一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法
阅读说明：本技术 一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法 (Method for improving field duty ratio of field gating imaging system ) 是由 方亮 张辉 廖志远 程欣 谭述亮 范真节 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法,该方法包括：在视场选通成像系统一次像面附近添加一组微透镜阵列,与后组微透镜阵列形成微透镜阵列组；添加的一组微透镜阵列中,每个微透镜单元均作为场镜,用于将选通视场内的边缘视场光线偏转,并使其通过后组微透镜单元,从而减小选通视场内成像的渐晕。另一方面,利用分光镜将视场选通成像系统一次像面一分为二,分别对两个一次像面进行视场选通,且选通的视场范围相互交错。本发明所述的一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法可以解决现有视场选通成像系统边缘视场由于渐晕而导致成像分辨率低以及视场占空比不足等问题,为实现强背景光下的多星探测提供一种有效的技术途径。(The invention discloses a method for improving the field duty ratio of a field gating imaging system, which comprises the following steps: adding a group of micro-lens arrays near a primary image surface of the field-of-view gated imaging system, and forming a micro-lens array group with the rear group of micro-lens arrays; in the added group of micro lens array, each micro lens unit is used as a field lens and is used for deflecting the light rays of the marginal field of view in the gating field of view and enabling the light rays to pass through the rear group of micro lens units, so that the vignetting of the image in the gating field of view is reduced. On the other hand, the primary image surface of the field gating imaging system is divided into two parts by using the spectroscope, the field gating is respectively carried out on the two primary image surfaces, and the gated field ranges are mutually staggered. The method for improving the field duty ratio of the field gating imaging system can solve the problems of low imaging resolution, insufficient field duty ratio and the like caused by vignetting of the marginal field of the existing field gating imaging system, and provides an effective technical approach for realizing multi-satellite detection under strong background light.)
技术领域
本发明属于全天时星敏感器光学成像技术领域，涉及一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法。
背景技术
星敏感器是一种高精度姿态敏感测量仪器，常用于卫星、飞船、火箭等空间航天器的导航。近年来，随着星惯组合导航技术的快速发展，星敏感器导航技术正由大气层外太空天基平台的应用逐渐扩展至近地空间平台的应用，使临近空间飞行器、舰船、飞机等近地空间平台有望摆脱对卫星导航系统的依赖，具有广泛的应用前景和重要的战略意义。
