專利名稱：多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)及其設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，以及基于此方法 設計成型的系統(tǒng)。
背景技術：
根據(jù)物理光學理論，在系統(tǒng)工作波長一定的情況下，要提高光學系統(tǒng)的空間分辨 率，必須增大系統(tǒng)的通光口徑。在實際應用中，大型或超大型的光學系統(tǒng)口徑的增大受到材 料、工藝水平、裝配、有效載荷艙體積和成本等諸多因素的限制，在現(xiàn)有技術條件下是很難 實現(xiàn)甚至不可能實現(xiàn)。并且對于空間光學系統(tǒng)，口徑的增大勢必帶來發(fā)射的困難，復雜的空 間環(huán)境也可能導致大口徑光學鏡面的變形而不能達到正常的工作性能，最終導致系統(tǒng)可能 無法達到正常的工作性能。為了突破系統(tǒng)口徑的限制，獲得更高的空間分辨率，并且降低系 統(tǒng)的重量，光學合成孔徑成像理論得以提出。為了解決傳統(tǒng)單個大口徑光學系統(tǒng)所帶來的種種技術難題，歐美科學家較早的提 出了光學合成孔徑成像技術。光學合成孔徑成像系統(tǒng)是以組合孔徑法為基本原理的成像 系統(tǒng)。它是把多個小口徑的光學元件或光學系統(tǒng)按照一定的方式在空間上進行排列，通過 各子孔徑的光束經(jīng)過位相補償和調(diào)整后相干疊加到共同的焦平面上，使系統(tǒng)的空間分辨率 和成像質(zhì)量等效為一個更大口徑的光學成像系統(tǒng)。各子孔徑所產(chǎn)生的像場必需是同位相疊 加，這樣它們之間才能在艾里斑的中心相互增強并使艾里斑變窄，從而達到提高分辨率的 作用。小孔徑系統(tǒng)的使用，降低了系統(tǒng)加工和制造難度，整個系統(tǒng)的體積和重量也大大降 低。多個結構相同的小孔徑系統(tǒng)還可實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)和檢測，大幅降低研制成本。光學合成孔徑成像系統(tǒng)有共用次鏡型和多望遠鏡型兩種理論結構型式。共用次 鏡結構，又名拼接主鏡技術，是將單大口徑系統(tǒng)的主鏡分為多個小塊，每個小塊的面型與主 鏡相同，是主鏡的一部分，將各部件按其在大口徑系統(tǒng)中的位置進行排布，次鏡將來自各小 塊的光線匯聚至像面成像。共用次鏡結構可以認為是多個帶有不同離軸量的光學系統(tǒng)的組 合，現(xiàn)在單大口徑系統(tǒng)的設計主要采用的就是這種結構。共用次鏡結構的設計可以在傳統(tǒng)單口徑系統(tǒng)的主鏡上加入不同的孔徑光闌實現(xiàn)， 其設計方法與傳統(tǒng)單孔徑系統(tǒng)的設計方法相同。多望遠鏡結構主要考慮由多個結構相同的無焦系統(tǒng)、光束合成鏡和光學延遲線三 部分組合實現(xiàn)的，多個無焦子望遠鏡收集來自物面的入射光束，光束合成鏡作為第二級光 學系統(tǒng)收集來自各無焦子望遠鏡的光束，并將其成像于像面上，光學延遲線則作為無焦子 望遠鏡和光束合成鏡的連接部，將無焦子望遠鏡的出射光束送入光束合成鏡進行光束合 成。該結構中無焦子望遠鏡可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，以降低成本；光束合成鏡口徑較小，在設 計和加工等方面難度不大；無焦子望遠鏡和光束合成鏡間的光學延遲線可用于調(diào)整各子鏡 間的相位差，給裝調(diào)帶來方便。多望遠鏡型光學合成孔徑成像技術與傳統(tǒng)單孔徑光學成像技術的差異導致其在 設計方法上和性能評價上的差異。
在性能評價方面，調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和斯特列爾值(Strehl Ratio, SR)是評價 合成孔徑成像系統(tǒng)成像性能和設計優(yōu)劣的重要指標。根據(jù)瑞利判據(jù)，良好的設計結果其MTF 應接近衍射極限，SR高于0.8。目前，還沒有出現(xiàn)規(guī)范的設計方法作為標準化操作流程，以建立滿足系統(tǒng)指標的 合成孔徑成像系統(tǒng)。某些簡單的合成孔徑成像系統(tǒng)的實踐，仍然難以達到期望的系統(tǒng)指標。合成孔徑成像系統(tǒng)的設計是合成孔徑成像技術工程化應用的先決條件，是合成孔 徑成像技術研究的關鍵技術之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，以解決傳統(tǒng) 單個大口徑光學系統(tǒng)加工和制造難度大以及某些簡單的合成孔徑成像系統(tǒng)實踐難以達到 期望的系統(tǒng)指標的問題。該多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法設要求的系統(tǒng)指標為工作波段 入1 λ 2，系統(tǒng)口徑D，系統(tǒng)焦距f，系統(tǒng)全視場角2ω ；該光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方 法包括以下步驟(1)根據(jù)要求的系統(tǒng)指標確定無焦子望遠鏡和光束合成鏡各自的性能指標，其中， 無焦子望遠鏡全視場角即系統(tǒng)全視場角2ω ；(1. 1)根據(jù)系統(tǒng)指標選擇合適的孔徑排布、填充因子F和無焦子望遠鏡數(shù)N ；(1. 根據(jù)填充因子F和無焦子望遠鏡數(shù)N確定無焦子望遠鏡口徑d，d = J5·/);
權利要求
