高集成度小型化共心多尺度光学系统设计

发布时间：2021-09-06 19:20

　　针对实时广域高分辨率成像需求同时保证系统结构的小型化与轻量化,设计了高集成度共心多尺度光学成像系统。该系统采用伽利略型共心多尺度成像结构将球透镜与次级相机阵列进行级联,以充分利用双层共心球透镜视场大且全视场成像效果一致性好的特点,并发挥伽利略型共心多尺度结构体积紧凑的优势。此外,通过设计相机阵列的排列方式进一步减少相机使用数量,实现轻量化。通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数曲线在特征频率270 lp/mm处可达0.3,全视场弥散斑均方根（RMS）半径均小于探测器像元尺寸1.85μm,成像效果优良,且公差分析结果表明系统易加工制造。该系统不仅能够有效实现大视场高分辨率成像,而且具有低的结构复杂度及更紧凑的结构,应用前景广阔。 

【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

系统成像评价图

高集成度小型化共心多尺度光学成像系统充分利用了球透镜视场大、光能收集能力强、轴外像差小等特点,将共心球透镜作为主物镜,并采用伽利略型多尺度成像结构,将球透镜与小相机阵列进行级联,以更紧凑的系统结构获取大视场高分辨率成像效果。此外,通过研究共心球透镜结构复杂度与其成像性能的关系,从而确定一个最优化的系统结构,可在提高成像性能的前提下进一步降低系统结构的复杂度。设计结果表明,该系统成像效果优良,并具有良好的成像稳定性。2 成像原理

共心球透镜作为系统的主要组成部分,在设计中需要在其结构复杂度与成像性能之间进行权衡,图3给出了不同复杂度下的共心球透镜结构及其调制传递函数MTF曲线。在共心结构特点下,球透镜在复杂化的过程中每增加一片透镜仅增加一个玻璃材料、一个曲率半径及一个玻璃厚度的设计变量,因此优化中便于控制变量以进行成像性能的比较,图中所示系列透镜均是最优化后F/2.5,70 mm的共心球透镜。分析图3中MTF曲线可以得出,随着表面数量的增加,MTF随之提高,但通过增加系统的复杂度来提高成像性能时存在一个效果递减定律,即结构复杂度由一个表面增加至两个表面时,MTF值在频率200 lp/mm处由0.02提升至0.4,提高了约20倍,而复杂度由2个表面增加至6个表面时,MTF仅提升至0.5,提高了0.25倍。而图3上方系列透镜的结构图则说明,随着复杂度的提高,球透镜的口径随之增加,此外,通过比较透镜(2)、(3)与透镜(4)、(6)可知,在透镜层数相同的情况下,具有完全对称结构的共心球透镜更易获得较小的口径尺寸。通过上述分析可找出一个最优化的设计,在该设计下系统不仅具有良好的成像性能,同时有较小的尺寸和低复杂度。3 共心多尺度光学系统设计

【参考文献】：
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本文编号：3388030