相比于天基星敏感器，近地空间星敏感器面临着强烈天空背景光的干扰，为了能够在强天光背景条件下实现对暗弱恒星目标的探测，需要采用一定的方法抑制天空背景光，提高系统的探测信噪比。传统的近地空间星敏感器通常采用小视场成像系统抑制天空背景光，结合二维转台扫描探测的手段实现对单星的跟踪探测，这种工作体制普遍存在系统庞大、精度低等缺陷，在小型化平台和高精度应用场合存在诸多局限。
基于视场选通技术的光学成像系统采用大视场望远镜收星，利用微透镜与微开关阵列实现瞬时视场的快速选通，可同时获得较大视场和较强的天空背景光抑制能力，具有体积小、重量轻、精度高等优点，非常适合近地空间全天时星敏感器的应用。
然而，在该系统中，前端望远镜的相对孔径通常较大，聚焦于一次像面的光线具有较大的张角，这将导致后续微透镜单元对选通视场内的一次像面成像时，边缘视场的光线无法全部通过该微透镜单元，从而产生明显的渐晕现象。由于渐晕区域对应的光束有效口径减小，因此该区域内的艾里斑尺寸较大。若系统要求近衍射极限成像，则渐晕区域比非渐晕区域的光斑尺寸明显偏大，无法满足对能量集中度的要求，这将导致微透镜单元对应的选通视场内的有效区域减小。另一方面，微透镜阵列中微透镜单元的分布本身也难以做到100％的占空比。因此，基于视场选通技术的光学成像系统总的有效视场占空比较小，难以保证多颗恒星的探测概率。为推动基于视场选通技术的光学成像系统在全天时星敏感器中的实际应用，需要探索有效的提高视场占空比的方法，为实现小型化、高精度和高自主性的全天时星敏感器的研究奠定技术基础。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有基于视场选通技术的光学成像系统有效视场占空比低的问题，提出一种提高系统有效视场占空比的方法。该方法能够增加视场选通光学成像系统的有效视场，提高系统在白天环境下对多颗恒星的探测概率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法，该方法包括：
1)利用分光镜将视场选通成像系统一次像面分为透射光路一次像面和反射光路一次像面；
2)在所述透射光路一次像面与其后方设置的第一后组微透镜阵列之间设置一组第一前组微透镜阵列，该第一前组微透镜阵列与所述第一后组微透镜阵列形成微透镜阵列组；所述第一前组微透镜阵列中的每个微透镜单元均作为场镜，用于将其对应选通视场内的边缘视场光线进行偏转，使边缘视场的主光线能够通过所述第一后组微透镜阵列中的微透镜单元；从而减小透射光路中每个选通视场内成像的渐晕现象，确保选通视场内的成像质量，提高选通视场的有效区域；
3)在反射光路一次像面与其后方设置的第二后组微透镜阵列之间设置一组第二前组微透镜阵列，该第二前组微透镜阵列与所述第二后组微透镜阵列形成微透镜阵列组，所述第二前组微透镜阵列中的每个微透镜单元均作为场镜，用于将其对应选通视场内的边缘视场光线进行偏转，使边缘视场的主光线能够通过所述第二后组微透镜阵列中的微透镜单元，从而减小反射光路中每个选通视场内成像的渐晕现象，确保成像质量，提高选通视场的有效区域。
进一步的，对所述透射光路一次像面的选通视场和对所述反射光路一次像面的选通视场相互交错,整个视场选通成像系统总的有效视场近似等于透射光路的有效视场和反射光路的有效视场之和。
进一步的，视场选通成像系统一次像面为前端望远镜的成像面；所述透射光路一次像面的光线通过第一前组微透镜阵列和第一后组微透镜阵列组成的微透镜阵列组后，经第一微开关阵列选通后再由第一后端成像物镜成像于探测器上；所述反射光路一次像面的光线通过第二前组微透镜阵列和第二后组微透镜阵列组成的微透镜阵列组后，经第一微开关阵列选通后再由第二后端成像物镜成像于探测器上。
所述第一前组微透镜阵列不仅可用于对选通视场内的边缘视场光线进行偏转，而且可视为增加了一个优化曲面，能够优化视场选通成像系统的成像质量。
其中，有效选通视场范围是指选通视场内无渐晕现象的区域；系统的有效视场是指所有微透镜单元对应的有效选通视场之和；系统的视场占空比是指所有微透镜单元对应的有效选通视场之和与前端望远镜视场的比值。
基于视场选通技术的光学成像系统是针对全天时星敏感器应用的一种新体制成像系统，在实际应用中主要面临着有效视场占空比较低等问题。本发明所述的一种提高视场选通成像系统视场占空比的方法针对现有视场选通成像系统存在有效视场较低等问题提出的解决方案，目前尚未见到有关提高系统占空比的方法相关报道。本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、减小了选通视场范围内的渐晕区域，一定程度解决了现有视场选通技术中渐晕区域较大、渐晕区域内光斑能量集中度不够等问题，提高了选通视场内的有效区域；
2、由于光学系统中添加了一组微透镜阵列，因此每个选通通道中均增加了一个优化曲面，有利于优化视场选通成像系统的成像质量；
