采用雙高斯準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)大視場航空相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

引言

航空偵察作為一種偵察手段，自產(chǎn)生以來一直是軍事偵察領(lǐng)域的重要組成部分，設(shè)計高分辨率、大視場偵察相機(jī)已經(jīng)成為航空偵察相機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。然而圖像傳感器的尺寸卻受到工藝的限制不可能做得很大，所以圖像傳感器的尺寸已成為限制相機(jī)視場的主要因素。視場拼接技術(shù)是解決大視場問題的關(guān)鍵。目前視場拼接主要有成像器件機(jī)械拼接、多鏡頭多面陣拼接和單鏡頭多面陣拼接。成像器件機(jī)械拼接就是在像面上將多片圖像傳感器緊密的排列起來，機(jī)械拼接的優(yōu)點在于采用機(jī)械拼接的相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)相對比較簡單，缺點是成像元器件成品都有封裝結(jié)構(gòu)，具有一定的幾何尺寸，實際像元大于有效像元，因此直接將2個成像芯片拼在一起中間會產(chǎn)生縫隙，在成像時產(chǎn)生拍攝盲區(qū)，丟失圖像信息。

為了實現(xiàn)無縫拼接，傳統(tǒng)方法是拆除單個成像芯片封裝，將有效像元順次拼接，但這種方法工藝復(fù)雜，成本高，很少被采用。多鏡頭多面陣成像器件拼接是每片成像芯片，使用一套獨立的光學(xué)系統(tǒng)，通過物理“捆綁”構(gòu)成具有較大成像面積的等效相機(jī)系統(tǒng)，其優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點是結(jié)構(gòu)龐大。單鏡頭多面陣成像器件拼接是多片成像器件使用同一套鏡頭，由多面陣成像芯片共同構(gòu)成焦平面，因此光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜，對各面陣成像芯片的安裝精度要求非常高，成像器件片數(shù)越多，裝調(diào)困難較大，光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)還要受多種因素的影響而降低。因此在設(shè)計時，要求光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)盡可能達(dá)到或接近衍射極限，還要考慮環(huán)境溫度、氣壓、高度等因素的變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響，在設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)的措施消除或減弱對像質(zhì)的影響。

1. 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如下： 照度范圍： 4 000 lx ~ 100 000 lx； 光譜范圍： 0.48 μm~0.75 μm； 探測器靶面尺寸：36.168 mm×24.112 mm； 像元尺寸：5.5 μm； 組合視場：20.5°×6.9°； 相對孔徑：1:4； 全視場最大畸變：＜0.5‰； 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：MTF≥0.5（全視場）。

1.2 焦距的確定

光學(xué)系統(tǒng)焦距長短要根據(jù)地面分辨率指標(biāo)要求確定。垂直型航空相機(jī)地面分辨率指標(biāo)RG、航拍高度H、選用的CCD芯片像元尺寸d及焦距之間的關(guān)系可根據(jù)下式確定： RG/H=n×d/f′ （1） 式中：f′為相機(jī)焦距；RG為地面分辨率；n為像元數(shù)；H為飛行高度；d為像元尺寸。 依據(jù)產(chǎn)品裝調(diào)水平、系統(tǒng)使用環(huán)境及設(shè)計經(jīng)驗，一般n在1.5~3之間選擇。 從公式（1）可以看出，相機(jī)地面分辨率與鏡頭焦距、像元尺寸、像元數(shù)有關(guān)。增大鏡頭焦距，相機(jī)重量隨之增加；而減小像元尺寸會導(dǎo)致成像靈敏度降低，因此確定系統(tǒng)焦距時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及使用條件綜合考慮。

1.3 視場角的確定

光學(xué)系統(tǒng)視場角的大小由物鏡焦距和接收器件的尺寸決定。單片成像芯片成像不滿足視場角要求，為了擴(kuò)大視場，采用雙片成像器件進(jìn)行拼接。

視場角計算公式為 2ω=2arctany‘/f’ （2）

式中：ω為半視場角；y′為CCD器件1/2尺寸；f′為鏡頭焦距。

光學(xué)系統(tǒng)成像組件拼接視場示意圖如圖 1所示，拼接后的視場角可以增加近1倍。單片成像芯片視場10.36°×6.9°，雙片成像芯片拼接后的視場20.5°×6.9°。

圖1. 拼接視場示意圖

1.4 光學(xué)組件結(jié)構(gòu)形式

光學(xué)組件由窗口玻璃、地物反射鏡、攝影物鏡、像方反射鏡、分光棱鏡、像面等組成。為減小相機(jī)外形尺寸，反射鏡采用折疊光路，最后一片透鏡用于內(nèi)調(diào)焦。采用雙高斯準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)形式校正軸外像差，如彗差、垂軸色差、畸變等，用厚透鏡校正像散、場曲。為了避免膠合鏡在膠合過程中對面型的影響，設(shè)計中將膠合鏡分離為單透鏡，這樣有利于成像質(zhì)量的提高，并且減少了膠合工序。單透鏡材料選用折射率較高、色散較小、工藝性較好的玻璃。在滿足系統(tǒng)校正軸外像差要求的同時，很好地校正了系統(tǒng)的帶球差、二級光譜、位置色差等，保證軸上點和軸外點沒有太大的差別，使整個視場內(nèi)成像質(zhì)量比較均勻，以利于提高整個系統(tǒng)的成像質(zhì)量。 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖 2所示。地面景物光線通過光學(xué)窗口、地物反射鏡進(jìn)入成像物鏡，再通過折疊光路的像方反射鏡及分光鏡分別成像在大面陣CCD1靶面和CCD2靶面上，通過光學(xué)拼接形成一幅拼接圖像，從而擴(kuò)大視場。通過光電轉(zhuǎn)換，實時獲取圖像信息。

圖2. 光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

圖3.自準(zhǔn)直自動對焦原理圖

結(jié)論

大視場航空相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，采用雙高斯準(zhǔn)對稱結(jié)構(gòu)形式，通過雙成像模塊光學(xué)拼接擴(kuò)大視場角，調(diào)整最后一片透鏡實現(xiàn)內(nèi)置自動調(diào)焦，控制地物反射鏡實現(xiàn)垂直照相、自動調(diào)焦及前向像移補(bǔ)償3種功能模式的轉(zhuǎn)換。該光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了全視場無漸暈， 在91 lp/mm處MTF接近衍射極限，物鏡在全視場范圍內(nèi)成像質(zhì)量一致。通過實驗室及室外航拍試驗驗證，該光學(xué)系統(tǒng)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

審核編輯：郭婷