基于天基平台的小凹成像系统的设计

　　0　引言

　　小凹成像概念是源于人眼视网膜上的可变空间分辨率而提出的.人眼在观察物体时,在感兴趣的区域内,仅仅在凝视的很小区域内分辨率比较高,而随着对观察物的偏离分辨率会逐渐降低.如果将感兴趣的区域移动到人眼的视场角内,通过人眼的调节机制,视场内任何区域均可以被高分辨地予以观察[1-2].近年来仿生传感器的发展促进了小凹成像的研究.Wick等[3-6]使用液晶空间调制器(LCSLM)设计了一个紧凑的大视场小凹成像系统.但是现在仍然无实用的高分辨率透视式液晶空间调制器,而且液晶的应用使小凹成像系统仅能对单色偏振光起作用.本课题组已在文献[7-9]中使用OKO公司的19通道压电可变型镜实现了小凹成像的光学系统设计.现在本文将小凹成像的概念应用于空间光学,使用离轴三反射式,在可见光波段实现了大F数(F/# =10)和宽视场(25°)的定焦(8.75 m)光学设计.利用OKO公司的19通道压电可变型镜(Deformable Mirrors,DMs)来补偿离轴像差,在可见光波段实现了全视场角度内接近衍射极限的结果.

　　1　初始光学设计及性能分析

　　1.1　初始光学设计

　　在空间光学中,为了实现对地面目标更好的观察,需要尽可能地提高相机的分辨率和地面覆盖范围.相机的地面分辨率与光学系统的角分辨率和卫星高度有关[10-11].由于相机必须适应卫星平台的特殊环境,因此相机的尺寸应该尽可能小,重量尽可能轻.三反系统在像质和视场方面具有诸多的优点[12-13],且反射式光学系统有两次折叠,使系统的体积大大缩小,有效地减轻系统重量,使得它成为对地观测的首选.另外,非共轴的三反射式系统能够解决中心遮栏问题,从而易于实现宽视场观测[11,13].因此本文在系统的光学设计中也采用了离轴的三反射式结构.

　　图1是本文设计的光阑离轴三反射式光学系统,该系统的第一和第三镜均为双曲面,第二镜为球面,光阑置于第一镜前,离轴1 458 mm,焦距f′=8 750 mm,相对孔径D/f′= 1/10,X方向视场角为25°,Y方向视场角为1°.轨道高度为500 km时,220 km范围内的地面物体可以得到清晰的图像.

　　1.2　光学系统的性能分析

　　图2给出了系统在Y方向为0°、3.5°、7°和12.5°的点列图.在图2中左侧所表示的角度中,上面左右分别为Y、X方向的相对角度,下面左右分别为Y、X方向的实际角度值.理想衍射点列图的大小由其艾里斑的直径D=2.44×λ×F/#决定.对于F/10系统来说,相应的艾里斑约为0.014 mm.系统在4°视场角时已接近衍射极限,而在12.5°视场角时,其像差是艾里斑大小的六倍.

　　(Modulation Transfer Function,MTF)曲线.相机位于轨道高度500 km,地面分辨为2 m.为了满足上述要求,系统的空间分辨率(Spatial Frequency,SF)必须超过17 lp/mm.由图3可以看出,各视场角基本满足普察的设计要求.