CN105807405B - 适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，沿光线入射方向依次包括一个同心球透镜、多个光阑和与多个光阑一一对应的多个成像微透镜，多个光阑及对应的成像微透镜呈扇形分布在同心球透镜的出光处，且位于与该同心球透镜同心的两个不同球面上；每个成像微透镜和对应的光阑构成一个单独的成像通道；所述多个成像微透镜包括多个短焦校正镜、多个中焦校正镜和多个长焦校正镜，所述多个成像微透镜对于不同的视场采用不同焦距的校正镜组校正像差，以保证恒定地元高分辨率。该发明避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测。

Description

适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统。主要用于高分辨率机载/星载对地观测，也可用于城市安全监控、国土普查等领域。

背景技术

高分辨率对地观测技术能够利用卫星或者飞机等平台携带各类成像传感器，获取地球表面自然与社会的各类景观信息，满足各类应用需求。高分辨率对地观测，其目的在于研究生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源、保护环境、防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；直接支持各类土木工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；除此之外，对地观测技术还可以为民众生活提供各种基于位置的服务。一个光学成像系统的分辨率决定了其捕获的图像的视觉保真度，对应对地观测任务的多样化和高技术化要求，对地观测系统正朝着宽视场、大动态范围、小畸变、远距离、宽光谱、高精度、轻小型化等方向发展。

然而在传统光学系统研制过程中，宽视场和高分辨率是互为矛盾的，这增加了光学系统的设计和加工难度。从实际需求出发，人们总是希望尽可能的获取足够多的信息。目前，近半球视场成像的系统主要有鱼眼透镜超半球凝视成像系统和环带凝视全景成像系统，存在视场盲区或图像畸变、全视场相对照度不均匀和轴上轴外分辨率不同的问题，而且受焦距较短的影响分辨率一般不高。目前所采用的较多的高分辨率光学系统以折反式或者全反射式为主，折反射式系统和同轴全反射系统的视场一般很小，全视场很难超过10°；离轴反射系统可以在一个成像方向上实现一个很宽(超过50°)的视场，在另一个方向上只有非常窄的视场，但是该系统的设计装调都很困难。因此，新型宽视场、小畸变、高分辨率的轻型光学成像系统具有很大的应用价值。

中心对称结构的球镜容易获得较大视场、较小几何畸变、均匀的相对照度和轴上轴外均匀的分辨率。文献S.Rim，P.Catrysse，R.Dinyari，K.Huang，and P.Peumans，"Theoptical advantages of curved focal plane arrays，"in Proc.SPIE5678，48-58(2005)提出用一个包含球透镜和曲面探测器的衍射受限相机；加利福尼亚大学的Luneburg在Mathematical Theory of Optics期刊中提出采用变折射率的单心系统来进行像差校正；文献G.Krishnan and S.Nayar，"Towards a true spherical camera，"Proc.SPIE 7240，724002(2009)提出同时利用球透镜和球面探测器实现大视场成像。这类系统缺陷在于只采用单心球镜结构，系统存在较大球差和色差，且其像面为球面，受限于目前曲面探测器的发展，实现球形像面的困难较大。2010年美国杜克大学D.J.Brady等人，在美国国防部先进研究项目局DARPA规划部署的AWARE(Advanced Wide FOV Architectures for ImageReconstruction and Exploitation)项目支持下，提出一种名为Gigagon的改进系统结构，利用排列于球镜像面上的平面探测器阵列成像；并于2012年研制出名为AWARE-2的二十亿超高像素相机。该相机由一个直径为60mm的单心球透镜和环绕其外球面的200多个微型相机构成，每台微型相机装有型号为Aptina MT9F002的14M像素CMOS传感器，能够同时获得120°×50°宽视场和38μrad瞬时视场，满足宽视场、高分辨率、多波段目标识别和日/夜的全天候监测能力的需求。该方案采用二次成像方式，中心球透镜实现小视场范围内的高成像质量，之后再用中继系统成像。缺点在于小相机的数量很多，对于加工、制造、装调都是很大的挑战。

