CN115480395A

CN115480395A - 一种宽容差高分辨率光学***

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Publication number: CN115480395A
Application number: CN202210934480.3A
Authority: CN
Inventors: 阮宁娟; 刘晓林; 王小勇; 贺金平; 庄绪霞; 田国梁; 魏久哲; 张庭成; 李妥妥
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2022-12-16

Abstract

一种宽容差高分辨率光学***，包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正***的场曲。

Description

一种宽容差高分辨率光学***

技术领域

本发明涉及一种宽容差高分辨率光学***，可实现超大规模像素成像，属于光学设计和技术领域。

背景技术

成像探测器是空间光学遥感相机的关键核心器件，探测器的像元尺寸、像素密度等是影响相机能力的关键指标。传统的星载高分辨率成像遥感器一般采用像元3μm以上的探测器，像元规模最大也就千万像素。近年来，随着半导体技术以及成像探测器技术的发展，像元尺寸突破了1um，像元规模突破十亿，甚至可能突破百亿级。面向超大规模像素的微米像元探测器，亟需开展大视场高频成像光学***设计，解决传统光学***的空间带宽积与***复杂度矛盾瓶颈，以及超小像元器件引入成像***导致的光学高敏感度，以满足探测器的性能及航天应用需求。

根据该类探测器的性能及航天相机长焦距的应用需求，要求***焦距为几百毫米以上，f#小于1.7，静态视场大于5°×5°。如此小的焦距口径比光学***易引入较大孔径像差，同时要求在较大视场范围内在超高奎斯特频率处(达700线对/mm)具有接近衍射极限的成像水平。另外，像元规模从传统的千万级，甚至到百亿级，成像设计视场范围激增，给***设计带来较大的象散和场曲像差校正难度。该光学***工作于可见波段，属于小F#大视场的高分辨率光学***，兼顾传统照相镜头的大视场和显微镜头的高分辨的特点，对传统光学设计提出新的挑战。传统的可见光遥感相机，由于探测器尺寸较大，3um以上，相应焦距口径比基本在5以上，其常采用同轴RC结构、RC加校正镜结构、同轴TMA结构或离轴TMA结构。但对于当焦距口径比要求小于2时，以上前四种均难以实现。另外，在地面的监控和安防领域应用的大视场且高分辨成像***，如鱼眼镜头、多镜头拼接、折反全景相机、共心球透镜多尺度成像***、复眼***结构等，由于所实现的焦距短(几十mm)和口径小，畸变大、分辨率中等，均不适用该空间相机。因此该类光学***给光学设计和工程实现提出了新的挑战，需要开展新结构设计，以满足超大规模像素的宽容差高分辨率光学***的设计要求。

现有技术中的同轴三反的结构，用于对空间微小目标的快速搜索，主镜采用凹抛物面结构，次镜为高次凸非球面，第三镜为凹高次非球面。主镜、次镜和第三镜的光轴重合，构成同轴三反光学***。这样构成的光学***焦距口径比为1.66，但是设计视场仅能达到3°视场。

传统的施密特结构，设计视场可以做大，但是其加工、装调、调焦和温控要求严苛，工程研制成本高，无法直接应用到超大规模亚微米像元的长焦***设计中。另外，虽然离轴自由曲面光学***可以实现较高的像质，但是其体积较大，大约为3×1×1.8m3，而且含两个1米以上口径的自由曲面，加工难度极大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统的光学***设计结构存在相对孔径大，成像视场小，装调公差严、体积大等问题，难以满足超小相对孔径，即F#小于2、百亿级超大像元规模、工程实现性强的应用需求，提出一种宽容差高分辨率光学***，利用相位波前编码技术使光学***在大视场范围内传递函数基本保持不变，可以有效降低超小F#、大视场光学***公差容限。

本发明的技术方案：一种宽容差高分辨率光学***，包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正***的场曲。

所述非球面校正镜组包括多个非球面校正镜。

所述每个非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。

所述每个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面。

在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接叠加置相位编码版面形或者置入一块相位编码板，对***的波前进行编码调制。