3、通过分光镜将一次像面一分为二分别进行视场选通，可大大提高选通视场的有效区域和系统的有效视场。
附图说明
图1是本发明实施例中原有视场选通成像系统的结构示意图；
图中：1为前端望远镜，11为前端望远镜对恒星成像的一次像面，2为微透镜阵列，3为微开关阵列，4为后端成像物镜，5为阵列探测器。
图2是本发明实施例中原有视场选通成像系统中单元微透镜处的光路示意图；
图中：11为前端望远镜对恒星成像的一次像面，22为微透镜阵列中的一个微透镜单元；
图3是本发明实施例中原有视场选通成像系统的有效视场范围示意图；
图中：1为前端望远镜的方形视场，2为微透镜阵列的选通视场范围，3为微透镜阵列的有效选通视场范围；
图4是本发明实施例中提高原有视场选通成像系统视场占空比的方法示意图；
图中：1为前端望远镜，2为分光镜，31为透射光路的一次像面，41为透射光路中用作场镜的微透镜阵列，51为透射光路中用于视场选通的微透镜阵列，61为透射光路的微开关阵列，71为透射光路的共焦面成像系统，81为透射光路的阵列探测器，32为反射光路的一次像面，42为反射光路中用作场镜的微透镜阵列，52为反射光路中用于视场选通的微透镜阵列，62为微开关阵列，72为反射光路的共焦面成像系统，82为反射光路的阵列探测器。
图5是本发明实施例中采用提高原有视场选通成像系统视场占空比的方法后单元微透镜处的光路示意图；
图中：11为前端望远镜对恒星成像的一次像面，21为添加的微透镜阵列中的一个微透镜单元，22为原微透镜阵列中的一个微透镜单元；
图6(a)和图6(b)分别是本发明实施例中透射光路的视场选通区域和反射光路的视场选通区域示意图；
图中：1为透射光路中前端望远镜的方形视场，2为透射光路中微透镜阵列的选通视场范围，3为透射光路中微透镜阵列的有效选通视场范围；11为反射光路中前端望远镜的方形视场，22为反射光路中微透镜阵列的选通视场范围，33为反射光路中微透镜阵列的有效选通视场范围。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
本发明实施例1，是对一个口径为100mm，F数为15，工作波段为1.3～1.7μm，总视场为5°×5°的视场选通成像系统提高视场占空比的方法。
图1为原有视场选通成像系统结构示意图。系统包括：前端望远镜1，微透镜阵列2，微开关阵列3，后端成像物镜4和阵列探测器5。其中前端望远镜1的视场为5°×5°，口径为Φ100mm，焦距为300mm；微透镜阵列2的单元口径为Φ3.8mm，焦距为6mm，单元数为7×7；微开关阵列3的单元口径也为Φ3.8mm，单元数也为7×7；后端成像物镜4的口径为30mm，焦距为30mm；阵列探测器5的像元尺寸为20μm，有效像元阵列数为512×512。
无穷远的多颗恒星信号光由前端望远镜1成像于一次像面，成像质量达到近衍射极限；再由微透镜阵列2和微开关阵列3对一次像面的视场进行细分和选通；由于前端望远镜1的F数为3，因此一次像面上各像点光线的张角为19°；单元微透镜处的光路示意图如图2所示，可以看出，单元微透镜21对应的一次像面11上的选通视场范围AC与单元微透镜21口径尺寸一致。然而，在选通视场范围内边缘视场A或C的光线仅有一部分能通过单元微透镜，因此存在明显的渐晕现象。根据艾里斑公式可知，由于渐晕区域对应的光束有效口径D减小，因此该区域内的艾里斑尺寸将变大。在本实施例中，选通视场范围内的中心视场B区域为非渐晕区域，艾里斑尺寸约为55μm，分布在3×3像素以内，满足能量集中度的要求。而选通视场范围内的边缘视场A或C为渐晕区域，艾里斑尺寸约为80μm，超出了3×3像素范围，无法满足能量集中度的要求。这表明选通视场范围内，仅有中心视场区域有效，而边缘视场区域是无效的。图3给出了系统有效视场范围的示意图，其中正方形区域1为前端望远镜的视场5°×5°，选通视场2的范围为Φ0.72°，其中选通视场有效区域的半径仅为选通视场半径的50％，则系统总的有效视场仅为7×7×π×(0.36×50％)2＝4.98°2，系统总的有效视场占空比仅为4.98°2/25°2＝19.9％。
图4为本发明实施例1中提高原有视场选通成像系统视场占空比的方法示意图，其中包括，前端望远镜1，分光镜2，透射光路的一次像面31，透射光路中用作场镜的微透镜阵列41，透射光路中用于视场选通的微透镜阵列51，透射光路的微开关阵列61，透射光路的共焦面成像系统71，透射光路的阵列探测器81，反射光路的一次像面32，反射光路中用作场镜的微透镜阵列42，反射光路中用于视场选通的微透镜阵列52，微开关阵列62，反射光路的共焦面成像系统72，反射光路的阵列探测器82。与图1中原有视场选通成像系统结构的主要区别在于，引入了分光镜将一次像面一份为二，同时在透射和反射光路中引入了用作场镜的微透镜阵列41和42。图5为透射光路单元微透镜组处的光路示意图。由于引入了用作场镜的微透镜单元22，选通视场范围AC内的边缘视场A和C的光线被偏折，并能通过后组的微透镜单元21，从而大大减小了渐晕区域，提高选通视场的有效区域。