CN110824597A - 一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构，属于光学成像系统领域。包括上顶面和下底面都是方形的反射棱镜；反射棱镜整体上为上细下粗的结构；反射棱镜的上顶面和下底面的中心开有四棱台通孔、且四棱台通孔的上部方形孔完全覆盖上顶面；连接上顶面和下底面的侧面包括：四个方形反射面和四个菱形的反射面和四个梯形的非反射面。本发明通过将四个方形反射面和四个菱形的反射面及四棱台通孔与九片探测器分别对应设计，采用八个反射镜面分光，与半反半透棱镜相比能量不会大幅衰减；与多级反射镜相比只用一级分光完成拼接，焦面结构具有小型化、轻量化、高度集成化的优点。

Description

一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构

技术领域

本发明属于光学成像系统领域，特别是涉及一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构。

背景技术

在光学成像系统中，光学系统的视场往往由探测器的尺寸所决定，要扩大视场就要增大探测器的尺寸。但由于技术能力限制，大尺寸的探测器加工制造十分困难，成本也非常高。使用单一探测器很难达到实际应用的视场要求，所以需要多片探测器拼接来实现。

相机探测器主要包括线阵和面阵两种探测器类型。线阵探测器主要用于推扫成像的情况，需要探测器与目标之间存在相对运动。面阵探测器图像获取方式简便、获取时间短、获取效率高，且无需探测器与目标之间存在相对运动，所以使用相当广泛。

相机焦面的探测器拼接主要包括：光学拼接和机械拼接。机械拼接适用于线阵探测器，一般不用于面阵探测器；光学拼接即通过光学元件将光学系统的视场分割成若干部分，每一部分光线对应一片探测器。这些探测器彼此保留适当距离，把这些探测器接收到的子图像拼接在一起就实现了大视场成像，光学拼接方式更适用于面阵探测器的拼接。本发明所提出的技术即针对多片面阵探测器拼接的情况。

现有技术中，传统多片面阵探测器的拼接一般采用半反半透棱镜或多级反射镜来实现。

第一种半反半透棱镜分光：理论上并没有分割光学系统的视场,它只是用分散能量的方式形成多个视场,在每个视场中探测器只接收部分视场的图像，再将所有视场的图像整合为一幅图像。但光线每次经过半反半透棱镜，其能量都会衰减一半，造成图像质量大幅下降。

第二种多级反射镜分光：一般采用2片及以上数量的反射镜，多次分光来细分光路。主要缺点为光学系统有较长的后截距，增加了光学设计难度；多级分光造成焦面结构体积庞大，增加了设计、加工、装配、热控的难度，同时增加了重量；焦面结构增大，导致拼接用显微镜的工作距离增大，拼接时不利于观察像元位置，增加了拼接难度，降低了拼接精度。如授权公告号为 CN102928903B，申请日为2012年9月21日，名称为《一种3×3面阵探测器的无缝光学拼接方法》的中国发明专利。

所以需要一种焦面结构，在不严重损失光学系统能量的前提下，将焦面结构小型化、轻量化、高度集成化。

发明内容

本发明为了克服上述传统多片面阵探测器的拼接焦面结构的能量衰减、体积大的技术问题，提供一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构。

一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构，包括：

上顶面和下底面都是方形的反射棱镜；所述反射棱镜整体上为上细下粗的结构；

所述反射棱镜的上下底面中心开有四棱台通孔、且所述四棱台通孔的上部方形孔完全覆盖所述上顶面；

所述四棱台通孔的上部方形孔尺寸小于其下部的所述第二方形孔；

连接所述上顶面和下底面的侧面包括：四个方形反射面和四个菱形的反射面和四个梯形的非反射面；

四个所述方形反射面包括由所述方形孔的四条边依次向下、向外倾斜的第二反射面、第四反射面、第六反射面、第八反射面；

所述第二反射面、所述第四反射面、所述第六反射面、所述第八反射面与所述下底面成45度角布置、且所述四个反射面的底边都在同一水平面上；

第二反射面与所述第四反射面之间连接有菱形的第三反射面，所述第三反射面位于由所述第二反射面与所述第四反射面的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第三反射面的上方的一组邻边由所述第二反射面与所述第四反射面的一对相邻棱边构成；

