引言

航空偵察作為一種偵察手段，自產生以來一直是軍事偵察領域的重要組成部分，設計高分辨率、大視場偵察相機已經成為航空偵察相機技術發展的必然趨勢。然而圖像傳感器的尺寸卻受到工藝的限制不可能做得很大，所以圖像傳感器的尺寸已成為限制相機視場的主要因素。視場拼接技術是解決大視場問題的關鍵。目前視場拼接主要有成像器件機械拼接、多鏡頭多面陣拼接和單鏡頭多面陣拼接。成像器件機械拼接就是在像面上將多片圖像傳感器緊密的排列起來，機械拼接的優點在于采用機械拼接的相機光學系統相對比較簡單，缺點是成像元器件成品都有封裝結構，具有一定的幾何尺寸，實際像元大于有效像元，因此直接將2個成像芯片拼在一起中間會產生縫隙，在成像時產生拍攝盲區，丟失圖像信息。

為了實現無縫拼接，傳統方法是拆除單個成像芯片封裝，將有效像元順次拼接，但這種方法工藝復雜，成本高，很少被采用。多鏡頭多面陣成像器件拼接是每片成像芯片，使用一套獨立的光學系統，通過物理“捆綁”構成具有較大成像面積的等效相機系統，其優點是實現簡單，缺點是結構龐大。單鏡頭多面陣成像器件拼接是多片成像器件使用同一套鏡頭，由多面陣成像芯片共同構成焦平面，因此光學系統較為復雜，對各面陣成像芯片的安裝精度要求非常高，成像器件片數越多，裝調困難較大，光學系統像質還要受多種因素的影響而降低。因此在設計時，要求光學系統的像質盡可能達到或接近衍射極限，還要考慮環境溫度、氣壓、高度等因素的變化對光學系統的影響，在設計時應采取相應的措施消除或減弱對像質的影響。

1. 光學系統設計

1.1 光學系統設計指標光學系統設計指標如下： 照度范圍： 4 000 lx ~ 100 000 lx； 光譜范圍： 0.48 μm~0.75 μm； 探測器靶面尺寸：36.168 mm×24.112 mm； 像元尺寸：5.5 μm； 組合視場：20.5°×6.9°； 相對孔徑：1:4； 全視場最大畸變：＜0.5‰； 光學系統傳遞函數：MTF≥0.5（全視場）。

1.2 焦距的確定

光學系統焦距長短要根據地面分辨率指標要求確定。垂直型航空相機地面分辨率指標RG、航拍高度H、選用的CCD芯片像元尺寸d及焦距之間的關系可根據下式確定： RG/H=n×d/f′ （1） 式中：f′為相機焦距；RG為地面分辨率；n為像元數；H為飛行高度；d為像元尺寸。 依據產品裝調水平、系統使用環境及設計經驗，一般n在1.5~3之間選擇。 從公式（1）可以看出，相機地面分辨率與鏡頭焦距、像元尺寸、像元數有關。增大鏡頭焦距，相機重量隨之增加；而減小像元尺寸會導致成像靈敏度降低，因此確定系統焦距時，應根據系統技術指標及使用條件綜合考慮。

1.3 視場角的確定

光學系統視場角的大小由物鏡焦距和接收器件的尺寸決定。單片成像芯片成像不滿足視場角要求，為了擴大視場，采用雙片成像器件進行拼接。

視場角計算公式為 2ω=2arctany‘/f’ （2）

式中：ω為半視場角；y′為CCD器件1/2尺寸；f′為鏡頭焦距。

光學系統成像組件拼接視場示意圖如圖 1所示，拼接后的視場角可以增加近1倍。單片成像芯片視場10.36°×6.9°，雙片成像芯片拼接后的視場20.5°×6.9°。

圖1. 拼接視場示意圖

1.4 光學組件結構形式

光學組件由窗口玻璃、地物反射鏡、攝影物鏡、像方反射鏡、分光棱鏡、像面等組成。為減小相機外形尺寸，反射鏡采用折疊光路，最后一片透鏡用于內調焦。采用雙高斯準對稱結構形式校正軸外像差，如彗差、垂軸色差、畸變等，用厚透鏡校正像散、場曲。為了避免膠合鏡在膠合過程中對面型的影響，設計中將膠合鏡分離為單透鏡，這樣有利于成像質量的提高，并且減少了膠合工序。單透鏡材料選用折射率較高、色散較小、工藝性較好的玻璃。在滿足系統校正軸外像差要求的同時，很好地校正了系統的帶球差、二級光譜、位置色差等，保證軸上點和軸外點沒有太大的差別，使整個視場內成像質量比較均勻，以利于提高整個系統的成像質量。 光學系統結構形式如圖 2所示。地面景物光線通過光學窗口、地物反射鏡進入成像物鏡，再通過折疊光路的像方反射鏡及分光鏡分別成像在大面陣CCD1靶面和CCD2靶面上，通過光學拼接形成一幅拼接圖像，從而擴大視場。通過光電轉換，實時獲取圖像信息。

圖2. 光學結構圖

圖3.自準直自動對焦原理圖

結論

大視場航空相機光學系統，采用雙高斯準對稱結構形式，通過雙成像模塊光學拼接擴大視場角，調整最后一片透鏡實現內置自動調焦，控制地物反射鏡實現垂直照相、自動調焦及前向像移補償3種功能模式的轉換。該光學系統實現了全視場無漸暈， 在91 lp/mm處MTF接近衍射極限，物鏡在全視場范圍內成像質量一致。通過實驗室及室外航拍試驗驗證，該光學系統滿足設計指標要求。

審核編輯：郭婷