CN115509021A - 一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，包括：主光学成像镜头、光楔组合和拼接探测器组件；其中，光楔组合设置于拼接探测器组件与主光学成像镜头之间；光楔组合由若干个倾斜放置的楔板拼接而成；主光学成像镜头接收大视场场景的光信息，将大视场场景的光信息进行像差校正后得到校正后的成像视场；光楔组合将校正后的成像视场在倾斜平面内分割成多个子视场；其中，相邻两个子视场之间的距离大于拼接探测器组件中的相邻两个图像传感器的非感光区域的宽度；拼接探测器组件通过采集多个子视场得到整个图像。本发明具有实现简单，成本低，体积重量较小、所需后工作距离短，无缝覆盖的优点。

Description

一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统

技术领域

本发明属于大视场航天光电探测遥感技术领域，尤其涉及一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统。

背景技术

图像传感器，如CCD、COMS、制冷或非制冷红外探测器被广泛应用于航天、航空、普通数码相机、红外成像系统等图像获取领域和系统中。受限于大规模图像传感器的制作工艺难度和造价昂贵等因素，即使光学系统设计可以实现大视场和高分辨的指标要求，单片探测器仍难以获得很大的信息量。因此，面向航天遥感探测、大幅宽广域搜索等应用领域的迫切需求，大视场或大幅宽的数字成像系统成为该领域重要研究方向之一。

过去，许多研究人员提出了各种解决方案，主要有扫描的分时成像法、探测器机械拼接法、多组成像系统拼、单系统的光学拼接。但是，扫描法其需要在镜头前置或中间光瞳位置置入带有运动部件的扫描镜，由于含有运动部件，系统可靠性降低，所探测区域不能实现同时覆盖，对运动场镜或时间分辨率要求严格的应用不适合；直接的机械拼接由于探测器光敏区周围有探测器基座等不成像的区域，会导致上下或左右的未能捕获有效的成像光信息造成盲区；另外多系统拼接方法，采用多组成像镜头组成一个更大视场的系统，但是这种方案代价较大，需要多组镜头，系统结构复杂、体积大、成本高。单系统的光学拼接基本原理就是利用光学元件如单反射镜、棱镜反射镜组合、半透半反镜等，将光学系统的视场分割成若干部分，分别将这些子视场的成像在各自对应图像传感器上，使得图像传感器的装配不会受到非感光区域的限制，最终将子视场拼接一起实现了无拼缝的大视场图像。光学拼接具有无物理拼缝的优势，且工艺简单，是实现大规模焦平面的常用方式。在卫星遥感等领域得到广泛使用。

但是，现有的光学拼接方法，仍然存在以下主要不足：①半反半透的棱镜拼接法(如CN101201459A)，其拼接视场有限，且需要后工作距离较长，不适用用较小F#系统的分光，更重要入射光束需经过N次分光才能到达像面，使得入射到像面的光能量减少至原来能量的2^N分之一,能量不足，因此其在航天遥感领域的实用性不是很强。②利用反射镜或反射棱镜的全反全透法(CN 101650423B和CN101650423B)，由于分光的各棱镜位置不对称，棱镜结构与拼接复杂，拼接需要复杂的机械结构进行固定于安装，体积和重量都比较大，不能用于轻量化设计中，而且为了置入反射棱镜，其需要光学系统预留较大的后工作距离，同样不适用短后工作距离的光学系统分光。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，具有实现简单，成本低，体积重量较小、所需后工作距离短，无缝覆盖的优点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，包括：主光学成像镜头、光楔组合和拼接探测器组件；其中，所述光楔组合设置于所述拼接探测器组件与所述主光学成像镜头之间；所述光楔组合由若干个倾斜放置的楔板拼接而成；所述主光学成像镜头接收大视场场景的光信息，将大视场场景的光信息进行像差校正后得到校正后的成像视场；所述光楔组合将校正后的成像视场在倾斜平面内分割成多个子视场；其中，相邻两个子视场之间的距离大于拼接探测器组件中的相邻两个图像传感器的非感光区域的宽度；所述拼接探测器组件通过采集多个子视场得到整个图像。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述拼接探测器组件包括多个探测器；其中，多个探测器在一个平面上拼接而成；每个探测器均包括光敏区和非光敏区基板；其中，所述光敏区设置于所述非光敏区基板的上部。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述主光学成像镜头包括孔径光阑、主镜、次镜和三镜；其中，大视场场景的光信息通过孔径光阑后入射到所述主镜，再经所述主镜反射后到达所述次镜，再经所述次镜反射后到达所述三镜，再经所述三镜到达所述光楔组合。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述主镜和所述三镜均为高次非球面，所述次镜为二次曲面。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，高次非球面方程为：

