長焦距大口徑大f數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種成像系統(tǒng)，尤其涉及一種長焦距大口徑大F數(shù)望 遠(yuǎn)成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于天文觀測的地基大型望遠(yuǎn)鏡及用于對地觀測的空間相機(jī)等多采用長焦距、大 口徑作為遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的基本要求，而空間分辨率的提升則是研宄人員不懈追 求的目標(biāo)。
[0003] 為了提升系統(tǒng)的空間分辨率，有兩種方式可供選擇：其一是在增加系統(tǒng)焦距的同 時(shí)保持相對孔徑不變，其二是增加系統(tǒng)的F數(shù)。對于前者而言，當(dāng)系統(tǒng)焦距增加時(shí)，保持相 對孔徑不變必然引起口徑的增加，這將直接導(dǎo)致研制難度和成本的提升以及風(fēng)險(xiǎn)的增加； 對于后者而言，F(xiàn)數(shù)的增加有兩種實(shí)現(xiàn)途徑：其一是單純增大焦距而保持口徑不變，其二是 同時(shí)增大焦距（增大得多）和口徑（增加的少）。無論是哪種途徑，F(xiàn)數(shù)的增加允許以適中 的口徑實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，在利于輕小型化的同時(shí)，也能夠在一定程度上緩解欠采樣所帶 來的頻譜混疊，所以受到了廣泛的關(guān)注。表1給出了國內(nèi)外典型望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的F數(shù)?？?以看到，按照國際上主流的λ F/p ~ 1的設(shè)計(jì)理念，在系統(tǒng)中心波長587. 5nm以及主流探測 器像元大小8um~13um的條件下，F(xiàn)數(shù)大于13. 61的系統(tǒng)通常符合大F數(shù)系統(tǒng)的定義。
[0004] 然而，F(xiàn)數(shù)的增加會帶來一個(gè)難以回避的問題，即系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù) MTF(Modulation Transfer Function)中低頻處幅值的顯著降低，而MTF幅值的降低則會 引起圖像對比度的下降，從而劣化圖像品質(zhì)，不利于目標(biāo)識別和判讀。針對大F數(shù)系統(tǒng)MTF 幅值降低引起圖像品質(zhì)退化的問題，國外提出了 MTFC(MTF Compensation)技術(shù)。MTFC是一 種以實(shí)測MTF為基礎(chǔ)的通過補(bǔ)償MTF的降低以提升圖像品質(zhì)的技術(shù)，本質(zhì)上屬于圖像復(fù)原 領(lǐng)域，而且具體來說，應(yīng)該屬于非盲卷積復(fù)原，因?yàn)橛糜趶?fù)原濾波的卷積核通常是通過實(shí)測 獲得的。目前，國外許多空間分辨率Im以下的空間相機(jī)都對回傳圖像使用了 MTFC技術(shù)，如 IK0N0S-3, 0rbitView-3, Geoeye-I以及Pleiades等。這就為大F數(shù)系統(tǒng)圖像品質(zhì)提升提 供了手段。
[0005] 表1國外典型望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)的F數(shù)及像元大小指標(biāo)
[0006]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述長焦距大口徑大F數(shù)望 遠(yuǎn)成像系統(tǒng)包括主反射鏡、次反射鏡、用于編碼的相位掩膜板、校正透鏡組A、校正透鏡組 B、面陣CMOS圖像傳感器以及解碼處理單元；所述次反射鏡設(shè)置在經(jīng)主反射鏡反射后所形 成的反射光所在光路上；所述次反射鏡、相位掩膜板、校正透鏡組A、校正透鏡組B以及面 陣CMOS圖像傳感器依次設(shè)置在同一光路上；所述解碼處理單元與面陣CMOS圖像傳感器相 連； 所述相位掩膜板的2D相位掩膜函數(shù)形式為：
