空间大口径环扇形光瞳成像系统研究
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摘要
为提高空间光学遥感技术的能力,要求光学系统具有更高的分辨率。增大光学系统口径是提高空间分辨率的有效途径,然而大口径元件的运用受到光学材料、重量、加工、制造成本和运载能力等因素的制约。因此,探索新理论、新方法和新技术,突破空间光学系统口径增大的限制迫在眉睫。本文研究的环扇形主镜光瞳编码结构,为大口径空间光学系统开辟新的技术途径,有利于促进空间光学遥感器的发展。
环扇形光瞳编码技术旨在对大口径光学系统主镜光瞳进行稀疏编码,在探测器上形成模糊的中间像,通过数字图像解码手段恢复成清晰的最终像。该技术将光学设计和数字图像处理相结合,不仅可以大幅度减轻大口径主镜的重量,获得与全口径光学系统相当的成像性能,而且能在大的离焦范围内,其光学传递函数对离焦低敏感,具有非常实际的应用前景。
首先详细阐述国内外大口径高分辨率光学遥感系统的研究现状,指出我国大力发展高分辨率遥感卫星及探索新理论新技术的迫切需求。从夫琅和费衍射理论出发,分析光瞳编码光学系统的成像过程及点扩散函数(PSF)和调制传递函数(MTF)的计算公式。通过分析孔径编码结构类型及MTF分布规律,提出大口径环扇形光瞳结构的设计思想。
其次,分析了环扇形光瞳的结构与相应的光瞳函数表达式,分析其点扩散函数及调制传递函数,指出环扇形孔径具有全孔径分辨能力的原因。研究主要结构参数宽径比和子孔径角度对MTF的影响规律。指出和分析环扇形光瞳结构对离焦像差的低敏感性。从实际应用角度分析其可加工性,通过有限元分析方法验证环扇形光瞳编码结构具有明显的轻量化效果。
根据文章大口径高分辨率光学系统应用特点,完成同轴偏视场三反射光学系统及折反射球面光学系统的优化设计,并实现环扇形光瞳编码结构的应用,分别进行轴上点及不同离焦量模拟成像和图像复原,复原效果良好,表明环扇形编码结构的应用使得大口径光学系统对离焦低敏感,且在一定程度上能扩大光学系统的视场角。
最后,搭建了环扇形光瞳编码系统实验验证装置,不同填充因子的环扇形光瞳结构对星点和分辨率板的成像结果表明：环扇形孔径光学系统的分辨率图像经过数字图像复原后,可达到与全孔径系统的分辨率相当水平,有明显的潜在应用优势。
To improve the capability of space optical remote sensing systems, an optical imaging system with higher resolution is required. One method is to enlarge the aperture of optical system, which is limited by optical glass material available, weight, cost and delivery capacity. Thus it is necessary to explore new principle, method and technique to improve the resolution without increasing the aperture. In this work, a ring-sector encoded aperture-based primary mirror is investigated. The result is helpful for breaking a new path for large aperture optical systems. And it is beneficial to advance the development of spaceborne optical remote sensors.
The proposed ring-sector pupil encoding technique is to sparsely encode the primary aperture of large optics. Since it forms an intermediate blurring optical image on detector, the final sharp image is necessarily recovered with digital decode procedure. This technique combines optical design and digital image processing together so that substantial mass reduction of its large aperture primary and high imaging performance equivalent to its corresponding full-aperture optics can be concurrently implemented, but also its optical transfer function is low-sensitive to large defocus range. And consequently the ring-sector pupil structure has excellent prospect for practical applications.
At first, this paper overviews in detail the state of art of research home and abroad about high resolution and large aperture optical remote sensors. It is point out that vigorous development of high resolution remote sensing satellite and exploration of new both theory and technology is urgent in our country. The imaging procedure and the point spread function (SPF) and modulation transfer function (MTF) of encoded pupil optics are respectively analyzed and derived from Fraunhofer diffraction theory. Through analysis of the structural types of aperture encoder and its associated MTF distribution feature, design philosophy about large aperture sparse pupil, i.e. ring-sector pupil structure, is put forward.