其中，c表示曲率，为顶点曲率半径的倒数，即1/R；k表示二次非球面系数，A表示四次非球面系数，B表示六次非球面系数，C表示八次非球面系数，D表示十次非球面系数；z表示矢高，h表示曲面上点到中心对称轴的距离。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述孔径光阑与所述主镜的间距为710mm～730mm，所述孔径光阑的孔径为200mm～210mm。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述主镜的曲率半径为-2170mm～-2180mm，所述主镜与所述次镜的间距为540mm～550mm。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述次镜的曲率半径为-720mm～-730mm，所述次镜与所述三镜的间距为710mm～720mm。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述三镜的曲率半径为-1050mm～-1060mm，所述三镜与所述光楔组合的间距为730mm～740mm。

上述光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统中，所述光楔组合的厚度为5mm～7mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明将成像镜头和光楔组合协同像差校正和平衡，解决了传统透射分视场拼接方法会引入的较大像差问题；

(2)本发明的光楔透射分光组件，在设计中将楔角作为优化变量，极大程度上减少了元件倾斜引入的象散像差，降低了主光学镜头设计难度；

(3)本分明仅需要多块倾斜的光楔组合，结构简单，重量和体积均小，适用于轻量化设计中；

(4)本发明需要较小的后工作距离，克服了全反射或半透半反分光棱镜法不适用于短工作距离的光学系统的光学拼接的缺点。可用于短工作距离或小F#系统的光学拼接中。

(5)本发明的拼接方法不含运动部件，成像视场没有缺失，实现了大规模面阵焦平面。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的拼接探测器组件的示意图；

图2是本发明实施例提供的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统的示意图；

图3是本发明实施例提供的主光学成像镜头的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图2是本发明实施例提供的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统的示意图。如图2所示，该光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统包括：主光学成像镜头4、光楔组合5和拼接探测器组件6；其中，

光楔组合5设置于拼接探测器组件6与主光学成像镜头4之间；光楔组合5由若干个倾斜放置的楔板拼接而成。

主光学成像镜头4接收大视场场景的光信息，将大视场场景的光信息进行像差校正后得到校正后的成像视场；光楔组合5将校正后的成像视场在倾斜平面内分割成多个子视场；其中，相邻两个子视场之间的距离大于拼接探测器组件6中的相邻两个图像传感器的非感光区域的宽度。拼接探测器组件6通过采集多个子视场得到整个图像。

光路中倾斜放置的楔板元件，主要作用是将成像视场分割成多个子视场，同时将子视场之间产生侧向位移。侧向位移L与入射视场的主光线角度I_c、楔板倾斜角度θ，中心厚度d、以及楔板折射率n有关，具体关系下面公式(1)；

其中，I'为楔板前表面的折射角，楔板前表面入射角I,与入射视场的主光线角度I_c和楔板倾斜角度θ，见公式(2)：

I＝θ-I_c (2)

另一方面，在会聚光路中插入倾斜元件会引入较大的象散，引入像差大小与前面主光学镜头相对孔径F#、倾斜角度θ、中心厚度d、以及折射率n有关。这里采用弱光楔代替平行平板，该楔板前后两平面存在小量的楔角β,来减少该元件引入象散像差。同理，楔角β的大小选取与主光学系统F#、倾斜角度θ、中心厚度d、以及折射率n，关系复杂，需要根据实际具体分析，在设计中，将其作为优化变量，与主光学协同设计，寻求最优解。

图1是本发明实施例提供的拼接探测器组件的示意图。如图1所示，拼接探测器组件6包括多个探测器；其中，多个探测器在一个平面上拼接而成；每个探测器均包括光敏区1和非光敏区基板2；其中，光敏区1设置于非光敏区基板2的上部。

主光学成像镜头，是任意一个实现特定孔径和焦距的大视场光学成像系统，用于将接收大视场场景的光信息，实现主要像差的校正。其结构可以是任意的光学系统形式，如全反射式、全折射式、折反式。

所述光楔组件是由若干个倾斜放置的楔板拼接或胶合而成，置于图像传感器之前。该楔板组合可以将成像视场在倾斜平面内将光束分割成子视场。它使得不同的视场的光线偏折的角度不一样，相邻两个子视场彼此相隔一段距离，当这个距离大于两个图像传感器紧靠在一起时的非感光区域的宽度时，每一个子视场对应一块图像传感器，整个图像就能够被多块图像传感器接收。从空间上，各个探测器平行放置，大致在同一平面上互补干涉，系统较为紧凑。

所述光楔组件较平板的优点，其减小了倾斜光学元件引起较大的象散像差。每个光楔前后两个表面有一定楔角，约为5°以内，光楔厚度基本一致。光楔的倾角度是根据两个子视场需要分离的距离而适当而定，取30°以内。