国内也有单位做过这些方面的研究。2012年北京空间机电研究所申请的专利号为103064171A的专利《一种新型高分辨率大视场光学成像系统》中采用了同心球透镜加校正镜的方案，没有采用二次成像方案，系统结构比较简单。但在方案中存在一个问题，光阑设置在球透镜的中心，导致大视场的光线会产生光瞳像差，直接使得像面照度变低同时探测截止频率降低，使得不同视场的探测能力不同，就这一点而言已经失去了球透镜的对称优势，同时对于后期制造的杂光抑制也很难。2013年苏州大学申请的专利号为203838419U的专利《用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统》采用的系统类似于美国AWARE-2的相机，采用二次成像系统，会面临AWARE-2相机同样的问题，单个相机视场很小，微相机数目很多；并且此方案中同样在球透镜中心放置光阑，也会面北京空间机电研究所方案的问题，这一点在专利提供的MTF曲线中也可以看到。2014年苏州大学申请的专利号为204188263U的专利《一种大视场凝视式光谱成像系统》中基本上采用了之前专利中的方案，但是解决了2013年方案中光阑位置的问题；同时加入了分光元件实现光谱成像，使得系统更为复杂，对系统后期装调尤为不利；同时整个系统的工作波段很窄，仅为0.48-0.65μm，并不能覆盖航天相机通常所采用的可见光多光谱(0.45-0.9μm)波段。2014年西安电子科技大学申请的专利号为104079808A的专利《超高分辨率宽场成像系统》中，采用的方案比较简单，但其传递函数中各视场的成像质量不一致，同时传递函数曲线中显示的全视场为9.2°(MTF曲线中给出的最大的半视场为4.6°)，与专利申请书中所说的16.545°有出入。同时上面所有的专利中所提到的系统虽然实现了全视场一致的成像质量，但是都没能实现全视场恒定地元分辨率这一点，而这一点对于星载/机载对地探测相机非常重要。其主要原因在于当相机的视场达到120°时，中心视场与边缘视场的目标到相机的距离的差距可能会达到2-3倍，而整个相机的焦距对于全视场是个定值，这样会导致中心视场与边缘视场的地元分辨率差距很大。

发明内容

为了解决技术背景中存在的技术问题，使光学系统具有成像质量高、成像视场大、工作谱段宽(可实现可见光多光谱成像)、全视场恒定地元分辨率、可以实现轻量化的特点，本发明提出了一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特别之处在于：沿光线入射方向依次包括一个同心球透镜、多个光阑和与多个光阑一一对应的多个成像微透镜，多个光阑及对应的成像微透镜呈扇形分布在同心球透镜的出光处，且位于与该同心球透镜同心的两个不同球面上；每个成像微透镜和对应的光阑构成一个单独的成像通道；

所述多个成像微透镜包括多个短焦校正镜、多个中焦校正镜和多个长焦校正镜，所述多个成像微透镜对于不同的视场采用不同焦距的校正镜组校正像差，以保证恒定地元高分辨率。

结合推扫的成像模式，整个系统的成像微透镜仅在垂直于推扫方向上排列。

上述同心球透镜由六片同心设置的透镜组成，沿光线入射方向依次为：第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第二正透镜，第三负透镜和第四负透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；第一负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₁<-3f’₁，1.4<n₁₁<1.6，0.5f’₁<R₁<f’₁，0.2f’₁<R₂<0.6f’₁；第二负透镜的光学特性为：-f’₁<f’₁₂<-0.5f’₁，1.5<n₁₂<1.8，0.2f’₁<R₃<0.6f’₁，0.1f’₁<R₄<0.5f’₁；第一正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₃<f’₁，1.4<n₁₃<1.6，0.1f’₁<R₅<0.5f’₁，f’₁<R₆；第二正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₄<f’₁，1.4<n₁₄<1.6，f’₁<R₇，-0.5f’₁<R₈<-0.1f’₁；第三负透镜的光学特性为：-2f’₁<f’₁₅<-f’₁，1.5<n₁₅<1.8，-0.5f’₁<R₉<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₀<-0.1f’₁；上述第四负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₆<-3f’₁，1.5<n₁₆<1.8，-0.5f’₁<R₁₁<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₂<-0.1f’₁；其中，f’₁为同心球透镜的焦距，f’₁>0；f’₁₁、f’₁₂、f’₁₃、f’₁₄、f’₁₅、f’₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜的焦距，n₁₁、n₁₂、n₁₃、n₁₄、n₁₅、n₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜所采用的玻璃折射率；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次为六片透镜所对应的12个曲率半径。

