本发明公开了一种动态局部放大高分辨成像系统，属于光学仪器技术领域。解决现有光学成像系统对远距离目标探测的大视场与高分辨成像的矛盾以及系统结构复杂、成本较高等技术问题。该系统包含成像物镜、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面，其中小口径局部放大镜组和透射式液晶空间光调制器(SLM)用于实现局部区域放大与高分辨率成像。本发明在中间像面位置附近放置一个小口径局部放大镜组，通过小口径局部放大镜组在x、y方向的二维扫描，实现一次像面不同位置的动态局部放大，经由中继镜组后，在探测器像面上获得不同位置的局部放大图像，系统结构简单、成本低，可实现大视场范围内的动态局部放大。
1.动态局部放大高分辨成像系统，包括成像物镜、平板玻璃、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面，其特征是：系统由成像物镜(1)、一次像面(2)、平板玻璃(3)、小口径局部放大镜组(4)、中继转像镜组(5)、透射式液晶空间光调制器(6)和探测器像面(7)组成，在光线的传播方向上，各组成部分按顺序依次排列；
所述动态局部放大高分辨成像系统的光线传播方向为z轴，光线传播方向从左到右，左负右正，成像物镜(1)的第一面顶点位置为原点，与z垂直的面为xy平面，垂直于z轴向上为y轴正方向，垂直于yz平面向里为x轴正方向；
所述成像物镜(1)，系统的孔径光阑位于成像物镜(1)的前表面上，物方光线经过成像物镜(1)后成像在一次像面(2)处，得到一次中间像；
所述一次像面(2)上得到一次中间像，在一次像面(2)上各视场的光线分别成像在不同的高度，在一次像面(2)前后的附近位置各视场的光线是相对独立的，局部口径对应光学系统的局部成像区域，即局部成像视场；
所述小口径局部放大镜组(4)是一个口径较小的由三个或多个具有一定光焦度的小口径透镜组成的大光焦度透镜组，小口径局部放大镜组(4)光焦度的大小可以根据整个光学系统的局部区域的放大倍率来确定，所设计的小口径局部放大镜组(4)光焦度的大小可以由其组成的小口径透镜的光焦度、数量、间隔来求解；
所述小口径局部放大镜组(4)位于一次像面(2)后，且位于一次像面(2)位置附近，小口径局部放大镜组(4)通过对一次像面(2)上的一次像的局部区域放大，可以改变整个光学系统的局部区域的光焦度，即改变整个光学系统的局部区域的放大倍率，从而实现整个光学系统的局部区域放大成像效果；
所述平板玻璃(3)是用于固定小口径局部放大镜组(4)的透明平板玻璃，小口径局部放大镜组(4)位于平板玻璃(3)的中心位置，平板玻璃(3)的厚度很薄，其厚度为1mm，当光线经过平板玻璃(3)上小口径局部放大镜组(4)时，光线所对应区域的图像被放大，当光线经过平板玻璃(3)上小口径局部放大镜组(4)以外的区域时，光线不改变传播方向，平板玻璃(3)在光路中不改变光学系统的光焦度也不引入任何像差，两部分光线经由中间转像系统进行二次成像，在探测器像面(7)上得到最终的光学局部放大图像；
所述中继转像镜组(5)是一个由四片普通光学透镜组成的中继转像镜组，小口径局部放大镜组(4)对成像物镜(1)所成的一次中间像进行局部放大，中继转像镜组(5)将局部放大后的一次中间像成像于探测器像面(7)；
所述透射式液晶空间光调制器(6)是一个可以通过液晶分子调制光场某个参量的主动光学元件，可以通过软件编程实现光场振幅或相位的调制，透射式液晶空间光调制器(6)位于出瞳位置处，通过软件编程控制透射式液晶空间光调制器(6)可以补偿局部放大区域光焦度的变化引起的像面位置的改变。
2.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，小口径局部放大镜组(4)的光焦度与未加入小口径局部放大镜组(4)的光学系统的光焦度组合得到局部放大区域的光焦度，从而得到局部放大区域的放大倍率，通过小口径局部放大镜组(4)可以实现对一次像面(2)的一次中间像局部位置区域的放大，而小口径局部放大镜组(4)所实现的局部放大区域以外的区域不发生变化，局部放大区域以外区域的光线不经过小口径局部放大镜组(4)，这部分光线所经过的光路的光焦度保持不变，从而实现了光学局部放大。
3.根据权利要求1或2所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，小口径局部放大镜组(4)位于一次像面(2)位置附近的平面内，小口径局部放大镜组(4)的z坐标保持不变，小口径局部放大镜组(4)固定在平板玻璃(3)上，通过平板玻璃(3)在xy平面内的x和y两个方向的二维移动扫描，平板玻璃(3)的二维移动扫描速度需要与探测器的采集速度匹配；