假设选通视场有效区域的半径提高至选通视场半径的80％，则透射光路总的有效选通视场为7×7×π×(0.36°×80％)2＝12.7°2，透射光路总的选通视场占空比可达到12.7°2/25°2＝51％。同理，反射光路中总的有效选通视场也为12.7°2，反射光路总的选通视场占空比也可达到51％。将反射光路中微透镜阵列对一次像面的选通区域与透射光路中微透镜阵列对一次像面的选通区域相互交错排布，则系统总的有效选通视场可近似认为是反射光路中的有效选通视场和透射光路中的有效选通视场之和。如图6(a)和6(b)是本发明实施例中透射光路的视场选通区域和反射光路的视场选通区域示意图。显然，反射光路中有效选通视场和透射光路中有效选通视场相互交错的分布，除去其中的重叠区域，系统总的选通视场占空比可接近100％。
实施例2
本发明实施例2，是对一个口径为80mm，F数为20，工作波段为700nm～900nm，总视场为6°×6°的视场选通成像系统提高视场占空比的方法。
图1为原有视场选通成像系统结构示意图。系统包括：前端望远镜1，微透镜阵列2，微开关阵列3，后端成像物镜4和阵列探测器5。其中前端望远镜1的视场为6°×6°，口径为Φ80mm，焦距为320mm；微透镜阵列2的单元口径为Φ3mm，焦距为7mm，单元数为11×11；微开关阵列3的单元口径也为Φ3mm，单元数也为11×11；后端成像物镜4的口径为35mm，焦距为35mm；阵列探测器5的像元尺寸为13μm，有效像元阵列数为1024×1024。无穷远的多颗恒星信号光由前端望远镜1成像于一次像面，成像质量达到近衍射极限；再由微透镜阵列2和微开关阵列3对一次像面的视场进行细分和选通；由于前端望远镜1的F数为4，因此一次像面上各像点光线的张角为14.3°；单元微透镜处的光路示意图如图2所示，可以看出，单元微透镜21对应的一次像面11上的选通视场范围AC与单元微透镜21口径尺寸一致。然而，在选通视场范围内边缘视场A或C的光线仅有一部分能通过单元微透镜，因此存在明显的渐晕现象。根据艾里斑公式可知，由于渐晕区域对应的光束有效口径D减小，因此该区域内的艾里斑尺寸将变大。在本实施例中，选通视场范围内的中心视场B区域为非渐晕区域，艾里斑尺寸约为39μm，分布在3×3像素以内，满足能量集中度的要求。而选通视场范围内的边缘视场A或C为渐晕区域，艾里斑尺寸约为50μm，超出了3×3像素范围，无法满足能量集中度的要求。这表明选通视场范围内，仅有中心视场区域有效，而边缘视场区域是无效的。图3给出了系统有效视场范围的示意图，其中正方形区域1为前端望远镜的视场6°×6°，选通视场2的范围为Φ0.54°，其中选通视场有效区域的半径仅为选通视场半径的55％，则系统总的有效视场仅为11×11×π×(0.27°×55％)2＝8.38°2，系统总的有效视场占空比仅为8.38°2/36°2＝23.3％。
图4为本发明实施例1中提高原有视场选通成像系统视场占空比的方法示意图，其中包括，前端望远镜1，分光镜2，透射光路的一次像面31，透射光路中用作场镜的微透镜阵列41，透射光路中用于视场选通的微透镜阵列51，透射光路的微开关阵列61，透射光路的共焦面成像系统71，透射光路的阵列探测器81，反射光路的一次像面32，反射光路中用作场镜的微透镜阵列42，反射光路中用于视场选通的微透镜阵列52，微开关阵列62，反射光路的共焦面成像系统72，反射光路的阵列探测器82。与图1中原有视场选通成像系统结构的主要区别在于，引入了分光镜将一次像面一份为二，同时在透射和反射光路中引入了用作场镜的微透镜阵列41和42。图5为透射光路单元微透镜组处的光路示意图。由于引入了用作场镜的微透镜单元22，选通视场范围AC内的边缘视场A和C的光线被偏折，并能通过后组的微透镜单元21，从而大大减小了渐晕区域，提高选通视场的有效区域。假设选通视场有效区域的半径提高至选通视场半径的90％，则透射光路总的有效选通视场为11×11×π×(0.27°×90％)2＝20°2，透射光路总的选通视场占空比可达到20°2/36°2＝55.6％。同理，反射光路中总的有效选通视场也为20°2，反射光路总的选通视场占空比也可达到55.6％。将反射光路中微透镜阵列对一次像面的选通区域与透射光路中微透镜阵列对一次像面的选通区域相互交错排布，则系统总的有效选通视场可近似认为是反射光路中的有效选通视场和透射光路中的有效选通视场之和。如图6(a)和6(b)是本发明实施例中透射光路的视场选通区域和反射光路的视场选通区域示意图。显然，反射光路中有效选通视场和透射光路中有效选通视场相互交错的分布，除去其中的重叠区域，系统总的选通视场占空比可接近100％。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
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