Then, through discussion of the geometrical characteristics and structural style of ring-sector pupils and analysis of their pupil function and corresponding SPF and MTF, why our proposed ring-sector pupil has the same resolution power as its corresponding full pupil is explained clearly. The affluence of its primary structural parameters, i.e. width-diameter ratio and sub-aperture angle, on MTF is investigated. Its low-sensitivity to defocus aberration is analyzed and shown. From the viewpoint of practical application, its manufacturability is analyzed and it is shown, through finite element analysis, that the ring-sector pupil structure has a favourable and marked effect on light weight.
Further, according to the application features of high-resolution large-aperture optics, an on-axis three-mirror telescopic objective with a bias field of view and a catadioptric objective with all spherical surfaces are optimally designed, and ring-sector pupil is applied to these designed lenses. Their optical imaging and digital image recovering are simulated for on-axis scene under different defocus. From the good recovered images, it is shown that the suggested ring-sector pupil structures allow large aperture optics low-sensitive to defocus and, to some extend, to widen its field of view.
Finally, an experimental ring-sector encoded pupil system is manufactured. Imaging results for star points and resolution test plate with ring-sector pupil of different filling factor verify that the imaging resolution power from the combination of ring-sector pupil optical imaging and digital image restoration can be compared with that of its corresponding full-aperture, and that it may have obvious advantage of potential applications.
环扇形光瞳编码技术旨在对大口径光学系统主镜光瞳进行稀疏编码,在探测器上形成模糊的中间像,通过数字图像解码手段恢复成清晰的最终像。该技术将光学设计和数字图像处理相结合,不仅可以大幅度减轻大口径主镜的重量,获得与全口径光学系统相当的成像性能,而且能在大的离焦范围内,其光学传递函数对离焦低敏感,具有非常实际的应用前景。
首先详细阐述国内外大口径高分辨率光学遥感系统的研究现状,指出我国大力发展高分辨率遥感卫星及探索新理论新技术的迫切需求。从夫琅和费衍射理论出发,分析光瞳编码光学系统的成像过程及点扩散函数(PSF)和调制传递函数(MTF)的计算公式。通过分析孔径编码结构类型及MTF分布规律,提出大口径环扇形光瞳结构的设计思想。
其次,分析了环扇形光瞳的结构与相应的光瞳函数表达式,分析其点扩散函数及调制传递函数,指出环扇形孔径具有全孔径分辨能力的原因。研究主要结构参数宽径比和子孔径角度对MTF的影响规律。指出和分析环扇形光瞳结构对离焦像差的低敏感性。从实际应用角度分析其可加工性,通过有限元分析方法验证环扇形光瞳编码结构具有明显的轻量化效果。
根据文章大口径高分辨率光学系统应用特点,完成同轴偏视场三反射光学系统及折反射球面光学系统的优化设计,并实现环扇形光瞳编码结构的应用,分别进行轴上点及不同离焦量模拟成像和图像复原,复原效果良好,表明环扇形编码结构的应用使得大口径光学系统对离焦低敏感,且在一定程度上能扩大光学系统的视场角。
最后,搭建了环扇形光瞳编码系统实验验证装置,不同填充因子的环扇形光瞳结构对星点和分辨率板的成像结果表明：环扇形孔径光学系统的分辨率图像经过数字图像复原后,可达到与全孔径系统的分辨率相当水平,有明显的潜在应用优势。
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Finally, an experimental ring-sector encoded pupil system is manufactured. Imaging results for star points and resolution test plate with ring-sector pupil of different filling factor verify that the imaging resolution power from the combination of ring-sector pupil optical imaging and digital image restoration can be compared with that of its corresponding full-aperture, and that it may have obvious advantage of potential applications.
引文
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