所述主光学成像镜头和光楔组件，两者是一体化设计的，实现子视场所需分隔的距离以及良好的成像性能等设计要求。主光学成像镜头具有较大的象散和慧差等残余像差，与光楔组件引起的像差互补。在设计过程中，光楔楔角、倾斜角度、厚度均可以做优化变量，将子视场的在像平面的分离距离，以及相邻楔板的连接处位置坐标作为约束条件，与主光学系统的残余像差两者协同校正，进行成像与拼接的一体化设计。

所述光电图像传感器类型可以是CCD、COMS、制冷或非制冷红外探测器。

由于本发明由于楔板安装在非视场光阑的位置，不可避免地会造成分割后子像面部分视场存在渐晕，但是该问题时所有光学拼接存在的共性问题，可以通过子像面重叠部分得到补偿。通过消除渐晕并合并后即构成了完整的成像视场，不存在盲区，实现无缝拼接。

光电图像传感器是光电系统中核心部件，将携带图像信息的光信号转换为电信号。一块探测器通常是将光敏区安置在一块较大的基板上，多个探测基板可以进行行一一拼接，实现更大规模的集成。如图1所示，以四块探测器拼接为例，1为光敏区，2为基板，是非光敏区域，光敏区是由密布行列排列的像元(像素)组成，而光敏面像元的规模大小受到制造工艺的限制。例如法国sofradir公司生产的1000×256SWIR HgCdTe焦平面探测器，它采用光伏HgCdTe和COMS读出集成电路(ROIC),探测元大小为30um×30um。图1为各个探测器组件的基板边缘在一个平面上进行拼接，实现了更大规模。虽然采用拼接可以实现大规模像元数，但是该方法受到了非光敏区基板2的限制，两块相邻光敏区1之间存在非感光的间隙区3。如果直接成像到探测器上，会存在部分视场信息没有被获取到，造成盲区。本实施例提出了一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接方法，解决了直接机械拼接造成的盲区或拼缝视场缺失的问题。该方法通过在探测器前端置于多块楔板，将成像光束均成像在光敏区域内，避开拼接间隙；楔板结构参数与成像镜头一体化设计，协同校正像差，最终实现多块探测器的无缝拼接。如图2所示，为本发明提出的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接示意图。整个光学系统包括主光学成像镜头4、光楔组合5和拼接探测器组件6。

主光学成像镜头4是实现特定视场、焦距、F#等光学系能指标的主要系统，可以是任意形式的光学结构。

光楔组合5，由若干个倾斜放置的楔板拼接或胶合而成，置于图像传感器之前。图2示意图以两块光楔拼接为例，分别为上光楔5a和下光楔5b。处于上方子视场的光线(图2中实线)，经过上光楔5a后将会向上平移一定的距离，因此像点也会向上平移一定的距离，成像光被上方探测器光敏区1a所接收；而处于下方子视场的光线(图2中虚线)，经过下光楔5b之后，像点会向下平移，成像光被下方探测器光敏区1b所接收。因此两个子视场彼此相隔一段距离，当这个距离大于两个图像传感器紧靠在一起时的非感光的间隙区3(图1)时，整个图像就能够被图像传感器6接收。其中，上方探测器光敏区1a与下方探测器光敏区1b之间的宽度即为图1中非感光的间隙区3。不同的探测器结构其间隙宽度不同。

主光学成像镜头4和光楔组件5，两者是一体化设计的，实现子视场所需分隔的距离以及良好的成像性能等设计要求。主光学成像镜头具有较大的象散和慧差等残余像差，与光楔组件引起的像差互补。在设计过程中，光楔楔角、倾斜角度、厚度均可以做优化变量，将子视场的在像平面的分离距离，以及相邻楔板的连接处位置坐标作为约束条件，与主光学系统的残余像差两者协同校正，进行成像与拼接的一体化设计。光电图像传感器6的类型可以是CCD、COMS、制冷或非制冷红外探测器。从空间上，各个探测器平行放置，大致在同一平面上互补干涉，系统较为紧凑。

这里结合一个具体的实施例，进一步说明本发明的拼接设计方法。

本发明的一个实施方案为：入瞳口径为205mm，视场为达到10.2°×3.2°，工作谱段为2.8μm～5.5μm，F数为4.4。该系统采用1×2拼接方式，将10.2°×3.2°的视场分为5.1×3.2°的两个子视场。三维光学系统结构如图3所示。该系统是主光学系统是一个离轴三反系统，实现大视场长焦系统设计，分别由孔径光阑、主镜、次镜、三镜、光楔组合和像面组成。