上述短焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第二正透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；上述第一正透镜的光学特性为：0<f’₂₁<f’₂,1.4<n₂₁<1.6,0<R₂₁<0.1f’₂,-0.2f’₂<R₂₂<0；上述第一负透镜的光学特性为：f’₂₂<-10f’₂,1.5<n₂₂<1.8,-0.1f’₂<R₂₃<0,-0.1f’₂<R₂₄<0；上述第二负透镜的光学特性为：-f’₂<f’₂₃<0,1.5<n₂₃<1.8,-0.1f’₂<R₂₅<0,0<R₂₆<0.1f’₂；上述第二正透镜的光学特性为：0.3f’₂<f’₂₄<f’₂,1.4<n₂₄<1.6,0.2f’₂<R₂₇<f’₂,-3f’₂<R₂₈<-2f’₂；其中，f’₂为短焦校正镜的焦距，f’₂>0，f’₂₁、f’₂₂、f’₂₃、f’₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜的焦距，n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

上述中焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第三正透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；其中第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₃<f’₃₁<-0.5f’₃，1.4<n₃₁<1.6，-0.2f’₃<R₃₁<-0.3f’₃，0.3f’₃<R₃₂<0.2f’₃；第二正透镜的光学特性为：-0.3f’₃<f’₃₂<-0.6f’₃，1.4<n₃₂<1.65，0.2f’₃<R₃₃<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₄<0.05f’₃；第一负透镜的光学特性为：0.3f’₃<f’₃₃<0.1f’₃，1.4<n₃₃<1.6，0.2f’₃<R₃₅<0.05f’₃，-0.1f’₃<R₃₆<-0.2f’₃；第三正透镜的光学特性为：-2f’₃<f’₃₄<-3f’₃，1.4<n₃₄<1.6，0.2f’₃<R₃₇<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₈<0.1f’₃；其中，f’₃为中焦校正镜的焦距，f’₃<0；f’₃₁、f’₃₂、f’₃₃、f’₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜的焦距，n₃₁、n₃₂、n₃₃、n₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、R₃₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

上述长焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第二正透镜；其中第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₁<-0.5f’₄，1.4<n₄₁<1.6，-0.5f’₄<R₄₁<-2f’₄，0.3f’₄<R₄₂<0.1f’₄；第一负透镜的光学特性为：0.2f’₄<f’₄₂<0.1f’₄，1.4<n₄₂<1.65，0.3f’₄<R₄₃<0.1f’₄，-0.3f’₄<R₄₄<-0.6f’₄；第二负透镜的光学特性为：0.6f’₄<f’₄₃<0.2f’₄，1.4<n₄₃<1.65，0.2f’₄<R₄₅<0.1f’₄，-0.5f’₄<R₄₆<-f’₄；第二正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₄<-0.4f’₄，1.4<n₄₄<1.6，2f’₄<R₄₇<f’₄，0.4f’₄<R₄₈<0.1f’₄；其中，f’₄为长焦校正镜的焦距，f’₄<0；f’₄₁、f’₄₂、f’₄₃、f’₄₄依次为组成长焦校正镜的四片透镜的焦距，n₄₁、n₄₂、n₄₃、n₄₄依次为组成长焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₄₁、R₄₂、R₄₃、R₄₄、R₄₅、R₄₆、R₄₇、R₄₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

优选的，上述的短焦校正镜、中焦校正镜和长焦校正镜具有相同的相对孔径，保证各视场成像质量的一致性。

上述的同心球透镜和成像微透镜之间的距离为光学系统焦距的一半，以保证排布足够多的成像微透镜且各个微透镜之间不会相互干涉。

本发明的有益效果是：

1.把光阑设置在球透镜与校正镜之间，充分利用同心球透镜全视场旋转对称的光学特性；

2.光阑放置在球透镜的外面，有利于对每个微透镜对应的成像通道单独抑制杂光；

3.每个成像通道的成像光束被有效分开，避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测；

4.采用同心球透镜加上各个校正镜组实现在整个视场上接近衍射极限的成像质量；

5.光学系统的有效视场理论上可以接近180°，结合推扫的成像模式可以获得极大的成像幅宽；

6.在接近180°的全视场范围内，所有视场的畸变小于0.02％；

7.成像谱段覆盖0.45-0.9μm，覆盖了常用的可见光多光谱谱段(0.45-0.52μm,0.52-0.59μm,0.63-0.69μm，0.77-0.89μm)，选择合理的成像器件就可以实现全色与多光谱成像；