通过平板玻璃(3)上小口径局部放大镜组(4)对一次中间像的二维扫描，可以实现整个光学系统的动态局部区域放大成像效果，实现动态光学局部放大。
4.根据权利要求1或2所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，位于一次像面(2)位置附近的小口径局部放大镜组(4)对一次中间像进行局部区域放大，其本质是增大了局部放大区域的光焦度，因此，会导致局部放大区域后截距的变化，即产生离焦量，离焦量的产生会引起局部放大区域图像的成像质量，需要采用透射式液晶空间光调制器(6)校正局部放大区域的离焦量，从而实现局部放大高分辨成像效果。
5.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，其出瞳位于中继转像镜组(5)中最后一片光学透镜的最后一面与探测器像面(7)之间，小口径局部放大镜组(4)的引入会使光学系统产生新的像差，根据光学系统出瞳位置处的波像差特性，通过在出瞳位置处放置透射式液晶空间光调制器可以校正光学系统局部放大区域导致的像差，从而实现光学系统局部放大区域的高分辨成像。
6.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，透射式液晶空间光调制器(6)是一个主动光学元件，通过软件编程可以控制透射式液晶空间光调制器(6)的相位，根据具有光焦度的光学透镜的相位转换理论以及波像差校正理论，可以通过软件编程得到一定光焦度和像差校正能力的相位图，将相应的相位图加载到透射式液晶空间光调制器(6)，来模拟具有相应光焦度的数字光学透镜和具有一定像差校正能力的像差校正器件。
7.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，中继转像镜组(5)是一个具有一定放大比例的中继转像镜组，中继转像镜组(5)用于将经由小口径局部放大镜组(4)局部放大后的一次中间像以一定放大比例成像于探测器像面(7)上。
8.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，系统通过将小口径局部放大镜组(4)和透射式液晶空间光调制器(6)放置于特殊位置，即一次中间像面位置附近与出瞳位置，来实现光学局部放大高分辨成像，系统采用的光学器件数量少、结构简单、方便操作。
9.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于，系统通过一个小口径局部放大镜组(4)的二维扫描和透射式液晶空间光调制器(6)的编程调制就可以实现大视场光学系统像面上不同位置的局部放大高分辨成像，光学系统的局部放大区域的放大倍数取决于所设计的小口径局部放大镜组(4)光焦度的大小以及小口径局部放大镜组(4)与一次像面(2)和中继转像镜组(5)之间的间隔。
10.根据权利要求1所述的动态局部放大高分辨成像系统，其特征在于该系统的光学设计方法如下：
1)系统中小口径局部放大镜组(4)的作用是实现对一次像面(2)上中间像面的光学局部放大，采用光学设计软件zemax进行系统仿真设计，设计时将平板玻璃(3)与小口径局部放大镜组(4)紧密接触，将二者的间距设置为零，系统采用混合序列模式，设置小口径局部放大镜组(4)的光学口径，实现系统全视场成像范围内局部区域的放大效果；
2)为了实现系统的动态光学局部放大成像效果，在zemax软件的非序列元件编辑器中，通过改变小口径局部放大镜组(4)的x，y方向的坐标位置，实现像面上图像不同位置的动态光学局部放大成像仿真效果；
3)为了保证局部放大区域的成像质量，系统在出瞳位置采用透射式液晶空间光调制器(6)，在zemax软件中，采用zernike fringe phase面型来模拟透射式液晶空间光调制器(6)进行波像差的拟合和校正，并且将该面设置为具有一定曲率半径的面型，实现局部放大区域光焦度的变化引起的像面离焦；
4)为了保证系统光学局部放大效果，系统选择性地对不同区域实现光学局部放大时，确定局部放大区域与全视场成像区域的比例以及局部放大倍率的原则是，不影响全视场内的目标信息，同时获得感兴趣区域的局部放大效果，满足该原则的光学局部放大系统才能得到较好的光学局部放大效果。
动态局部放大高分辨成像系统
技术领域
[0001] 本发明属于光学仪器技术领域，具体涉及一种动态局部放大高分辨成像系统，特别适用于视频监控、预警探测以及战场侦查等领域。
背景技术
