針對(duì)實(shí)時(shí)廣域高分辨率成像需求同時(shí)保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的小型化與輕量化,設(shè)計(jì)了高集成度共心多尺度光學(xué)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伽利略型共心多尺度成像結(jié)構(gòu)將球透鏡與次級(jí)相機(jī)陣列進(jìn)行級(jí)聯(lián),以充分利用雙層共心球透鏡視場(chǎng)大且全視場(chǎng)成像效果一致性好的特點(diǎn),并發(fā)揮伽利略型共心多尺度結(jié)構(gòu)體積緊湊的優(yōu)勢(shì)。此外,通過設(shè)計(jì)相機(jī)陣列的排列方式進(jìn)一步減少相機(jī)使用數(shù)量,實(shí)現(xiàn)輕量化。通過全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化,系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線在特征頻率270 lp/mm處可達(dá)0.3,全視場(chǎng)彌散斑均方根（RMS）半徑均小于探測(cè)器像元尺寸1.85μm,成像效果優(yōu)良,且公差分析結(jié)果表明系統(tǒng)易加工制造。該系統(tǒng)不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)高分辨率成像,而且具有低的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及更緊湊的結(jié)構(gòu),應(yīng)用前景廣闊。 

【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(06)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

系統(tǒng)成像評(píng)價(jià)圖

高集成度小型化共心多尺度光學(xué)成像系統(tǒng)充分利用了球透鏡視場(chǎng)大、光能收集能力強(qiáng)、軸外像差小等特點(diǎn),將共心球透鏡作為主物鏡,并采用伽利略型多尺度成像結(jié)構(gòu),將球透鏡與小相機(jī)陣列進(jìn)行級(jí)聯(lián),以更緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲取大視場(chǎng)高分辨率成像效果。此外,通過研究共心球透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與其成像性能的關(guān)系,從而確定一個(gè)最優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可在提高成像性能的前提下進(jìn)一步降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,該系統(tǒng)成像效果優(yōu)良,并具有良好的成像穩(wěn)定性。2 成像原理

共心球透鏡作為系統(tǒng)的主要組成部分,在設(shè)計(jì)中需要在其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與成像性能之間進(jìn)行權(quán)衡,圖3給出了不同復(fù)雜度下的共心球透鏡結(jié)構(gòu)及其調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線。在共心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下,球透鏡在復(fù)雜化的過程中每增加一片透鏡僅增加一個(gè)玻璃材料、一個(gè)曲率半徑及一個(gè)玻璃厚度的設(shè)計(jì)變量,因此優(yōu)化中便于控制變量以進(jìn)行成像性能的比較,圖中所示系列透鏡均是最優(yōu)化后F/2.5,70 mm的共心球透鏡。分析圖3中MTF曲線可以得出,隨著表面數(shù)量的增加,MTF隨之提高,但通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜度來提高成像性能時(shí)存在一個(gè)效果遞減定律,即結(jié)構(gòu)復(fù)雜度由一個(gè)表面增加至兩個(gè)表面時(shí),MTF值在頻率200 lp/mm處由0.02提升至0.4,提高了約20倍,而復(fù)雜度由2個(gè)表面增加至6個(gè)表面時(shí),MTF僅提升至0.5,提高了0.25倍。而圖3上方系列透鏡的結(jié)構(gòu)圖則說明,隨著復(fù)雜度的提高,球透鏡的口徑隨之增加,此外,通過比較透鏡(2)、(3)與透鏡(4)、(6)可知,在透鏡層數(shù)相同的情況下,具有完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共心球透鏡更易獲得較小的口徑尺寸。通過上述分析可找出一個(gè)最優(yōu)化的設(shè)計(jì),在該設(shè)計(jì)下系統(tǒng)不僅具有良好的成像性能,同時(shí)有較小的尺寸和低復(fù)雜度。3 共心多尺度光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【參考文獻(xiàn)】：
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