所述相位编码板采用立方编码板、对数编码板和指数编码板中的一种。

所述相位编码板放置于***的孔径光阑处。

所述主反射镜为凹面镜，曲率半径为***焦距的两倍，偏离不超过***焦距的20％，口径不大于600mm。

所述场镜为1～3片透镜组成的透镜组，通光口径不超过200mm。

所述外部光束为紫外光、可见光或红外光。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种宽容差高分辨率光学***，实现了超大规模像素的宽容差高分辨率光学***。该***包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；所述非球面校正镜组由多个非球面校正镜组成，非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面，口径不大于450mm；在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接置入一块相位编码板，对***的波前进行编码调制，利用波前编码技术，降低***公差灵敏度，提高了***工程可实现性；同时借助光纤光锥实现像面的平场设计。该***同时具备成像视场大、分辨率高度高的优点，结构简单紧凑，易于工程实现。

(2)本发明提出了一种光学结构几何光学设计与相位编码版的协同设计方法，实现了几何光学结构、相位编码以及图像恢复的三者协同优化，针对性设计相位编码结构以及所对应的宽容差公差项。

(3)该设计结构和设计方法，具有普适性，适应于紫外、可见或红外光学***。

附图说明

图1为本发明光线垂直入射施密特校正板示意图；

图2为本发明几何光学设计与相位编码版的协同设计；

图3为本发明用于超大规模像素的宽容差高分辨率光学***

具体实施方式

本发明一种宽容差高分辨率光学***，包括非球面校正镜组(含相位编码)、主反射镜、场镜组、探测器；

所述非球面校正镜并排安装于入射光路上；所述非球面校正镜接收外部光光束，并对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；同时在非球面校正镜的后表面直接叠加或者校正板后置入一块相位编码板，对***的波前进行编码调制，以降低***的公差容限。编码板的具体设置和设计，根据***的特性和宽容差的公差项进行迭代设计，再后面阐述设计方法时详细叙述。

所述非球面校正镜组由一个或多个非球面校正镜组成，非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。单个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面，口径不大于450mm。

所述***的孔径光阑位于非球面校正镜组的最后一个表面处，相位编码板可以直接叠加该表面上，或者将相位编码版置于孔径光阑处。

所述相位编码板可以为立方编码板、对数编码板和指数编码板等中的一种。这里选用立方编码板，编码形式为z＝a·(x³+y³)。

所述主反射镜为凹面镜，主反射镜曲率中心位于非球面校正镜前后，曲率半径为***焦距的两倍，偏离不超过***焦距的20％，口径不大于600mm。所述主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚；

所述场镜为1～3片透镜组成的透镜组，通光口径不超过200mm，接收主反射镜的会聚光束，校正***的场曲；

所述探测器设置于场镜后；所述场镜接收主反射镜反射光并于探测器上会聚成像。

所述外部光为紫外光、可见光或红外光。

这里以实现焦距700mm，入瞳口径480mm的百亿像素相机为例，给定一个具体实施方式。在本实例中具体步骤包括以下：

实施例的基本参数如表1所列，光学结构图如图1所示。其为大口径、小F#的光学***。根据***焦距700mm，设定球面反射镜的曲率半径为1400mm，施密特矫正板顶点曲率半径为无穷大。对于入瞳口径480mm，顶点曲率半径1400mm球面反射镜，基于像差平衡原理，在正入射施密特矫正板理论基础上，推导出施密特矫正板方程，分别求出非球面系数，作为初始结构参数代入CODE V软件进行优化，同时将将像面设计为可变曲率进行优化，最终得到了满足指标要求的设计结果。

表1基本的光学特性

参数	设计结果
		谱段/um	0.4～0.7
焦距/mm	700
		口径/mm	480
F#	1.45
		视场角/°	6°×6°
像面大小/mm	73.3×73.3
		像面曲率/mm	凸面1000.24
光学外包络尺寸/mm	650×1609