8.为了实现不同视场内的恒定地元分辨率，对于不同的视场采用三种的校正镜组校正像差，在同一个球透镜的基础上实现短焦、中焦和长焦来保证恒定地元高分辨率；同时短、中焦和长焦系统具有相同的相对孔径F#，从而进一步保证了各个视场成像质量的一致性；

9.结合推扫的成像模式，整个系统的成像微透镜仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；同时可以对整个球透镜进行切割(切割之后留下的为环形透镜)仅保留所需要的部分，可以加大的减少相机的体积和质量；

10.短焦、中焦和长焦系统设计时光学总长足够长，可以保证在像面上排布足够多的相机且各个相机之间不会相互干涉；球透镜与校正镜组之间距离足够长，这一点对于后期的杂光抑制是有好处的；同时组成校正镜组的镜片排布很紧密，对于系统安装装调都非常有利；

11.同心球透镜的第一负透镜采用融石英JGSl材料，适应恶劣环境，避免由于热冲击，辐照等因素对系统的影响。

附图说明

图1a为本发明光学系统的结构示意图；

图1b为本发明短焦校正镜的结构示意图；

图1c为本发明中焦校正镜的结构示意图；

图1d为本发明长焦校正镜的结构示意图；

图2a、图2b和图2c分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦对应的结构示意图；

图3d、图3e和图3f分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦对应的MTF曲线；

图4g、图4h和图4i分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦的弥散斑图；

图5j、图5k和图5l分别为本发明光学系统在短焦、中焦及长焦的场曲和畸变曲线；

图中附图标记为：1-同心球透镜，11-同心球透镜的第一负透镜，12-同心球透镜的第二负透镜，13-同心球透镜的第一正透镜，14-同心球透镜的第二正透镜，15-同心球透镜的第三负透镜，16-同心球透镜的第四负透镜；2-短焦校正镜，3-中焦校正镜，4-长焦校正镜；21-短焦校正镜的光阑，22-短焦校正镜的第一正透镜，23-短焦校正镜的第一负透镜，24-短焦校正镜的第二负透镜，25-短焦校正镜的第二正透镜；31-中焦校正镜的光阑，32-中焦校正镜的第一正透镜，33-中焦校正镜的第二正透镜，34-中焦校正镜的第一负透镜，35-中焦校正镜的第正透镜；41-长焦校正镜的光阑、42-长焦校正镜的第一正透镜、43-长焦校正镜的第一负透镜、44-长焦校正镜的第二负透镜、45-长焦校正镜的第二正透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，在光学路径上放置同心球透镜1，该同心球透镜1由六片同心透镜组成，沿光线入射方向依次为：同心球透镜的第一负透镜11，同心球透镜的第二负透镜12，同心球透镜的第一正透镜13，同心球透镜的第二正透镜14，同心球透镜的第三负透镜15和同心球透镜的第四负透镜16；为了避免由于热冲击、辐照等因素对系统的影响；同心球透镜的第一负透镜采用融石英JGSl材料；

同心球透镜1的第一负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₁<-3f’₁，1.4<n₁₁<1.6，0.5f’₁<R₁<f’₁，0.2f’₁<R₂<0.6f’₁；同心球透镜的第二负透镜的光学特性为：-f’₁<f’₁₂<-0.5f’₁，1.5<n₁₂<1.8，0.2f’₁<R₃<0.6f’₁，0.1f’₁<R₄<0.5f’₁；同心球透镜的第一正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₃<f’₁，1.4<n₁₃<1.6，0.1f’₁<R₅<0.5f’₁，f’₁<R₆；同心球透镜的第二正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₄<f’₁，1.4<n₁₄<1.6，f’₁<R₇，-0.5f’₁<R₈<-0.1f’₁；同心球透镜的第三负透镜的光学特性为：-2f’₁<f’₁₅<-f’₁，1.5<n₁₅<1.8，-0.5f’₁<R₉<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₀<-0.1f’₁；同心球透镜的第四负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₆<-3f’₁，1.5<n₁₆<1.8，-0.5f’₁<R₁₁<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₂<-0.1f’₁；其中，f’₁为同心球透镜的焦距，f’₁>0；f’₁₁、f’₁₂、f’₁₃、f’₁₄、f’₁₅、f’₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜的焦距，n₁₁、n₁₂、n₁₃、n₁₄、n₁₅、n₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜所采用的玻璃折射率；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次为六片透镜所对应的12个曲率半径。