所述第四反射面与所述第六反射面之间连接有菱形的第五反射面，所述第五反射面位于由所述第四反射面与所述第六反射面的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第五反射面的上方的一组邻边由所述第四反射面与所述第六反射面的一对相邻棱边构成；

所述第六反射面与所述第八反射面之间连接有菱形的第七反射面，所述第七反射面位于由所述第六反射面与所述第八反射面的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第七反射面的上方的一组邻边由所述第六反射面与所述第八反射面的一对相邻棱边构成；

所述第二反射面与所述第八反射面之间连接有菱形的第一反射面，所述第一反射面位于由所述第二反射面与所述第八反射面的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第一反射面的上方的一组邻边由所述第二反射面与所述第八反射面的一对相邻棱边构成；

所述第一反射面、第三反射面、第五反射面、及第七反射面组成四个所述菱形反射面；

所述方形反射面的底边、与所述方形反射面的底边相邻的所述菱形反射面的菱形边、所述下底面共同形成梯形的非反射面；

与所述上顶面垂直入射的光束经所述反射棱镜分光后由9片面阵探测器实现像面无缝拼接，将拼接后的整个像面按照3×3阵列进行等间距分割，水平与竖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，即感光尺寸参数相同；

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；第一行为第一反射面的理论像面位置、第二反射面的理论像面位置、第三反射面的理论像面位置，第二行为第八反射面的理论像面位置、第九探测器接收的实际像面位置、第四反射面的理论像面位置，第三行为第七至第九面阵探测器第七反射面的理论像面位置、第六反射面的理论像面位置、第五反射面的理论像面位置；

所述第九探测器位于所述反射棱镜的下底面的下方。

进一步的，所述第一反射面、所述第二反射面、所述第三反射面、所述第四反射面、所述第五反射面、所述第六反射面、所述第七反射面、所述第八反射面的分光面镀制全反膜系。

在上述技术方案中，本发明提供的一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构，由于采用反射镜分光，不会造成能量大幅衰减；只有1级分光即可完成拼接，可以实现焦面结构小型化、轻量化、高度集成化；经棱镜分割后的子视场为长方形视场，探测器可以完整接收该子视场的图像，不会产生像元的浪费；是唯一的1次分光棱镜形式，适用于9片面阵探测器的拼接；通过设计棱镜参数可以改变分割后长方形子视场的边长，可以适用于任何型号的面阵探测器。因此该方法的视场扩大能力可以随着探测器的发展而同步发展；棱镜分光所产生的渐晕，较多级反射镜分光也会有明显的改善。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的九片面阵探测器拼接效果示意图；

图2为本发明实施例提供的反射棱镜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的反射棱镜与探测器对应关系示意图；

图4为探测器空间位置分布结构示意图；

图5为本发明实施例提供的反射棱镜俯视结构示意图；

图6为图5的A-A剖视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的反射棱镜的仰视结构示意图。

附图标记说明：

1、第一反射面；2、第二反射面；3、第三反射面；4、第四反射面；5、第五反射面；6、第六反射面；7、第七反射面；8、第八反射面；91、方形孔；92、第二方形孔；11、有效光线；12、系统光轴。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图1至图5所示；

一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构包括：

上顶面和下底面都是方形的反射棱镜；反射棱镜整体上为上细下粗的结构；

反射棱镜的上下底面中心开有四棱台通孔、且四棱台通孔的上部方形孔91完全覆盖上顶面；

四棱台通孔的上部方形孔91尺寸小于其下部的第二方形孔92；

连接上顶面和下底面的侧面包括：四个方形反射面和四个菱形的反射面和四个梯形的非反射面；

四个方形反射面包括由方形孔91的四条边依次向下、向外倾斜的第二反射面2、第四反射面4、第六反射面6、第八反射面8；

第二反射面2、第四反射面4、第六反射面6、第八反射面8与所述下底面成45度角布置、且四个所述方形反射面的底边都在同一水平面上；

第二反射面2与第四反射面4之间连接有菱形的第三反射面3，第三反射面3位于由第二反射面2与第四反射面4的一对相邻棱边形成的平面上、且第三反射面3的上方的一组邻边由第二反射面2与第四反射面4的一对相邻棱边构成；

