遥感的快速发展，大视场的光学遥感器越来越多的得到应用。现有的单片CCD器件的长度已经不能满足大视场光学遥感器的发展，因此需要多片CCD器件进行拼接来满足大视场的光学遥感器的应用。传统的焦面CCD拼接有机械拼接、视场拼接和光学拼接，机械拼接受结构工艺的限制，视场拼接和光学拼接相对更加常用，而视场拼接中两排CCD器件不能同时对同一目标成像，另外视场拼接要求垂直CCD线阵方向视场加大、镜头重量增加，因此光学拼接成为目前焦面拼接常用的一种方式。

光学拼接包括半反半透式拼接和全反全透式拼接，半反半透式拼接中透射区和反射区CCD接收到的能量只有一半，影响成像质量。全反全透式焦面拼接中拼接反射镜的边缘切割光路会在焦平面上形成一个能量渐变的过渡区，因此在焦平面设计时，如果拼接反射镜的切割光路在像平面上形成渐变区域的中心与CCD搭接区域中心不重合，会导致反射区和透射区CCD搭接区能量不对称，影响成像质量，严重时会导致图像上存在没有图像的区域，因此，焦平面拼接反射镜的设计是全反全透式焦平面设计的核心内容。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种根据光学系统中器件的几何位置关系确定拼接反射镜形状、位置的焦平面拼接反射镜设计方法。

本发明的技术解决方案是：一种焦平面拼接反射镜的设计方法，包括如下步骤：

(1)首先将出瞳置于像平面前方且与像平面平行，两者中心的连线与像平面垂直，使CCD的感光区位于像平面上且为四边形，然后将出瞳中心记为O₁，像平面中心为O₂，CCD的感光区的四个顶点记为C、D、E、F，CCD感光区上边缘EC延长线与子午面交点为A，CCD感光区下边缘FD延长线与子午面交点为B，O₁A记为f₂，O₁B记为f₁，O₁O₂记为f；

(2)在像平面上以O₂为原点、像平面与弧矢面的公共轴线为X轴、像平面与子午面的公共轴线为Y轴建立坐标系后得到CCD感光区四个顶点坐标为D(x₁，y₁)、C(x₁，y₂)、F(x₂，y₁)、E(x₂，y₂)，

(3)将四边形的拼接反射镜的反射面置于出瞳与像平面之间，记拼接反射镜的反射面四个顶点分别为G₁、G₂、G₃、G₄，并使得拼接反射镜的反射面上沿G₃G₂与AE平行，拼接反射镜的反射面下沿G₁G₄与BF平行，且点O₁、点G₂、点G₃、点G₅、点A、点C、点E共面，点O₁、点G₁、点G₄、点G₆、点B、点D、点F共面，记G₃G₂延长线与子午面相交的点为G₅，G₁G₄延长线与子午面相交的点为G₆，根据CCD的感光区确定点A与点G₅的距离s₁，点B与点G₆的距离s₂，计算得到

其中，l₁为拼接反射镜的反射面上沿点G₃距离子午面距离，l₂为拼接反射镜的反射面下沿点G₄距离子午面距离；

(4)计算拼接反射镜的反射面上沿长度L₁为

(x₂-x₁)

拼接反射镜的反射面下沿长度L₂为

(x₂-x₁)；

(5)根据步骤(4)得到的L₁与L₂、步骤(3)得到的l₁与l₂确定拼接反射镜的反射面形状、位置，从而得到焦平面拼接反射镜的形状、位置。

所述的步骤(1)中的s₁、s₂取值位于30mm～50mm间。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法克服了拼接反射镜的切割光路在像平面上形成渐变区域的中心与CCD搭接区域中心不重合并导致反射区和透射区CCD搭接区能量不对称，影响成像质量的不足，填补了全反全透式拼接中焦平面拼接反射镜的设计方法的空白，促进了全反全透式拼接的应用和大视场的光学遥感器的发展；

(2)本发明方法与现有视场拼接技术相比，能够对同一目标同时成像，镜头重量轻，并且没有机械拼接受结构工艺限制的问题，更加实用；

(3)本发明方法与现有半反半透式技术相比，使透射区和反射区CCD接收到的能量更多，成像质量更高。

附图说明

图1为本发明焦平面拼接反射镜位置图；

图2为本发明CCD上沿光路平面示意图；

图3为本发明CCD下沿光路平面示意图。

具体实施方式

本发明提出一种焦平面拼接反射镜设计方法，首先建立光学系统中出瞳、像平面、拼接反射镜及传感器(以CCD器件为例)的空间位置图，然后通过划线的方法确定出拼接反射镜反射面信息，最后得到拼接反射镜的形状、大小与位置信息。本发明方法具体实现方式包括工作流程如下：

步骤一：根据选择的光学系统确定出瞳、像平面、CCD的位置关系，如图1所示，出瞳位于像平面正上方并与像平面平行，两者中心连线与像平面(出瞳)垂直，CCD的感光区位于像平面上且为四边形；然后根据CCD的感光区确定拼接反射镜的反射面位置，即CCD的感光区上边缘延长线跟子午面(像平面的子午面)交点与拼接反射镜的反射面上边缘延长线跟子午面交点的距离s₁，CCD的感光区下边缘延长线跟子午面交点与拼接反射镜的反射面下边缘延长线跟子午面交点的距离s₂，s₁、s₂取值位于30mm～50mm间。