为了对每个校正镜组对应的成像通道单独抑制杂光，且充分利用同心球透镜1全视场旋转对称的光学特性，在过同心球透镜1球心的轴上对应位置依次放置光阑以及对应光阑的成像微透镜系统；每个成像通道的成像光束被有效分开，避免了局部强光源对全部视场的干扰，可以实现大动态范围的成像探测。结合推扫的成像模式，整个系统的成像微透镜仅排列在垂直于推扫方向上，相对于面阵成像可以极大的减少相机的数量；同时可以对整个球透镜进行切割仅保留所需要的部分，可以大大的减少相机的体积和质量。

成像微透镜系统包括短焦校正镜2、中焦校正镜3和长焦校正镜4；如图2所示分别单独给出了本发明光学系统在短焦、中焦及长焦对应的结构示意图。

其中，短焦校正镜2采用四片透镜组成，如图1b所示，沿光线入射方向依次为：短焦校正镜的第一正透镜22，短焦校正镜的第一负透镜23，短焦校正镜的第二负透镜24，短焦校正镜的第二正透镜25；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；上述短焦校正镜的第一正透镜的光学特性为：0<f’₂₁<f’₂,1.4<n₂₁<1.6,0<R₂₁<0.1f’₂,-0.2f’₂<R₂₂<0；上述短焦校正镜的第一负透镜的光学特性为：f’₂₂<-10f’₂,1.5<n₂₂<1.8,-0.1f’₂<R₂₃<0,-0.1f’₂<R₂₄<0；上述短焦校正镜的第二负透镜的光学特性为：-f’₂<f’₂₃<0,1.5<n₂₃<1.8,-0.1f’₂<R₂₅<0,0<R₂₆<0.1f’₂；上述短焦校正镜的第二正透镜的光学特性为：0.3f’₂<f’₂₄<f’₂,1.4<n₂₄<1.6,0.2f’₂<R₂₇<f’₂,-3f’₂<R₂₈<-2f’₂；其中，f’₂为短焦校正镜的焦距(f’₂>0)，f’₂₁、f’₂₂、f’₂₃、f’₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜的焦距，n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

中焦校正镜3采用四片透镜组成，如图1c所示，沿光线入射方向依次为：中焦校正镜的第一正透镜32，中焦校正镜的第二正透镜33，中焦校正镜的第一负透镜34，中焦校正镜的第三正透镜35；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；其中中焦校正镜的第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₃<f’₃₁<-0.5f’₃，1.4<n₃₁<1.6，-0.2f’₃<R₃₁<-0.3f’₃，0.3f’₃<R₃₂<0.2f’₃；中焦校正镜的第二正透镜的光学特性为：-0.3f’₃<f’₃₂<-0.6f’₃，1.4<n₃₂<1.65，0.2f’₃<R₃₃<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₄<0.05f’₃；中焦校正镜的第一负透镜的光学特性为：0.3f’₃<f’₃₃<0.1f’₃，1.4<n₃₃<1.6，0.2f’₃<R₃₅<0.05f’₃，-0.1f’₃<R₃₆<-0.2f’₃；中焦校正镜的第三正透镜的光学特性为：-2f’₃<f’₃₄<-3f’₃，1.4<n₃₄<1.6，0.1f’₃<R₃₇<0.2f’₃，0.1f’₃<R₃₈<0.2f’₃；其中，f’₃为中焦校正镜的焦距，f’₃<0；f’₃₁、f’₃₂、f’₃₃、f’₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜的焦距，n₃₁、n₃₂、n₃₃、n₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、R₃₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