第四反射面4与第六反射面6之间连接有菱形的第五反射面5，第五反射面5位于由第四反射面4与第六反射面6的一对相邻棱边形成的平面上、且第五反射面5的上方的一组邻边由第四反射面4与第六反射面6的一对相邻棱边构成；

第六反射面6与第八反射面8之间连接有菱形的第七反射面7，第七反射面7位于由第六反射面6与第八反射面8的一对相邻棱边形成的平面上、且第七反射面7的上方的一组邻边由第六反射面6与第八反射面8的一对相邻棱边构成；

第二反射面2与第八反射面8之间连接有菱形的第一反射面1，第一反射面1位于由第二反射面2与第八反射面8的一对相邻棱边形成的平面上、且第一反射面1的上方的一组邻边由第二反射面2与第八反射面8的一对相邻棱边构成；

第一反射面1、第三反射面3、第五反射面5、及第七反射面7组成四个菱形反射面；

方形反射面的底边、与方形反射面的底边相邻的菱形反射面的菱形边、下底面共同形成等腰梯形的非反射面。

具体的，一种上顶面和下底面都是方形的反射棱镜，上顶面和下底面的方形位置和布置方向均对应，下底面的方形大于上顶面的方形。

反射棱镜的上顶面和下底面中心开有四棱台通孔、且四棱台通孔的上部方形孔91完全覆盖上顶面，即四棱台通孔的上部方形孔91与上顶面之间无间隙，上顶面全部开孔。

如图5所示，四棱台通孔的侧面与下底面形成的角为锐角，保证通孔入口处的方形孔91小于出口处的第二方形孔92，不能设计为垂直底面的角度，图5上的四棱台通孔的侧面与上顶面形成的倾斜角度β略大于光学设计的发散角α、即有效光线11与上顶面形成的倾斜角度。这样可以保证反射棱镜中心的四棱台通孔侧面所对应的第九探测器的像元，能够获得更高的能量，减轻渐晕现象。

同轴大视场光学系统的视场主要为近似方形的区域，所以焦面所用面阵探测器个数主要为：1片、4片、9片、16片等。本发明只针对焦面为9 片面阵探测器拼接的情况，图1表达了探测器像元对应的视场区域。由于探测器边框限制无法实现图1的拼接形式，所以需要通过适当的方式，将 9片探测器分别设计在不同的位置。

与上顶面垂直的入射光束经分光棱镜分光后由9片面阵探测器实现像面无缝拼接；将拼接后的整个像面按照3×3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，即感光尺寸参数相同；

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；第一行为第一至第三探测器，第二行为第八探测器、第九探测器、第四探测器，第三行为第七探测器、第六探测器、第五探测器；

光束经第一反射面1投射在第一探测器上；

光束经第二反射面2投射在第二探测器上；

光束经第三反射面3投射在第三探测器上；

光束经第四反射面4投射在第四探测器上；

光束经第五反射面5投射在第五探测器上；

光束经第六反射面6投射在第六探测器上；

光束经第七反射面7投射在第七探测器上；

光束经第八反射面8投射在第八探测器上；

第九探测器位于第二方形孔92的下方。

第二反射面2、第四反射面4、第八反射面8、第六反射面6都与下底面成45度角，采用对称式棱镜，即上述相对设置的一对方形反射面对称布置，将光束分别反射成“十字”结构。它们都是方形反射面，上底边与方形孔91的共边。

四个菱形的反射面：第一反射面1、第三反射面3、第五反射面5、第七反射面7所在位置由其相邻的两个方形的反射面的棱边所在的面决定，且菱形反射面的一组邻边同与该菱形反射面相邻的两个方形反射面的棱边为同一边。