[0002] 进入21世纪，在目标探测、识别与跟踪的光学探测领域中，对光学系统的要求越来越高，既要求系统具有对探测目标的大视场全局成像能力，又要求系统具备对目标细节的局部高分辨率成像能力。为了满足对目标的大视场探测与小视场高分辨成像，传统光学解决方法是采用变焦光学系统，主要有机械变焦和主动变焦两种方式。然而，机械变焦系统是通过改变光学元件或光学元件组之间的距离来实现变焦，并使像面保持不变，这种变焦方式主要面临反应速度、尺寸、重量功耗、机械移动部件等多方面的问题，主动变焦系统不需要光学元件的机械移动，而是通过系统中某个或某几个主动光学元件的面型变化实现变焦和像面位置的稳定，但是这种变焦方式受限于主动光学元件本身的面型变化动态范围，实现的变焦范围有限。另外，为了解决目标全局信息获取与局部细节信息高分辨的问题，研究人员还提出了基于数字图像处理的方法，光学系统获得目标的全局图像后，通过软件处理全局图像得到局部放大的图像，但是这种数字图像处理方式是基于光学系统已经获得的有限信息，因此这种方式实现的局部放大倍率有限，而且图像放大到一定程度后还会面临图像失真问题。
[0003] 为了解决上述问题，光学研究人员又提出了基于主动光学元件的小凹成像系统以及双小凹成像系统，这种光学系统主要是基于光学系统的像差特性，在大视场范围内对某个或某两个视场进行高分辨成像，其余视场低分辨率成像。这种小凹成像光学系统的研究对光学高分辨成像技术的发展具有一定的推动作用，但是这种成像方式在获得局部视场高分辨成像的同时牺牲了其他视场的分辨率，在实际目标探测应用中会导致目标信息的丢失。
[0004] 在光学局部放大技术领域中，与本发明相似的专利为CN103901615A，该专利公开了一种小凹成像光学系统，系统采用一组扫描式的望远系统可以实现4°视场的局部光学放大。但是该系统的局部放学放大要求系统的入瞳口径很小，系统的通光量较小，导致像面上照度较小。
[0005] 为了解决以上问题，本发明设计了动态局部放大高分辨成像系统，采用小口径局部放大镜组和透射式液晶空间光调制器(SLM)实现了大视场光学系统动态光学局部放大，得到光学系统像面上不同位置的局部放大成像。解决了现有光学成像系统对远距离目标探测的大视场与高分辨成像的矛盾。系统结构简单、体积小、成本低，且容易实现。
发明内容
[0006] 本发明为解决现有光学成像系统对远距离目标探测的大视场与高分辨成像的矛盾以及系统结构复杂、成本较高等技术问题，提供一种动态局部放大高分辨成像系统，该光学系统采用一个简单的小口径放大镜组和一个透射式液晶空间光调制器(SLM)配合可以实现光学局部放大高分辨成像的目标。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0008] 动态局部放大高分辨成像系统，包括成像物镜、一次像面、平板玻璃、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面，在光线的传播方向上，各组成部分按顺序依次排列；
[0009] 动态局部放大高分辨成像系统的光线传播方向为z轴，光线传播方向从左到右，左负右正，成像物镜的第一面顶点位置为原点，与z垂直的面为xy平面，垂直于z轴向上为y轴正方向，垂直于yz平面向里为x轴正方向；
[0010] 系统的孔径光阑位于成像物镜的前表面上，物方光线经过成像物镜后成像在一次像面处，得到一次中间像，在一次像面上各视场的光线分别成像在不同的高度，在一次像面前后的附近位置各视场的光线是相对独立的，局部口径对应光学系统的局部成像区域，即局部成像视场；
[0011] 所述小口径局部放大镜组是一个口径较小的由三个或多个具有一定光焦度的小口径透镜组成的大光焦度镜组，小口径局部放大镜组光焦度的大小可以根据整个光学系统的局部区域的放大倍率来确定，所设计的小口径局部放大镜组光焦度的大小可以由其组成的小口径透镜的光焦度、数量、间隔来求解；
[0012] 所述小口径局部放大镜组位于一次像面后，且位于一次像面位置附近，小口径局部放大镜组的光焦度与未加入小口径局部放大镜组的光学系统的光焦度组合得到局部放大区域的光焦度，从而得到局部放大区域的放大倍率，通过小口径局部放大镜组可以实现对一次像面的一次中间像局部位置区域的放大，而局部放大区域以外区域的光线不经过小口径局部放大镜组，这部分光线所经过的光路的光焦度保持不变，即局部放大区域以外的区域不发生变化，两部分光线经由中间转像系统进行二次成像，在探测器像面上得到最终的光学局部放大图像，从而实现了整个光学系统的光学局部放大；
[0013] 所述平板玻璃是用于固定小口径局部放大镜组的透明平板玻璃，小口径局部放大镜组位于平板玻璃的中心位置，平板玻璃的厚度很薄，其厚度为1mm，光线经过平板玻璃上小口径局部放大镜组以外的区域时，光线不改变传播方向，平板玻璃在光路中不改变光学系统的光焦度也不引入任何像差；平板玻璃和小口径局部放大镜组的z坐标保持不变，通过平板玻璃上小口径局部放大镜组在xy平面内的x和y两个方向对一次中间像的二维扫描，使得平板玻璃上小口径局部放大镜组的二维扫描速度与探测器的采集速度匹配，实现整个光学系统的动态光学局部放大；