长焦校正镜4采用四片透镜组成，如图1d所示，沿光线入射方向依次为：长焦校正镜的第一正透镜42，长焦校正镜的第一负透镜43，长焦校正镜的第二负透镜44，长焦校正镜的第二正透镜45。各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；其中长焦校正镜的第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₁<-0.5f’₄，1.4<n₄₁<1.6，-0.5f’₄<R₄₁<-2f’₄，0.3f’₄<R₄₂<0.1f’₄；长焦校正镜的第一负透镜的光学特性为：0.2f’₄<f’₄₂<0.1f’₄，1.4<n₄₂<1.65，0.3f’₄<R₄₃<0.1f’₄，-0.3f’₄<R₄₄<-0.6f’₄；长焦校正镜的第二负透镜的光学特性为：0.6f’₄<f’₄₃<0.2f’₄，1.4<n₄₃<1.65，0.2f’₄<R₄₅<0.1f’₄，-0.5f’₄<R₄₆<-f’₄；长焦校正镜的第二正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₄<-0.4f’₄，1.4<n₄₄<1.6，2f’₄<R₄₇<f’₄，0.4f’₄<R₄₈<0.1f’₄；其中，f’₄为长焦校正镜的焦距，f’₄<0；f’₄₁、f’₄₂、f’₄₃、f’₄₄依次为组成长校正镜的四片透镜的焦距，n₄₁、n₄₂、n₄₃、n₄₄依次为组成长焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₄₁、R₄₂、R₄₃、R₄₄、R₄₅、R₄₆、R₄₇、R₄₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

本实施例所提供的光学系统的系统焦距短焦、中焦和长焦依次为586mm、837mm和1025mm；不同焦距对应的全视场依次为6°、4.2°和3.44°，通过拼接实现接近180°的全视场；短焦、中焦和长焦的系统F#均为7.5，全视场无渐晕。如图3、图4和图5所示，在450nm-900nm波段范围内全视场范围内MTF均接近衍射极限，相对畸变小于0.02％，相对于中心波长(600nm)的弥散斑能量质心偏差在3um以内。若将该相机应用于500km的近地轨道卫星上，可以在接近120°视场范围内获得恒定地元分辨率优于16m的接近衍射极限的成像质量。

光学系统采用推扫的模式，所以成像相机只需要分布在垂直于推扫的方向上，对于多余的球透镜部分均可以切割掉，这样可以极大的减小光学系统的复杂性，同时也利于实现相机的轻小型化。

通过对该实施例进行等比例缩放，在同等F#和视场情况下，可以实现轨道飞行高度小于500km情况下，在接近180°视场内实现接近衍射极限的成像质量，并且可以在超过120°视场范围内具有恒定地元分辨率。

Claims (7)

1.一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：沿光线入射方向依次包括一个同心球透镜、多个光阑和与多个光阑一一对应的多个成像微透镜，多个光阑及对应的成像微透镜呈扇形分布在同心球透镜的出光处，且位于与该同心球透镜同心的两个不同球面上；每个成像微透镜和对应的光阑构成一个单独的成像通道；所述多个成像微透镜包括多个短焦校正镜、多个中焦校正镜和多个长焦校正镜，所述多个成像微透镜对于不同的视场采用不同焦距的校正镜组校正像差，以保证恒定地元高分辨率。

2.根据权利要求1所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：所述同心球透镜由六片同心设置的透镜组成，沿光线入射方向依次为：第一负透镜，第二负透镜，第一正透镜，第二正透镜，第三负透镜和第四负透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；第一负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₁<-3f’₁，1.4<n₁₁<1.6，0.5f’₁<R₁<f’₁，0.2f’₁<R₂<0.6f’₁；第二负透镜的光学特性为：-f’₁<f’₁₂<-0.5f’₁，1.5<n₁₂<1.8，0.2f’₁<R₃<0.6f’₁，0.1f’₁<R₄<0.5f’₁；第一正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₃<f’₁，1.4<n₁₃<1.6，0.1f’₁<R₅<0.5f’₁，f’₁<R₆；第二正透镜的光学特性为：0.5f’₁<f’₁₄<f’₁，1.4<n₁₄<1.6，f’₁<R₇，-0.5f’₁<R₈<-0.1f’₁；第三负透镜的光学特性为：-2f’₁<f’₁₅<-f’₁，1.5<n₁₅<1.8，-0.5f’₁<R₉<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₀<-0.1f’₁；上述第四负透镜的光学特性为：-4f’₁<f’₁₆<-3f’₁，1.5<n₁₆<1.8，-0.5f’₁<R₁₁<-0.1f’₁，-0.5f’₁<R₁₂<-0.1f’₁；其中，f’₁为同心球透镜的焦距，f’₁>0；f’₁₁、f’₁₂、f’₁₃、f’₁₄、f’₁₅、f’₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜的焦距，n₁₁、n₁₂、n₁₃、n₁₄、n₁₅、n₁₆依次为组成同心球透镜的六片透镜所采用的玻璃折射率；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂依次为六片透镜所对应的12个曲率半径。

