采用双高斯准对称结构形式实现大视场航空相机光学系统的设计

引言

航空侦察作为一种侦察手段，自产生以来一直是军事侦察领域的重要组成部分，设计高分辨率、大视场侦察相机已经成为航空侦察相机技术发展的必然趋势。然而图像传感器的尺寸却受到工艺的限制不可能做得很大，所以图像传感器的尺寸已成为限制相机视场的主要因素。视场拼接技术是解决大视场问题的关键。目前视场拼接主要有成像器件机械拼接、多镜头多面阵拼接和单镜头多面阵拼接。成像器件机械拼接就是在像面上将多片图像传感器紧密的排列起来，机械拼接的优点在于采用机械拼接的相机光学系统相对比较简单，缺点是成像元器件成品都有封装结构，具有一定的几何尺寸，实际像元大于有效像元，因此直接将2个成像芯片拼在一起中间会产生缝隙，在成像时产生拍摄盲区，丢失图像信息。

为了实现无缝拼接，传统方法是拆除单个成像芯片封装，将有效像元顺次拼接，但这种方法工艺复杂，成本高，很少被采用。多镜头多面阵成像器件拼接是每片成像芯片，使用一套独立的光学系统，通过物理“捆绑”构成具有较大成像面积的等效相机系统，其优点是实现简单，缺点是结构庞大。单镜头多面阵成像器件拼接是多片成像器件使用同一套镜头，由多面阵成像芯片共同构成焦平面，因此光学系统较为复杂，对各面阵成像芯片的安装精度要求非常高，成像器件片数越多，装调困难较大，光学系统像质还要受多种因素的影响而降低。因此在设计时，要求光学系统的像质尽可能达到或接近衍射极限，还要考虑环境温度、气压、高度等因素的变化对光学系统的影响，在设计时应采取相应的措施消除或减弱对像质的影响。

1. 光学系统设计

1.1 光学系统设计指标光学系统设计指标如下： 照度范围： 4 000 lx ~ 100 000 lx； 光谱范围： 0.48 μm~0.75 μm； 探测器靶面尺寸：36.168 mm×24.112 mm； 像元尺寸：5.5 μm； 组合视场：20.5°×6.9°； 相对孔径：1:4； 全视场最大畸变：＜0.5‰； 光学系统传递函数：MTF≥0.5（全视场）。

1.2 焦距的确定

光学系统焦距长短要根据地面分辨率指标要求确定。垂直型航空相机地面分辨率指标RG、航拍高度H、选用的CCD芯片像元尺寸d及焦距之间的关系可根据下式确定： RG/H=n×d/f′ （1） 式中：f′为相机焦距；RG为地面分辨率；n为像元数；H为飞行高度；d为像元尺寸。 依据产品装调水平、系统使用环境及设计经验，一般n在1.5~3之间选择。 从公式（1）可以看出，相机地面分辨率与镜头焦距、像元尺寸、像元数有关。增大镜头焦距，相机重量随之增加；而减小像元尺寸会导致成像灵敏度降低，因此确定系统焦距时，应根据系统技术指标及使用条件综合考虑。

1.3 视场角的确定

光学系统视场角的大小由物镜焦距和接收器件的尺寸决定。单片成像芯片成像不满足视场角要求，为了扩大视场，采用双片成像器件进行拼接。

视场角计算公式为 2ω=2arctany‘/f’ （2）

式中：ω为半视场角；y′为CCD器件1/2尺寸；f′为镜头焦距。

光学系统成像组件拼接视场示意图如图 1所示，拼接后的视场角可以增加近1倍。单片成像芯片视场10.36°×6.9°，双片成像芯片拼接后的视场20.5°×6.9°。

图1. 拼接视场示意图

1.4 光学组件结构形式

光学组件由窗口玻璃、地物反射镜、摄影物镜、像方反射镜、分光棱镜、像面等组成。为减小相机外形尺寸，反射镜采用折叠光路，最后一片透镜用于内调焦。采用双高斯准对称结构形式校正轴外像差，如彗差、垂轴色差、畸变等，用厚透镜校正像散、场曲。为了避免胶合镜在胶合过程中对面型的影响，设计中将胶合镜分离为单透镜，这样有利于成像质量的提高，并且减少了胶合工序。单透镜材料选用折射率较高、色散较小、工艺性较好的玻璃。在满足系统校正轴外像差要求的同时，很好地校正了系统的带球差、二级光谱、位置色差等，保证轴上点和轴外点没有太大的差别，使整个视场内成像质量比较均匀，以利于提高整个系统的成像质量。 光学系统结构形式如图 2所示。地面景物光线通过光学窗口、地物反射镜进入成像物镜，再通过折叠光路的像方反射镜及分光镜分别成像在大面阵CCD1靶面和CCD2靶面上，通过光学拼接形成一幅拼接图像，从而扩大视场。通过光电转换，实时获取图像信息。

图2. 光学结构图

图3.自准直自动对焦原理图

结论

大视场航空相机光学系统，采用双高斯准对称结构形式，通过双成像模块光学拼接扩大视场角，调整最后一片透镜实现内置自动调焦，控制地物反射镜实现垂直照相、自动调焦及前向像移补偿3种功能模式的转换。该光学系统实现了全视场无渐晕， 在91 lp/mm处MTF接近衍射极限，物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及室外航拍试验验证，该光学系统满足设计指标要求。

审核编辑：郭婷