一种高分辨率大视场光学成像系统

摘要

一种高分辨率大视场光学成像系统，采用共用主镜、微透镜阵列、探测器阵列的成像系统结构。共用主镜采用单心球镜结构，共用主镜中心为一球镜，两侧分别包覆有2片弯月形透镜；入射光线分别通过共用主镜、微透镜阵列，最终到达探测器阵列上成像，通过计算成像技术对各子图像进行图像复原(消除球差对图像像质的影响)，将各个子图像进行配准复合后获得一幅完整的清晰图像。本发明结构形式简单，视场理论上能达到180°，且全视场具有一致分辨率，结合计算成像后期图像处理技术，系统分辨率理论上能接近衍射极限。本发明具有超大视场、高分辨率等优点，特别适用于空间目标大范围搜索及发现、平流层空中监视等。

权利要求

1.一种高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于包括：共用主镜、微透镜阵列以及探测器阵列；共用主镜采用单心球镜结构，共用主镜中心为由两个半球镜组成的单心球镜，其中一个半球镜的外侧包覆着第一弯月形透镜，第一弯月形透镜外侧包覆着第二弯月形透镜；另一个半球镜的外侧包覆着第三弯月形透镜，第三弯月形透镜的外侧是空气层，空气层的外侧是第四弯月形透镜；第一弯月形透镜、第二弯月形透镜、第三弯月形透镜、第四弯月形透镜对接粘连在一起，包覆在单心球镜周围；探测器阵列和微透镜阵列均匀分布在所述共用主镜同一侧的与单心球镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物方入射至共用主镜，经过共用主镜透射后到达至微透镜阵列，再经过微透镜阵列进行二次透射后到达至探测器阵列并成像；微透镜阵列中的每个微透镜及对应的探测器阵列中的探测器与共用主镜构成一个子光路，各子光路所成子图像拼接后获得完整的图像。

2.根据权利要求1所述的高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于：所述的第一弯月形透镜材料为KZFS6，第二弯月形透镜材料为N-LAK33A，球镜的材料为CAF2，第三弯月形透镜材料为N-LAF34，第四弯月形透镜材料为LAKL21。

3.根据权利要求1或2所述的高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于：所述的微透镜阵列中各个微透镜完全相同，每个微透镜将共用主镜大视场分为4.6°的小视场。

4.根据权利要求3所述的高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于：所述的微透镜阵列中的每一个微透镜包括4片从左至右依次排列的材料分别为BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9的薄透镜。

5.根据权利要求1或2所述的高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于：所述的探测器阵列中的各个探测器完全相同。

6.根据权利要求5所述的高分辨率大视场光学成像系统，其特征在于：所述的探测器为面阵CMOS探测器。

说明书

一种高分辨率大视场光学成像系统

技术领域

[0001] 本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种基于计算成像技术的大视场、高分辨率、低结构复杂度的光学成像系统。

背景技术

[0002] 随着人类进入空间、利用空间能力的不断增强，人类已经历进入空间-利用空间-监视空间的阶段，正步入控制空间的时代。随着现代战争发展的需要，对高分辨率、大视场的平流层空中监视系统、天基大范围目标搜索系统的需求越来越迫切，然而传统的大视场系统已经不能满足这样的要求。

[0003] 传统的大视场光学系统主要有小视场高分辨率扫描成像、鱼眼透镜超半球凝视成像、环带凝视全景成像三种。但是，它们都有着其各自的缺点，小视场高分辨率扫描成像必须具有复杂的扫描机构，直接导致系统的实时性降低，同时也大大降低了系统的可靠性；鱼眼透镜虽可实现超过180°的大视场成像，但其边缘视场存在着很大的畸变，边缘视场的照度较低，整个像面上无法形成一致分辨率；环带凝视成像系统围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内，虽可实现360°环带空间的全景实时成像，但它只能对环带视场成像，成像系统存在中心盲区，系统的杂散光严重，分辨率大打折扣。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大视场、高分辨率的光学系统。

[0005] 本发明的技术解决方案是：一种高分辨率大视场光学成像系统，包括共用主镜、微透镜阵列以及探测器阵列；共用主镜采用单心球镜结构，共用主镜中心为由两个半球镜组成的单心球镜，其中一个半球镜的外侧包覆着第一弯月形透镜，第一弯月透形镜外侧包覆着第二弯月形透镜；另一个半球镜的外侧 包覆着第三弯月形透镜，第三弯月形透镜的外侧是空气层，空气层的外侧是第四弯月形透镜；第一弯月形透镜、第二弯月形透镜、第三弯月形透镜、第四弯月形透镜对接粘连在一起，包覆在单心球镜周围；探测器阵列和微透镜阵列均匀分布在所述共用主镜同一侧的与单心球镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物方入射至共用主镜，经过共用主镜透射后到达至微透镜阵列，再经过微透镜阵列进行二次透射后到达至探测器阵列并成像；微透镜阵列中的每个微透镜及对应的探测器阵列中的探测器与共用主镜构成一个子光路，各子光路所成子图像拼接后获得完整的图像。

[0006] 所述的第一弯月形透镜材料为KZFS6，第二弯月形透镜材料为N-LAK33A，球镜的材料为CAF2，第三弯月形透镜材料为N-LAF34，第四弯月形透镜材料为LAKL21。