3.根据权利要求1所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：所述短焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第二正透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；上述第一正透镜的光学特性为：0<f’₂₁<f’₂,1.4<n₂₁<1.6,0<R₂₁<0.1f’₂,-0.2f’₂<R₂₂<0；上述第一负透镜的光学特性为：f’₂₂<-10f’₂,1.5<n₂₂<1.8,-0.1f’₂<R₂₃<0,-0.1f’₂<R₂₄<0；上述第二负透镜的光学特性为：-f’₂<f’₂₃<0,1.5<n₂₃<1.8,-0.1f’₂<R₂₅<0,0<R₂₆<0.1f’₂；上述第二正透镜的光学特性为：0.3f’₂<f’₂₄<f’₂,1.4<n₂₄<1.6,0.2f’₂<R₂₇<f’₂,-3f’₂<R₂₈<-2f’₂；其中，f’₂为短焦校正镜的焦距，f’₂>0，f’₂₁、f’₂₂、f’₂₃、f’₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜的焦距，n₂₁、n₂₂、n₂₃、n₂₄依次为组成短焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

4.根据权利要求1所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：中焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第二正透镜，第一负透镜，第三正透镜；各透镜之间通过胶合的形式结合在一起；其中第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₃<f’₃₁<-0.5f’₃，1.4<n₃₁<1.6，-0.2f’₃<R₃₁<-0.3f’₃，0.3f’₃<R₃₂<0.2f’₃；第二正透镜的光学特性为：-0.3f’₃<f’₃₂<-0.6f’₃，1.4<n₃₂<1.65，0.2f’₃<R₃₃<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₄<0.05f’₃；第一负透镜的光学特性为：0.3f’₃<f’₃₃<0.1f’₃，1.4<n₃₃<1.6，0.2f’₃<R₃₅<0.05f’₃，-0.1f’₃<R₃₆<-0.2f’₃；第三正透镜的光学特性为：-2f’₃<f’₃₄<-3f’₃，1.4<n₃₄<1.6，0.2f’₃<R₃₇<0.1f’₃，0.2f’₃<R₃₈<0.1f’₃；其中，f’₃为中焦校正镜的焦距，f’₃<0；f’₃₁、f’₃₂、f’₃₃、f’₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜的焦距，n₃₁、n₃₂、n₃₃、n₃₄依次为组成中焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、R₃₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

5.根据权利要求1所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：长焦校正镜由四片透镜组成，沿光路依次为：第一正透镜，第一负透镜，第二负透镜，第二正透镜；其中第一正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₁<-0.5f’₄，1.4<n₄₁<1.6，-0.5f’₄<R₄₁<-2f’₄，0.3f’₄<R₄₂<0.1f’₄；第一负透镜的光学特性为：0.2f’₄<f’₄₂<0.1f’₄，1.4<n₄₂<1.65，0.3f’₄<R₄₃<0.1f’₄，-0.3f’₄<R₄₄<-0.6f’₄；第二负透镜的光学特性为：0.6f’₄<f’₄₃<0.2f’₄，1.4<n₄₃<1.65，0.2f’₄<R₄₅<0.1f’₄，-0.5f’₄<R₄₆<-f’₄；第二正透镜的光学特性为：-0.2f’₄<f’₄₄<-0.4f’₄，1.4<n₄₄<1.6，2f’₄<R₄₇<f’₄，0.4f’₄<R₄₈<0.1f’₄；其中，f’₄为长焦校正镜的焦距，f’₄<0；f’₄₁、f’₄₂、f’₄₃、f’₄₄依次为组成长焦校正镜的四片透镜的焦距，n₄₁、n₄₂、n₄₃、n₄₄依次为组成长焦校正镜的四片透镜所采用的玻璃折射率；R₄₁、R₄₂、R₄₃、R₄₄、R₄₅、R₄₆、R₄₇、R₄₈依次为四片透镜所对应的8个曲率半径。

6.根据权利要求1至5任一所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：所述的同心球透镜和成像微透镜之间的距离为光学系统焦距的一半，以保证排布足够多的成像微透镜且各个微透镜之间不会相互干涉。

7.根据权利要求1至5任一所述的适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统，其特征在于：所述的短焦校正镜、中焦校正镜和长焦校正镜具有相同的相对孔径，以保证在全视场内具有相同的成像质量。