八个反射面投影尺寸由所选探测器型号和搭接像元数决定。每个探测器位于光学系统理论焦面处。经反射棱镜分光后，9片面阵探测器空间位置分布如图4所示。

本发明的反射棱镜含有8个单独的反射面，将垂直反射棱镜上顶面的光束分为八个不同的方向，通过1级分光即可以完成9片面阵探测器的拼接。反射镜分光不会造成能量大幅衰减，只有1级分光也可以减小焦面附近光学系统的复杂程度和体积，减轻焦面结构重量。本发明的棱镜结构结构采用对称结构布置，八个反射面集成一体，反射棱镜的反射面整体上是凸出面，集成度高，外观整齐，便于加工，精度因此相应有提高。9片探测器均布在反射棱镜的九个方向上，互相独立，布局紧凑，体积小；第九片探测器直接置于透光区域，与现有技术的九个探测器分别接收对应的一个反射面的图像相比，减少了一次反射面的设置。

通过有八个反射面的反射棱镜拼接的焦面，在棱镜中间的四棱台通孔的棱边所对应的像元上会出现渐晕现象，严重程度与光学设计和像元尺寸有关。渐晕是面阵探测器无缝拼接所不可避免的现象。本发明的反射棱镜分光位置相比传统方法的分光位置更靠近探测器感光面，产生的渐晕较传统方法会有明显改善。

本发明与面阵探测器组合在一起实现了3×3模式共9片面阵探测器形成的像面无缝拼接，反射棱镜包括8个反射面，分别对应焦面边缘的8片面阵探测器。反射镜中心四棱台通孔为透光区域，对应焦面中心的第九面阵探测器，如图3所示。利用反射棱镜分割后的视场为正规的长方形，边长可通过调整棱镜参数来设计。这样每个子视场的探测器正好可以接收完整的子视场图像，不会产生像元的浪费。八面体反射棱镜也是唯一的一种棱镜结构形式，1次分光后可形成9个长方形子视场，满足9片面阵探测器的拼接。每个子视场图像的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，即感光尺寸参数相同。

优选的，第一反射面1、第二反射面2、第三反射面3、第四反射面4、第五反射面5、第六反射面6、第七反射面7、第八反射面8的分光面镀制全反膜系。

本发明的八面体反射棱镜的具体设计步骤如下：

其中图1中第一探测器、第二探测器、第三探测器所在方向为水平方向，第一探测器、第八探测器、第七探测器所在方向为竖直方向。

1、首先选定面阵探测器型号确定像元尺寸t和像元数a(水平方向) ×b(竖直方向)和搭接像元数n、即相邻俩个探测器之间重叠的像元数。

2、第二反射面、第六反射面的投影尺寸为水平方向(a-2n)×t，竖直方向(b-n)×t，与棱镜下底面角度为45度，第二反射面、第六反射面互相垂直。第四反射面、第八反射面的投影尺寸为水平方向(a-n)×t，竖直方向(b-2n)×t，与棱镜底面角度为45度，第四反射面、第八反射面互相垂直。

3、反射棱镜中心的四棱台通孔的方形孔91尺寸为水平方向(a-2n) ×t，竖直方向(b-2n)×t。四棱台通孔的侧面与上顶面形成的倾斜角度β略大于光学设计的发散角α。

4、第一反射面、第三反射面、第五反射面、第七反射面的投影尺寸为水平方向(a-n)×t，竖直方向(b-n)×t，与下底面的角度经四舍五入后为54.74度角。

5、按照上述参数，保留适当加工余量，即可确定八面体反射棱镜的基本设计参数。由于是反射镜，镜体内部可进行轻量化处理，进一步降低镜体重量。

实施例一：

例如，焦面探测器选用长光辰芯公司的GSENSE6060大面阵CMOS图像传感器，像元尺寸为10um(t)，像元数量为6144(a)×6144(b)，搭接像元数为200(n)。第二反射面、第六反射面的投影尺寸为水平方向 57.44mm，竖直方向59.44mm。第四反射面、第八反射面的投影尺寸为水平方向59.44mm，竖直方向57.44mm，与棱镜底面角度为45度。反射棱镜中心方形通孔尺寸为水平方向57.44mm，竖直方向57.44mm。第一反射面、第三反射面、第五反射面、第七反射面的投影尺寸为水平方向59.44mm，竖直方向59.44mm，与下底面的角度经四舍五入后为54.74度角。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (2)

