長焦距大口徑大f數(shù)望遠成像系統(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 遠成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于天文觀測的地基大型望遠鏡及用于對地觀測的空間相機等多采用長焦距、大 口徑作為遠距離實現(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。
[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，當系統(tǒng)焦距增加時，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)險的增加； 對于后者而言，F(xiàn)數(shù)的增加有兩種實現(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 的口徑實現(xiàn)較高的分辨率，在利于輕小型化的同時，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)外典型望遠成像系統(tǒng)的F數(shù)。可 以看到，按照國際上主流的λ F/p ~ 1的設(shè)計理念，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 種以實測MTF為基礎(chǔ)的通過補償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，因為用于復(fù)原濾波的卷積核通常是通過實測 獲得的。目前，國外許多空間分辨率Im以下的空間相機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國外典型望遠鏡成像系統(tǒng)的F數(shù)及像元大小指標
[0006]
【主權(quán)項】
1. 一種長焦距大口徑大F數(shù)望遠成像系統(tǒng)，其特征在于：所述長焦距大口徑大F數(shù)望 遠成像系統(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，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)望遠成像系統(tǒng)，其特征在于：所述長焦 距大口徑大F數(shù)望遠成像系統(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)望遠成像系統(tǒng)，長焦距大口徑大F數(shù)望遠成像系統(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)望遠鏡成像系統(tǒng)的設(shè)計當中，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)精密機械研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月24日