一种宽容差高分辨率光学***，如图1所示，包括所述非球面校正镜、光阑、主反射镜、第一场镜、第二场镜、探测器，所述非球面校正镜并排安装于入射光路上；所述非球面校正镜接收外部光光束，并对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；同时在非球面校正镜的后表面直接叠加相位编码板，对***的波前进行编码调制，以期降低***的公差容限。所述***的孔径光阑位于非球面校正镜组后表面附近。所述主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚；所述场镜是一组透镜，是接收主反射镜的会聚光束，校正***的场曲；所述探测器设置于场镜后；所述场镜接收主反射镜反射光并于探测器上会聚成像。非球面校正板采用康宁公司生产的7980融石英。

所述非球面校正镜、光阑、主反射镜、第一场镜、第二场镜、探测器。具体结构参数见下表2。其中表中“曲率半径”一栏表示各个表面的曲率半径，为负值表示该表面的曲率中心位于顶点的左边，反之曲率半径前无负号，表示位于曲率中心位于顶点的右边；“空间间隔/厚度”一栏给出了镜片的中心厚度或空间间隔距离；“材料”一栏表示光学镜片的玻璃材料名称。表中镜片的具体参数在实际操作中，可以微调以满足不同的***参数要求。孔径光阑stop位于非球面校正镜的后表面。

表2实施例光学结构参数

另外，非球面校正镜、主反射镜均为高次非球面，非球面参数如下表所示：

CURV

K

A

B

C

D

A(1)

1.68E-03

0

1.03E-09

1.17E-15

7.49E-21

-1.03E-26

A(2)

1.75E-03

0

1.45E-09

2.40E-15

1.35E-20

0.00E+00

A(3)

-7.10E-04

0

-9.21E-12

-2.48E-17

-5.17E-23

0.00E+00

A(4)

6.49E-04

0

3.60E-09

0.00E+00

A(5)

-1.60E-03

0

-4.39E-09

-7.93E-14

-1.35E-18

0.00E+00

其中，上表中各个非球面所采用的非球面方程见下式：

式中，c表示曲率，为曲率半径的倒数，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。

通过上述两表的结构参数，实现了工作谱段为0.4μm～0.70μm，入瞳口径为480mm，视场角为6°x6°，***包络仅为650×1609mm³，像质达到超高空间分辨率的性能，像素规模突破百亿。该***工程可制造性强，保证了如此高空间分辨率下集成后的性能。光学调制传递函数(MTF)是确定物镜分辨力和焦深的直接评价，***MTF已基本接近衍射极限，MTF为0.2时，***分辨率达到714lp/mm。另外，相比于传统光学***，不仅***极限分辨率从几十线对提高到七百线对的优点外，而且低空间分辨率如71.4lp/mm(对应7um像元探测器的奈奎斯特频率)时，***的MTF由常规的0.4提升到0.8。

鉴于实现如此大视场和高分辨的成像***，其加工、装调、调焦和温控要求严苛，工程研制成本高，无法直接应用到百亿级亚微米像元的长焦***设计中。进而本发明提出了将波前编码技术与该光学***相结合，通过在上述光学***中光阑位置加入位相编码板，来降低光学***公差容限十分有效。波前编码技术具体工作原理是为通过在孔径光阑或者出瞳位置***一块特殊的相位掩模板，在光瞳函数上附加一个特定的相位分布，使得在较大的焦深范围内，其光学传递函数(OTF)或者点扩散函数(PSF)不变或对物距变化不敏感，从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间图像，再通过后续的数字滤波手段对中间图像进行解码，恢复成清晰的最终图。本发明提出的解决方案是在光学***的光阑处加入立方编码板，编码形式为：

z＝a·(x³+y³) (1-1)

其中，(x,y)是以直角坐标表示的位置；α是立方编码板系数。本发明建立了一种光学结构几何光学设计与相位编码版的协同设计方法，如图2所示。首先依据光学指标分析进行初始结构选型和***建模，进行传统的几何光学设计，使得***像质满足常规设计要求，进而进行公差灵敏度分析，按照公差灵敏度和工程可行性，确定宽容差的主要公差项；依据光学***自身像差敏感特点，进行相位编码设计，以相位版面形函数及参数为优化变量，选择全视场点扩散函数一致性以及宽容差像差大小为评价函数，同时考虑图像对光学***成像性能的约束条件，设计特定的相位编码版；将相位编编码版带到到光学***模型中进行多轮迭代优化设计，完成相位编码版的设计；最后将表征整个光学***成像性能的2DMTF或点扩散函数，导入到图形恢复优化模型中，考虑探测器参数、选择合适的计算退化函数和解码，实现最佳的图像恢复。

