用于航天立體攝影測量的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

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1、維普資訊http://www.cqvip.com第36卷第3期光子學(xué)報Vo1．36No．32007年3月ACTAPH0T()NICASINICAMarch2007用于航天立體攝影測量的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計*常凌穎，趙葆常，楊建峰，陳立武(1中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安710068)(2中國科學(xué)院研究生院，北京100039)摘要：介紹了一種用于航天立體攝影的大視場準(zhǔn)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，其光組結(jié)構(gòu)形式為復(fù)雜化的雙高斯型．主要光學(xué)參量為f一23．3mm；2w一37．8。；F／數(shù)一F／5；MTF均值達(dá)到0．8時，對應(yīng)的空間分辨率大于36lp／mm；光譜適應(yīng)范圍為0．5～O．75m．在實(shí)

2、驗(yàn)室進(jìn)行了模擬推掃，合成了三維立體圖像．模擬試驗(yàn)結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)滿足航天立體攝影的要求．關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計；立體成像；模擬試驗(yàn)中圖分類號：TH761．6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-4213(2007)03—0539—40引言面陣CCD只采用中心與兩端的三行CCD像元作為有效像元(如圖1)，此三行像元的作用相當(dāng)于普通航天立體攝影測量相機(jī)是裝載于衛(wèi)星上，直接三線陣CCD．即這三行像元實(shí)質(zhì)上為具有一定交會實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行要完成特定任務(wù)的光學(xué)儀器．它角的前視、正視和后視的三個線陣CCD．大面積的作用就是要直接實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星承擔(dān)的特定任務(wù)．衛(wèi)星CCD以線陣CCD自推掃模式成像．該方案

3、總體結(jié)的性質(zhì)、功能和用途主要是由有效載荷決定的．它是構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕．與三塊線陣CCD拼衛(wèi)星的核心部分，是決定衛(wèi)星性能水平的重要因素．接相比，單塊CCD器件不但簡化了焦平面機(jī)構(gòu)，而減小有效載荷質(zhì)量對于提高性能價格比是十分重要且容易配準(zhǔn)．工程實(shí)施性、結(jié)構(gòu)安裝可靠性以及對的，而且衛(wèi)星由于其設(shè)備在軌道上運(yùn)行中的不可維航天環(huán)境的適應(yīng)性都較好。]．修性，對高可靠性和長壽命也有較高的要求13．為此，本文充分考慮了空間環(huán)境適應(yīng)性以及衛(wèi)2光組結(jié)構(gòu)分析星對光學(xué)有效載荷的要求，在三線陣CCD航天攝影由以上的方案原理介紹可以看出，簡化了結(jié)構(gòu)及測量相機(jī)的原理基礎(chǔ)上_2]，采用一種新型的立

4、體成重量后，對光學(xué)系統(tǒng)的要求提高了．需要大視場角的像方案，達(dá)到傳統(tǒng)三線陣CCD測量系統(tǒng)的探測效果．光學(xué)系統(tǒng)才能滿足成一定交會角的前視、正視和后視1工作原理像的要求．根據(jù)總體系統(tǒng)參量的要求，可以確定相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的主要光學(xué)參量為．一23．3ram；2∞一采用一臺大面陣CCD器件加廣角攝影物鏡，達(dá)37．8。；F／數(shù)一F／5；光譜適應(yīng)范圍為0．5～O．75ptm[．到普通三線陣CCD相機(jī)的作用，其原理見圖1．對于這樣的光學(xué)系統(tǒng)來說，它是一個應(yīng)用在0．5～0．75m的光譜范圍的短焦距、中等相對孔徑、大視場的光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用折射式光學(xué)系統(tǒng)較為簡單合理_7j．除了要滿足光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)參

5、量外，在實(shí)際應(yīng)用中還有以下幾個約束條件需要在設(shè)計時考慮．一是由于是大視場系統(tǒng)，視場邊緣點(diǎn)的光照度E

6、n1與中心視場點(diǎn)光照度E是按COS∞的因子降低，即圖1CCD相機(jī)工作原理=E'Acos“∞Fig．1TheschematicdiagramoftheCCDcamera該系統(tǒng)實(shí)際上是一種改進(jìn)的三線陣CCD相機(jī)．式中∞為視場角．當(dāng)視場很大時，邊緣光照度降低相當(dāng)嚴(yán)重．對于本系統(tǒng)來說，當(dāng)∞：20。時，邊緣光國家自然科學(xué)基金資助照度只有中心視場光照度的0．77，所以光學(xué)系統(tǒng)最Tel：029—88887682Email：lychang@opt．a(chǎn)c．cn好能滿足像方遠(yuǎn)心或準(zhǔn)遠(yuǎn)心，不但可以

7、使像面照度收稿日期：2005—1】一l0均勻，而且可以提高立體測繪時的定位準(zhǔn)確度．二維普資訊http://www.cqvip.com540光子學(xué)報是后工作距要求，因?yàn)橄到y(tǒng)焦距比較短，而從結(jié)構(gòu)動設(shè)計，必要的時候進(jìn)行人工干預(yù)，分析像差的變設(shè)計出發(fā)，需為CCD芯片的安裝、加固、調(diào)整留有一化，設(shè)置合適的變量及優(yōu)化參量，以使設(shè)計結(jié)果向所定的空間尺寸，因此要求后工作距不小于10mm．希望的方向變化．第三個約束條件是采用CCD為接受器的光學(xué)系統(tǒng)，在本文的系統(tǒng)中后膠合組的正透鏡用兩個透鏡與CCD相機(jī)相對的一面，也就是CCD立體相機(jī)的代替原有結(jié)構(gòu)中的一個透鏡：由于初始結(jié)構(gòu)物鏡中最后一面的彎向

8、對最終像質(zhì)有較大影響．其原因是的高級像差，主要是由于后組膠合正透鏡產(chǎn)生的，產(chǎn)CCD敏感面有較強(qiáng)的反射率，所以最后一面的彎向生高級像差的原因是由于光線在該透鏡表面的入射不合適，會出現(xiàn)一個很明顯的暈斑，因此在設(shè)計中要過大造成的．為了減小光線在透鏡表面的入射角，求CCD立體相機(jī)最后一面的曲率半徑為負(fù)值，也就可以把原來的一個透鏡用兩個透鏡來替代，這樣在是說以凸面朝向CCD．并且對于航天攝影鏡頭，還總的光焦度不變的條件下，透鏡表面用兩個透鏡來應(yīng)該考慮空間環(huán)境的適應(yīng)性，光學(xué)系統(tǒng)材料的選擇代替，透鏡表面的半徑增大，就有可能減少它