用于航天立体摄影测量的光学系统设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第36卷第3期光子学报Vo1．36No．32007年3月ACTAPH0T()NICASINICAMarch2007用于航天立体摄影测量的光学系统设计*常凌颖，赵葆常，杨建峰，陈立武(1中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710068)(2中国科学院研究生院，北京100039)摘要：介绍了一种用于航天立体摄影的大视场准远心光学系统，其光组结构形式为复杂化的双高斯型．主要光学参量为f一23．3mm；2w一37．8。；F／数一F／5；MTF均值达到0．8时，对应的空间分辨率大于36lp／mm；光谱适应范围为0．5～O．75m．在实

2、验室进行了模拟推扫，合成了三维立体图像．模拟试验结果表明该光学系统满足航天立体摄影的要求．关键词：光学设计；立体成像；模拟试验中图分类号：TH761．6文献标识码：A文章编号：1004-4213(2007)03—0539—40引言面阵CCD只采用中心与两端的三行CCD像元作为有效像元(如图1)，此三行像元的作用相当于普通航天立体摄影测量相机是装载于卫星上，直接三线阵CCD．即这三行像元实质上为具有一定交会实现卫星在轨运行要完成特定任务的光学仪器．它角的前视、正视和后视的三个线阵CCD．大面积的作用就是要直接实现卫星承担的特定任务．卫星CCD以线阵CCD自推扫模式成像．该方案

3、总体结的性质、功能和用途主要是由有效载荷决定的．它是构简单紧凑、体积小、重量轻．与三块线阵CCD拼卫星的核心部分，是决定卫星性能水平的重要因素．接相比，单块CCD器件不但简化了焦平面机构，而减小有效载荷质量对于提高性能价格比是十分重要且容易配准．工程实施性、结构安装可靠性以及对的，而且卫星由于其设备在轨道上运行中的不可维航天环境的适应性都较好。]．修性，对高可靠性和长寿命也有较高的要求13．为此，本文充分考虑了空间环境适应性以及卫2光组结构分析星对光学有效载荷的要求，在三线阵CCD航天摄影由以上的方案原理介绍可以看出，简化了结构及测量相机的原理基础上_2]，采用一种新型的立

4、体成重量后，对光学系统的要求提高了．需要大视场角的像方案，达到传统三线阵CCD测量系统的探测效果．光学系统才能满足成一定交会角的前视、正视和后视1工作原理像的要求．根据总体系统参量的要求，可以确定相机光学系统的主要光学参量为．一23．3ram；2∞一采用一台大面阵CCD器件加广角摄影物镜，达37．8。；F／数一F／5；光谱适应范围为0．5～O．75ptm[．到普通三线阵CCD相机的作用，其原理见图1．对于这样的光学系统来说，它是一个应用在0．5～0．75m的光谱范围的短焦距、中等相对孔径、大视场的光学系统，应用折射式光学系统较为简单合理_7j．除了要满足光学系统的主要技术参

5、量外，在实际应用中还有以下几个约束条件需要在设计时考虑．一是由于是大视场系统，视场边缘点的光照度E

6、n1与中心视场点光照度E是按COS∞的因子降低，即图1CCD相机工作原理=E'Acos“∞Fig．1TheschematicdiagramoftheCCDcamera该系统实际上是一种改进的三线阵CCD相机．式中∞为视场角．当视场很大时，边缘光照度降低相当严重．对于本系统来说，当∞：20。时，边缘光国家自然科学基金资助照度只有中心视场光照度的0．77，所以光学系统最Tel：029—88887682Email：lychang@opt．ac．cn好能满足像方远心或准远心，不但可以

7、使像面照度收稿日期：2005—1】一l0均匀，而且可以提高立体测绘时的定位准确度．二维普资讯http://www.cqvip.com540光子学报是后工作距要求，因为系统焦距比较短，而从结构动设计，必要的时候进行人工干预，分析像差的变设计出发，需为CCD芯片的安装、加固、调整留有一化，设置合适的变量及优化参量，以使设计结果向所定的空间尺寸，因此要求后工作距不小于10mm．希望的方向变化．第三个约束条件是采用CCD为接受器的光学系统，在本文的系统中后胶合组的正透镜用两个透镜与CCD相机相对的一面，也就是CCD立体相机的代替原有结构中的一个透镜：由于初始结构物镜中最后一面的弯向

8、对最终像质有较大影响．其原因是的高级像差，主要是由于后组胶合正透镜产生的，产CCD敏感面有较强的反射率，所以最后一面的弯向生高级像差的原因是由于光线在该透镜表面的入射不合适，会出现一个很明显的晕斑，因此在设计中要过大造成的．为了减小光线在透镜表面的入射角，求CCD立体相机最后一面的曲率半径为负值，也就可以把原来的一个透镜用两个透镜来替代，这样在是说以凸面朝向CCD．并且对于航天摄影镜头，还总的光焦度不变的条件下，透镜表面用两个透镜来应该考虑空间环境的适应性，光学系统材料的选择代替，透镜表面的半径增大，就有可能减少它