步骤二：将出瞳中心记为O₁，像平面中心为O₂，将CCD的感光区的四个顶点记为C、D、E、F，CCD感光区上边缘EC延长线与像平面的子午面交点为A，CCD感光区下边缘FD延长线与子午面交点为B，O₁A记为f₂，O₁B记为f₁，O₁O₂记为f。在像平面上以O₂为原点、像平面与弧矢面(像平面的弧矢面)的公共轴线为X轴、像平面与子午面(像平面的弧矢面)的公共轴线为Y轴建立坐标系，得到CCD感光区四个顶点坐标为D(x₁，y₁)、C(x₁，y₂)、F(x₂，y₁)、E(x₂，y₂)，

步骤三：记拼接反射镜的反射面四个顶点分别为G₁、G₂、G₃、G₄，拼接反射镜的反射面上边缘延长线与子午面相交的点为G₅，拼接反射镜的反射面下边缘延长线与子午面相交的点为G₆(G₂G₅和G₃G₅为拼接反射镜的反射上边缘距离子午面的距离，G₁G₆和G₄G₆为拼接反射镜的反射面下边缘距离子午面的距离)。如果得到G₂G₅、G₃G₅、G₁G₆和G₄G₆就可以得出拼接反射镜的反射面形状、大小和安装位置。根据光沿直线传播原理，本发明方法中O₁、G₂、G₃、G₅、A、C、E共面，G₂G₅与AE平行，点O₁、G₁、G₄、G₆、B、D、F共面，G₁G₆与BF平行，因此分别提取面O₁AE和面O₁BF进行分析，即得到图2和图3，其中，G₃G₂为拼接反射镜的反射面的上沿，G₁G₄为拼接反射镜的反射面的下沿。

步骤四：如图2所示ΔO₁G₅G₃和ΔO₁AC相似，因此可以计算得到拼接反射镜的反射面上沿点G₃距离子午面距离l₁为

ΔO₁G₅G₂和ΔO₁AE相似，可以计算得到

如图3所示ΔO₁G₄G₆和ΔO₁DB相似，因此可以计算得到拼接反射镜的反射面下沿点G₄距离子午面距离l₂为

ΔO₁G₁G₆和ΔO₁FB相似，可以计算得到

步骤五：拼接反射镜的反射面上沿长度L₁为

(x₂-x₁)

同理可得拼接反射镜的反射面下沿长度L₂为

(x₂-x₁)。

步骤六：根据步骤五得到的L₁与L₂、步骤四得到的l₁与l₂确定拼接反射镜的反射面形状、大小与位置，进而得到拼接反射镜的形状、大小与位置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种焦平面拼接反射镜的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)首先将出瞳置于像平面前方且与像平面平行，两者中心的连线与像平面垂直，使CCD的感光区位于像平面上且为四边形，然后将出瞳中心记为O₁，像平面中心为O₂，CCD的感光区的四个顶点记为C、D、E、F，CCD感光区上边缘EC延长线与子午面交点为A，CCD感光区下边缘FD延长线与子午面交点为B，O₁A记为f₂，O₁B记为f₁，O₁O₂记为f；

(2)在像平面上以O₂为原点、像平面与弧矢面的公共轴线为X轴、像平面与子午面的公共轴线为Y轴建立坐标系后得到CCD感光区四个顶点坐标为D(x₁，y₁)、C(x₁，y₂)、F(x₂，y₁)、E(x₂，y₂)，

$f_2=O_{1}A=\sqrt{f^2+{\left(O_{2}A\right)}^2}=\sqrt{f^2+{\left(y_2\right)}^2}$

$f_1=O_{1}B=\sqrt{f^2+{\left(O_{2}B\right)}^2}=\sqrt{f^2+{\left(y_1\right)}^2};$

(3)将四边形的拼接反射镜的反射面置于出瞳与像平面之间，记拼接反射镜的反射面四个顶点分别为G₁、G₂、G₃、G₄，并使得拼接反射镜的反射面上沿G₃G₂与AE平行，拼接反射镜的反射面下沿G₁G₄与BF平行，且点O₁、点G₂、点G₃、点G₅、点A、点C、点E共面，点O₁、点G₁、点G₄、点G₆、点B、点D、点F共面，记G₃G₂延长线与子午面相交的点为G₅，G₁G₄延长线与子午面相交的点为G₆，根据CCD的感光区确定点A与点G₅的距离s₁，点B与点G₆的距离s₂，计算得到

$l_1=G_3{G}_5=\frac{O_1{G}_5}{O_{1}A}\×AC=\frac{f_2-s_1}{f_2}{x}_1$

$G_2{G}_5=\frac{O_1{G}_5}{O_{1}A}\×AE=\frac{f_2-s_1}{f_2}{x}_2$

$l_2=G_4{G}_6=\frac{O_1{G}_6}{O_{1}B}\×BD=\frac{f_1-s_2}{f_1}{x}_1$

$G_1{G}_6=\frac{O_1{G}_6}{O_{1}B}\×BF=\frac{f_1-s_2}{f_1}{x}_2.$

其中，l₁为拼接反射镜的反射面上沿点G₃距离子午面距离，l₂为拼接反射镜的反射面下沿点G₄距离子午面距离；所述的s₁、s₂取值位于30mm～50mm间；

(4)计算拼接反射镜的反射面上沿长度L₁为

$G_2{G}_3=L_1=G_2{G}_5-G_3{G}_5=\frac{f_2-s_1}{f_2}{x}_2-\frac{f_2-s_1}{f_2}{x}_1=\frac{f_2-s_1}{f_2}(x_2-x_1)$

拼接反射镜的反射面下沿长度L₂为

$G_1{G}_4=L_2=\frac{f_1-s_2}{f_1}(x_2-x_1);$

(5)根据步骤(4)得到的L₁与L₂、步骤(3)得到的l₁与l₂确定拼接反射镜的反射面形状、位置，从而得到焦平面拼接反射镜的形状、位置。