其中： α和β用于表征相位掩膜函數(shù)的相位調(diào)制強(qiáng)度，α約等于0.0012mm，β約等于 0. 00024mm ； X和y分別代表歸一化的孔徑坐標(biāo)，取值范圍均為[-43. 9706,43. 9706]mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述長焦 距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)的焦距是12m，通光孔徑是700mm，F(xiàn)數(shù)是17. 1，遮攔比約為 4. 8,工作波段是450nm~950nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述主反 射鏡的表面為二次曲面，曲率半徑為-2400mm，二次曲面系數(shù)為-1. 1097 ;所述主反射鏡表 面的X方向有效半孔徑以及Y方向有效半孔徑均為404. 5_ ;所述主反射鏡與次反射鏡之 間的間隔為-946. 98mm; 所述次反射鏡的表面為二次曲面，曲率半徑為-618mm，二次曲面系數(shù)為-3. 0968 ;所述 次反射鏡表面的X方向有效半孔徑以及Y方向有效半孔徑均為84. 1723mm ;所述次反射鏡 與相位掩膜板的前表面之間的間隔為567. 4062mm ; 所述相位掩膜板前表面的X方向通光孔徑以及Y方向通光孔徑均為43. 9706mm ;所述 相位掩膜板后表面的X方向通光半孔徑及Y方向通光半孔徑均為43. 4890mm ;所述相位掩 膜板前表面與后表面之間的距離為16mm ; 所述校正透鏡組A包括一塊平板玻璃Al和一塊透鏡A2 ;所述相位掩膜板、平板玻璃 Al以及透鏡A2依次設(shè)置在同一光路上；所述平板玻璃Al前表面的X方向通光半孔徑以及 Y方向通光半孔徑均為29. 9922mm ;所述平板玻璃Al后表面的X方向通光半孔徑以及Y方 向通光半孔徑均為29. 5908mm ;所述相位掩膜板后表面與平板玻璃Al前表面之間的間隔 為369. 5738mm ;所述平板玻璃Al前表面與后表面之間的距離為16mm ;所述透鏡A2的前表 面的曲率半徑為593_，所述透鏡A2前表面X方向通光半孔徑以及Y方向通光半孔徑均為 29. 3415mm ;所述透鏡A2后表面的曲率半徑為1270. 6mm，所述透鏡A2后表面X方向通光半 孔徑以及Y方向通光半孔徑均為28. 8116mm ;所述平板玻璃Al后表面與透鏡A2前表面之 間的距離間隔為6. Imm ;所述透鏡A2前表面與后表面之間的距離為13mm ; 所述校正透鏡組B包括透鏡BI以及透鏡B2;所述校正透鏡組A、透鏡BI以及透鏡 B2依次設(shè)置在同一光路上；所述透鏡Bl的前表面曲率半徑為-70mm，所述透鏡Bl的前表 面X方向通光半孔徑以及Y方向通光半孔徑均為21. 6892mm ;所述透鏡Bl的后表面曲率 半徑為-402. 8mm，所述透鏡Bl的后表面X方向通光半孔徑以及Y方向通光半孔徑均為 23. 3585mm ;所述校正透鏡組A中的透鏡A2的后表面與透鏡Bl的前表面之間的距離間隔 為130mm ;所述透鏡Bl的前表面與后表面之間的間隔為13. 08mm ;所述透鏡B2的前表面曲 率半徑為-131. 34_，所述透鏡B2的前表面X方向通光半孔徑以及Y方向通光半孔徑均為 23. 9515mm ;所述透鏡B2的后表面曲率半徑為-72. 62mm，所述透鏡B2的后表面X方向通光 半孔徑以及Y方向通光半孔徑均為26. 0688mm ;所述透鏡Bl的后表面與透鏡B2的前表面 之間的距離間隔為5. 74mm ;所述透鏡B2的前表面與后表面之間的距離間隔為15. 9mm ; 所述透鏡B2的后表面與CMOS圖像傳感器之間的距離間隔為523. 3208mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，其特征在于：所述面陣 CMOS圖像傳感器的像元大小是8um〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)包括主反射鏡、次反射鏡、用于編碼的相位掩膜板、校正透鏡組A、校正透鏡組B、面陣CMOS圖像傳感器以及解碼處理單元；次反射鏡設(shè)置在經(jīng)主反射鏡反射后所形成的反射光所在光路上；次反射鏡、相位掩膜板、校正透鏡組A、校正透鏡組B以及面陣CMOS圖像傳感器依次設(shè)置在同一光路上；解碼處理單元與面陣CMOS圖像傳感器相連；本發(fā)明提供了一種長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)，將波前編碼技術(shù)引入到長焦距大口徑大F數(shù)望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用編碼技術(shù)人為地產(chǎn)生可控的MTF的降低，從而使后續(xù)MTFC技術(shù)的效果更加穩(wěn)定可靠。
【IPC分類】G02B17-08
【公開號】CN104834079
【申請?zhí)枴緾N201510202148
【發(fā)明人】趙惠, 鄒剛毅, 龐志海, 解曉蓬, 樊學(xué)武
【申請人】中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月24日