1.一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构，其特征在于，包括：

上顶面和下底面都是方形的反射棱镜；所述反射棱镜整体上为上细下粗的结构；

所述反射棱镜的所述上顶面和所述下底面中心开有四棱台通孔、且所述四棱台通孔的上部方形孔(91)完全覆盖所述上顶面；

所述四棱台通孔的上部方形孔(91)尺寸小于其下部的所述第二方形孔(92)；

连接所述上顶面和下底面的侧面包括：四个方形的反射面和四个菱形的反射面和四个梯形的非反射面；

四个所述方形反射面包括由所述方形孔(91)的四条边依次向下、向外倾斜的第二反射面(2)、第四反射面(4)、第六反射面(6)、第八反射面(8)；

所述第二反射面(2)、所述第四反射面(4)、所述第六反射面(6)、所述第八反射面(8)与所述下底面成45度角布置、且四个所述方形反射面的底边都在同一水平面上；

所述第二反射面(2)与所述第四反射面(4)之间连接有菱形的第三反射面(3)，所述第三反射面(3)位于由所述第二反射面(2)与所述第四反射面(4)的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第三反射面(3)的上方的一组邻边由所述第二反射面(2)与所述第四反射面(4)的一对相邻棱边构成；

所述第四反射面(4)与所述第六反射面(6)之间连接有菱形的第五反射面(5)，所述第五反射面(5)位于由所述第四反射面(4)与所述第六反射面(6)的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第五反射面(5)的上方的一组邻边由所述第四反射面(4)与所述第六反射面(6)的一对相邻棱边构成；

所述第六反射面(6)与所述第八反射面(8)之间连接有菱形的第七反射面(7)，所述第七反射面(7)位于由所述第六反射面(6)与所述第八反射面(8)的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第七反射面(7)的上方的一组邻边由所述第六反射面(6)与所述第八反射面(8)的一对相邻棱边构成；

所述第二反射面(2)与所述第八反射面(8)之间连接有菱形的第一反射面(1)，所述第一反射面(1)位于由所述第二反射面(2)与所述第八反射面(8)的一对相邻棱边形成的平面上、且所述第一反射面(1)的上方的一组邻边由所述第二反射面(2)与所述第八反射面(8)的一对相邻棱边构成；

所述第一反射面(1)、所述第三反射面(3)、所述第五反射面(5)、及所第七反射面(7)组成四个所述菱形反射面；

所述方形反射面的底边、与所述方形反射面的底边相邻的两个所述菱形反射面的菱形边、所述下底面的棱边共同形成梯形的非反射面；

与所述上顶面垂直入射的光束经所述反射棱镜分光后由9片面阵探测器实现像面无缝拼接，将拼接后的整个像面按照3×3阵列进行等间距分割，水平与竖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，即感光尺寸参数相同；

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；第一行为第一反射面的理论像面位置、第二反射面的理论像面位置、第三反射面的理论像面位置，第二行为第八反射面的理论像面位置、第九探测器接收的实际像面位置、第四反射面的理论像面位置，第三行为第七至第九面阵探测器第七反射面的理论像面位置、第六反射面的理论像面位置、第五反射面的理论像面位置；

所述第九探测器位于所述反射棱镜的下底面的下方。

2.如权利要求1所述的一种基于单一棱镜分光的大视场面阵焦面结构，其特征在于，所述第一反射面(1)、所述第二反射面(2)、所述第三反射面(3)、所述第四反射面(4)、所述第五反射面(5)、所述第六反射面(6)、所述第七反射面(7)、所述第八反射面(8)的分光面镀制全反膜系。

Images