光学系统结构参数如表1所示。主镜和三镜为高次非球面，次镜为二次曲面，其非球面参数如表2所列。采用的非球面方程为：

其中，c表示曲率，为顶点曲率半径的倒数，即1/R；k表示二次非球面系数，A表示四次非球面系数，B表示六次非球面系数，C表示八次非球面系数，D表示十次非球面系数；z表示矢高，h表示曲面上点到中心对称轴的距离。其中光楔前表面倾斜角度为19.97°，后表面的倾斜角度为20.09°，楔角大小为0.12°。上光楔沿长视场方向(10.2°视场方向)偏心-48mm，下光楔偏心沿长方向视场48mm，两块楔板的厚度为5mm，口径为98×70.1mm。

最终，通过主光学镜头和光楔组合的一体化优化设计，实现了各项光学指标和像质要求。探测器中间的无非感光的间隙区长度达到了4.5mm，与所对应探测器基板间隙相匹配。本发明实施例的光学拼接后MTF曲线已经接近衍射极限。

表1光学系统结构参数表

表2非球面系数参数表

CURV

K

A

B

C

D

A(1)

-1.6096

7.22E-13

-3.78E-17

2.58E-22

-6.59E-28

-1.6096007

A(2)

0.60640

A(3)

-3.1209

-3.49E-10

1.33E-16

-2.48E-22

6.72E-29

——

本发明适用于面阵和线阵拼接，且谱段不受限制。

本发明将成像镜头和分光组件协同像差校正和平衡，解决了传统透射分视场拼接方法会引入的较大像差问题。

本发明提出的光楔透射分光组件，在设计中将楔角作为优化变量，极大程度上减少了元件倾斜引入的象散像差，降低了主光学镜头设计难度。

本分明仅需要多块倾斜的光楔组合，结构简单，重量和体积均小，适用于轻量化设计中；本发明需要较小的后工作距离，克服了全反射或半透半反分光棱镜法不适用于短工作距离的光学系统的光学拼接的缺点。可用于短工作距离或小F#系统的光学拼接中；本发明损失光能几乎很少，能量充足，可应用到系统透过率和能量要求较大的系统中，如航天遥感领域；本发明的拼接方法不含运动部件，成像视场没有缺失，实现了大规模面阵焦平面。适合用于大视场、高空间分辨率、高时间分辨率的成像系统，如卫星遥感、飞机航拍、红外侦查和预警等领域。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于包括：主光学成像镜头(4)、光楔组合(5)和拼接探测器组件(6)；其中，

所述光楔组合(5)设置于所述拼接探测器组件(6)与所述主光学成像镜头(4)之间；

所述光楔组合(5)由若干个倾斜放置的楔板拼接而成；

所述主光学成像镜头(4)接收大视场场景的光信息，将大视场场景的光信息进行像差校正后得到校正后的成像视场；所述光楔组合(5)将校正后的成像视场在倾斜平面内分割成多个子视场；其中，相邻两个子视场之间的距离大于拼接探测器组件(6)中的相邻两个图像传感器的非感光区域的宽度；

所述拼接探测器组件(6)通过采集多个子视场得到整个图像。

2.根据权利要求1所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述拼接探测器组件(6)包括多个探测器；其中，

多个探测器在一个平面上拼接而成；

每个探测器均包括光敏区(1)和非光敏区基板(2)；其中，所述光敏区(1)设置于所述非光敏区基板(2)的上部。

3.根据权利要求1所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述主光学成像镜头(4)包括孔径光阑、主镜、次镜和三镜；其中，

大视场场景的光信息通过孔径光阑后入射到所述主镜，再经所述主镜反射后到达所述次镜，再经所述次镜反射后到达所述三镜，再经所述三镜到达所述光楔组合(5)。

4.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述主镜和所述三镜均为高次非球面，所述次镜为二次曲面。

5.根据权利要求4所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：高次非球面方程为：

其中，c表示曲率，为顶点曲率半径的倒数，即1/R；k表示二次非球面系数，A表示四次非球面系数，B表示六次非球面系数，C表示八次非球面系数，D表示十次非球面系数；z表示矢高，h表示曲面上点到中心对称轴的距离。

6.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述孔径光阑与所述主镜的间距为710mm～730mm，所述孔径光阑的孔径为200mm～210mm。

7.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述主镜的曲率半径为-2170mm～-2180mm，所述主镜与所述次镜的间距为540mm～550mm。

8.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述次镜的曲率半径为-720mm～-730mm，所述次镜与所述三镜的间距为710mm～720mm。

9.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述三镜的曲率半径为-1050mm～-1060mm，所述三镜与所述光楔组合(5)的间距为730mm～740mm。

10.根据权利要求3所述的光楔与成像镜头一体化设计的光学拼接系统，其特征在于：所述光楔组合(5)的厚度为5mm～7mm。

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