1.一種多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，設要求的系統(tǒng)指標為工作波段 入1 λ 2，系統(tǒng)口徑D，系統(tǒng)焦距f，系統(tǒng)全視場角2ω ；該光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方 法包括以下步驟(1)根據(jù)要求的系統(tǒng)指標確定無焦子望遠鏡和光束合成鏡各自的性能指標，其中，無焦 子望遠鏡全視場角即系統(tǒng)全視場角2ω ；(1. 1)根據(jù)系統(tǒng)指標選擇合適的孔徑排布、填充因子F和無焦子望遠鏡數(shù)N ；(1.2)根據(jù)填充因子F和無焦子望遠鏡數(shù)N確定無焦子望遠鏡口徑d，d = J5·/);、N(1. 3)根據(jù)系統(tǒng)口徑D和系統(tǒng)焦距f選擇無焦子望遠鏡放大率m ；(1.4)根據(jù)系統(tǒng)口徑D和無焦子望遠鏡放大率m確定光束合成鏡的入瞳直徑D。，Dc =D/m；根據(jù)系統(tǒng)焦距f和無焦子望遠鏡放大率m確定光束合成鏡焦距f。，fc = f/m ；(1. 5)根據(jù)無焦子望遠鏡全視場角2 ω和無焦子望遠鏡放大率m確定光束合成鏡全視 場角 ωc，ω。= 2mω ；(2)根據(jù)以上技術指標分別對無焦子望遠鏡和光束合成鏡單獨進行設計，無焦子望遠 鏡的設計達到衍射極限，光束合成鏡保留部分像差以抵消無焦系統(tǒng)的殘余像差；(3)將無焦子望遠鏡、光束合成鏡和光學延遲線按照步驟(1.1)設定的孔徑排布進行 排布，使無焦子望遠鏡的出瞳與光束合成鏡的入瞳重合；(4)對系統(tǒng)整體進行整體優(yōu)化，使之達到要求的系統(tǒng)指標；若多次優(yōu)化后，系統(tǒng)仍不能 達到要求的系統(tǒng)指標，則返回步驟(1)，修改無焦子望遠鏡和光束合成鏡技術指標，其中，無 焦子望遠鏡放大率m作為此時的主要修改參數(shù)，然后繼續(xù)之后步驟直至達到要求的系統(tǒng)指 標。
2.根據(jù)權利要求1所述的多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，其特征在 于所述無焦子望遠鏡放大率m的取值范圍為5 20。
3.根據(jù)權利要求2所述的多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，其特征在 于所述光束合成鏡是通過保留一部分場曲和畸變，以抵消無焦系統(tǒng)的殘余像差。
4.根據(jù)權利要求3所述的多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)的設計方法，其特征在 于所述光學延遲線采用多個平面反射鏡或棱鏡。
5.按照權利要求1所述設計方法建立的三子鏡折反式光學合成孔徑成像系統(tǒng)，其特征 在于該光學合成孔徑成像系統(tǒng)由光束合成鏡和在系統(tǒng)入瞳面上以中心對稱型式排布的結 構相同的三個無焦子望遠鏡以及分別對應于各無焦子望遠鏡的光學延遲線組成，三個無焦 子望遠鏡出瞳的共同的外切圓在光束合成鏡入瞳上的孔徑均滿足無焦子望遠鏡放大率；其 中，每一個無焦子望遠鏡均包括沿光入射方向依次設置的RC系統(tǒng)和用以形成平行出射光 的折射系統(tǒng)，所述RC系統(tǒng)的像面位于RC系統(tǒng)的主鏡之后，所述RC系統(tǒng)與所述折射系統(tǒng)共 焦；光學延遲線設置于相應的折射系統(tǒng)平行出射光光路上，由兩個平面反射鏡組成；所述 光束合成鏡也為旋轉對稱系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求5所述的三子鏡折反式光學合成孔徑成像系統(tǒng)，其特征在于所述RC 系統(tǒng)與折射系統(tǒng)之間還設置有一個用于匹配校正RC系統(tǒng)與折射系統(tǒng)的調(diào)試透鏡。
7.根據(jù)權利要求6所述的三子鏡折反式光學合成孔徑成像系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)試透鏡為近似于平板透鏡的負透鏡。
8.根據(jù)權利要求7所述的三子鏡折反式光學合成孔徑成像系統(tǒng)，其特征在于所述光 束合成鏡的最后一個透鏡為雙膠合結構。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供一種多望遠鏡型光學合成孔徑成像系統(tǒng)及其設計方法，以解決傳統(tǒng)單個大口徑光學系統(tǒng)加工和制造難度大以及某些簡單的合成孔徑成像系統(tǒng)實踐難以達到期望的系統(tǒng)指標的問題。設計得到的三子鏡折反式光學合成孔徑成像系統(tǒng)由光束合成鏡和在系統(tǒng)入瞳面上以中心對稱型式排布的結構相同的三個無焦子望遠鏡以及分別對應于各無焦子望遠鏡的光學延遲線組成，三個無焦子望遠鏡出瞳的共同的外切圓在光束合成鏡入瞳上的孔徑均滿足無焦子望遠鏡放大率；光學延遲線設置于相應的折射系統(tǒng)平行出射光光路上，由兩個平面反射鏡組成；所述光束合成鏡也為旋轉對稱系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)結構緊湊，布局合理，為實現(xiàn)合成孔徑成像技術工程化應用奠定了基礎。
文檔編號G02B27/58GK102073147SQ20101060466
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者楊建峰, 梁士通, 薛彬, 阮萍 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所