[0007] 所述的微透镜阵列中各个微透镜完全相同，每个微透镜将共用主镜大视场分为4.6°的小视场。

[0008] 微透镜阵列中的每一个微透镜包括4片从左至右依次排列的材料分别为BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9的薄透镜。

[0009] 所述的探测器阵列中的各个探测器完全相同。

[0010] 所述的探测器为面阵CMOS探测器。

[0011] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0012] (1)本发明采用的探测器阵列与微透镜阵列一一对应，每个探测器获取一个小视场，焦面近似为球面，探测器阵列实现多个小视场的拼接，从而实现超大视场，理论上甚至可以实现180度视场。

[0013] (2)本发明共用主镜由单球镜和4片同心弯月形透镜组成，相对于传统的单心光学系统而言，提高了分辨率，其色差也可以控制的很小。

[0014] (3)本发明结构旋转对称，因此没有慧差、像散、畸变等与视场相关的像差；在大视场条件下不用考虑视场的均匀性问题，在全视场上具有一致分辨率以及均匀的相对照度。

[0015] (4)本发明根据计算成像技术，共用主镜采用球镜，在共用主镜一次像面后引入对应每个探测器的微透镜阵列作为二级光学系统，改变微透镜参数使相邻探测器的视场重叠，从而解决了传统单心光学系统相机相邻探测器之间存在死区的问题。

附图说明

[0016] 图1为本发明光学系统的结构示意图；

[0017] 图2为本发明共用主镜光学系统MTF曲线；

[0018] 图3为本发明光学系统结构图；

[0019] 图4为本发明光学系统MTF曲线；

具体实施方式

[0020] 对于传统空间相机，设计与制造一个小孔径、小视场的系统相对容易。然而，随着孔径和视场的增大，相机的设计、加工以及装调难度都急剧提高。计算成像技术突破了传统相机的缺陷，将相机、计算机软件方法结合来实现传统相机不能或很难实现的成像功能。这些成像功能表现在图像的视场、分辨率、动态范围等。运用计算成像技术，可以制造出拥有低结构复杂度、大视场且高分辨率的相机。

[0021] 如图1所示，一种高分辨率大视场光学成像系统包括共用主镜、微透镜阵列以及探测器阵列。所述的共用主镜采用单心球镜结构，共用主镜中心为由两个半球镜组成的单心球镜，球镜的一侧包覆着第一弯月形透镜，第一弯月透形镜外侧包覆着第二弯月形透镜；球镜的另一侧包覆着第三弯月形透镜，第三弯月形透镜的外侧是空气层，空气层的外侧是第四弯月形透镜；第一弯月形透镜、第二弯月形透镜组成的半圆形球壳与第三弯月形透镜、第四弯月形透镜组成的半圆形球壳对接粘连在一起；不同视场的光线从物方入射至共用主镜，经过共用主镜透射后到达至微透镜阵列；利用小孔径透镜校正波面的能力比大口径透镜的校正能力强的特点，光线经过微透镜阵列进行二次透射，进一步校正共用主镜像差；二次透射后的光线到达至探测器阵列并成像。微透镜阵列中 的每个微透镜对应一个4.6°的小视场，调整微透镜参数，改变系统放大率从而使相邻探测器的视场重叠；每个微透镜及其对应的探测器作为共用主镜的一个子光路，所成图像为完整图像的一幅子图像。

[0022] 对于一个100mm口径的球镜，在可见光波长范围内，会有大小为1.5mm的色度离焦。然而，大多数色度离焦带来的像面模糊都集中在色度通道。因为人眼对色度通道的带来的像面模糊不敏感，因此轴向色差带来的像质下降不明显。但是，在本发明的光学系统的设计中依然采用以CaF2为代表的多种不同材料的透镜组合，尽可能的消除色差对图像像质的影响。

[0023] 本实施方案中，如图3所示，光学系统共用主镜采用单心球镜结构形式，用于校正色差及场曲以外的其它单色像差，共用主镜中心的两个半球镜的材料为CAF2，第一弯月形透镜到第四弯月形透镜的材料依次分别为KZFS6、N-LAK33A、N-LAF34、LAKL21。微透镜由4片透镜组成，用于校正主镜场曲，为探测器阵列提供平像面，每个微透镜将主镜大视场分为4.6°的小视场，透镜材料从左至右依次排列为BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9。整个光学系统的结构参数如下表所示：

[0024]

[0025]

[0026] 整个光学系统设计结构旋转对称，光学系统的MTF曲线如图2和图4所示，不同视场上的MTF曲线基本重合，这说明本发明在全视场具有一致分辨率。如图4所示，如果采用像元尺寸为7um的探测器，本发明在该探测器那奎斯特频率(71lp/mm)处的MTF为0.52，这一指标说明本发明具有较好的光学性能。

[0027] 本实施方案中，由于共用主镜采用单心球镜，系统存在较大的球差，导致系统MTF降低。因此，为进一步提高图像质量，在图像后期处理过程中，第一步是将图像从RGB格式转换为YUV格式，接着对亮度通道进行维纳去卷积(消除光学系统球差对图像像质的影响)，然后再转换为RGB格式。随后，对图像进行降噪处理后，将所得的各个小视场图像通过配准复合，最终得到一幅具有完整信息的大视场图像。

[0028] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。