最终引入相位编码板进行宽容差设计，最终通过平衡，在非球面校正板的后表面直接叠加编码版系数，按照传函一致性以及数字图像处理所要求的最低传函要求，确定相位版面形为z＝1×10^-10·(x³+y³)，相位编码的面形分布如图3所示。平均传函为0.143@714lp/mm，最终通过图像恢复优化设计***传函提升至0.20以上。

编码前理论计算焦深为±2F²λ＝±0.002～±0.004mm(λ＝0.4～0.7μm)，全视场传函平均值在0.12以上。编码后***焦深焦编码前，传函对焦深变化率减缓，焦深扩展到±0.08mm左右。同时，***加工和装调公差均都放松，整理误差容限较编码前***降低2.5倍以上，大大降低的***的公差灵敏度。

另外，该光学***的像面是凸的曲面，可以直接选用曲面探测器或者采用光纤光锥的平场设计，将球面上的像面如何传递到平面的图像传感器上的问题。这就需要借助于一种光纤传像元件，即光学纤维光锥。光学纤维光锥是由许多根平行排列的光学纤维，经熔压形成的高分辨力图像传像元件，它可以实现图像一对一的传递。目前，光学纤维面板的芯径最小可达2.51um，这类光纤传像元件将输入端的图像传递到输出端，如果输入端和输出端横截面尺寸不一致，则称为光纤光锥；如果输入端和输出端横截面尺寸一致，则称为光学纤维面板。它可以实现图像的放大传输或者缩小传输，这取决于进行图像传输时输入端和输出端的选取方式。如果选择小端作为输入端，大端作为输出端，可以实现图像的放大传输；反之，选择大端作为输入端，小端作为输出端，则可以实现图像的缩小传输。光纤光锥对图像放大/缩小的比例则由输入端与输出端横截面尺寸之比决定。在本设计中不需要对图像进行放大或缩小，需要在光学纤维面板上进行曲面加工，来拟合光学设计中的曲面成像，将曲面像通过光纤光锥传输到另一端的平面端，从而实现球面像面上的图像到图像传感器接收面的传递。

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。虽然结构附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本技术领域的技术人员来说，不脱离发明的前提下，可以做若干变形、替换和改进，这些也是视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：包括非球面校正镜组、主反射镜、场镜组、探测器；非球面校正镜组接收外部光束后通过放置于非球面校正镜组后方的相位编码板进行相位编码后，发送给主反射镜，同时对主反射镜反射时引起的像差进行预校正；主反射镜接收非球面校正镜透射的光束并进行反射，反射光射入场镜进行会聚后于探测器上成像，同时场镜还用于校正***的场曲。

2.根据权利要求1所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述非球面校正镜组包括多个非球面校正镜。

3.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述每个非球面校正镜为双凸镜或平凸镜。

4.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述每个非球面校正镜的一面或者双面为高次非球面。

5.根据权利要求2所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：在非球面校正镜组中任意一块非球面校正镜的后表面直接叠加置相位编码板面形或者置入一块相位编码板，对***的波前进行编码调制。

6.根据权利要求6所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述相位编码板采用立方编码板或对数编码板或指数编码板。

7.根据权利要求6所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述相位编码板放置于***的孔径光阑处，编码形式为：

z＝a·(x³+y³)

其中，(x,y)是以直角坐标表示的位置；α是立方编码板系数。

8.根据权利要求1所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述主反射镜为凹面镜，曲率半径为***焦距的两倍，偏离不超过***焦距的20％，口径不大于600mm。

9.根据权利要求1所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述场镜为1～3片透镜组成的透镜组，通光口径不超过200mm。

10.根据权利要求1所述的一种宽容差高分辨率光学***，其特征在于：所述外部光束为紫外光、可见光或红外光。