[0014] 所述中继转像镜组是一个由四片普通光学透镜组成的具有一定放大比例的中继转像镜组，小口径局部放大镜组对成像物镜所成的一次中间像进行局部放大，中继转像镜组将局部放大后的一次中间像以一定放大比例成像于探测器像面上；
[0015] 所述透射式液晶空间光调制器(SLM)是一个可以通过液晶分子调制光场某个参量的主动光学元件，可以通过软件编程实现光场振幅或相位的调制，透射式液晶空间光调制器(SLM)位于中继转像镜组最后一面与探测器像面之间的出瞳位置处；小口径局部放大镜组对一次中间像进行局部区域放大后会导致像面上局部放大区域的离焦以及系统产生的其他类型像差，从而影响局部放大区域图像的成像质量；根据局部放大区域的离焦量和光学系统出瞳位置处的波像差特性，通过软件编程控制出瞳位置处的透射式液晶空间光调制器(SLM)模拟具有一定光焦度的数字透镜和具有一定像差校正能力的像差校正器件，补偿局部放大区域光焦度的变化引起的离焦以及校正其他像差，从而实现光学系统局部放大区域的高分辨成像。
[0016] 本发明的具体设计方法如下：
[0017] 1.系统中小口径局部放大镜组的作用是实现对一次像面上中间像面的光学局部放大，采用光学设计软件zemax进行系统仿真设计，设计时将平板玻璃与小口径局部放大镜组的前表面紧密接触，将二者的间距设置为零，系统采用混合序列模式，设置小口径局部放大镜组的光学口径，实现系统全视场成像范围内局部区域的放大效果；
[0018] 2.为了实现系统的动态光学局部放大成像效果，在zemax软件的非序列元件编辑器中，通过改变小口径局部放大镜组的x，y方向的坐标位置，实现像面上图像不同位置的动态光学局部放大成像仿真效果；
[0019] 3.为了保证局部放大区域的成像质量，系统在出瞳位置采用透射式液晶空间光调制器(SLM)，在zemax软件中，采用zernike fringe phase面型来模拟透射式液晶空间光调制器(SLM)进行波像差的拟合和校正，并且将该面设置为具有一定曲率半径的面型，实现局部放大区域光焦度的变化引起的像面离焦；
[0020] 4.为了保证系统光学局部放大效果，系统选择性地对不同区域实现光学局部放大时，确定局部放大区域与全视场成像区域的比例以及局部放大倍率的原则是，不影响全视场内的目标信息，同时获得感兴趣区域的局部放大效果，满足该原则的光学局部放大系统才能得到较好的光学局部放大效果。
[0021] 通过以上的设计方法，本发明的小口径局部放大镜组扫描式的动态光学局部放大可适用于大视场光学系统像面上不同位置的局部放大高分辨成像，光学系统的局部放大区域的放大倍数取决于所设计的小口径局部放大镜组光焦度的大小以及小口径局部放大镜组与一次像面和中继转像镜组之间的间隔。系统结构简单、体积小、成本低。
[0022] 本发明的工作原理：物方场景需要局部放大区域的光线依次经过成像物镜、平板玻璃、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面得到局部放大区域高分辨的像；物方场景不需要局部放大区域的光线经过成像透镜、平板玻璃、中继转像镜组、透射式空间光调制器和探测器像面得到无放大的原始像，局部放大高分辨像与其他无放大的原始像重合于探测器像面。
[0023] 本发明的有益效果：本发明针对远距离目标探测的大视场与高分辨成像的矛盾问题，采用小口径局部放大镜组和透射式液晶空间光调制器(SLM)，实现大视场范围内远距离目标的动态局部高分辨成像，简化了系统结构，降低了系统的设计、加工与装调难度，可广泛应用于需要大视场目标探测、识别与跟踪的视频监控、预警探测以及战场侦查等领域。
附图说明
[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0025] 图1为已有技术的结构示意图。
[0026] 图中：1-前置倒装伽利略式望远系统，2-扫描伽利略式望远系统，3-聚焦系统。
[0027] 图2为本发明所述的动态局部放大高分辨成像系统结构示意图。
[0028] 图中：1-成像物镜，2-一次像面，3-平板玻璃，4-小口径局部放大镜组，5-中继转像镜组，6-透射式液晶空间光调制器(SLM)，7-探测器像面；
[0029] 图3为像面上中心位置区域的局部放大高分辨成像仿真效果。
[0030] 图4为小口径局部放大镜组y方向扫描的像面上中心上面位置区域的局部放大高分辨成像仿真效果。
[0031] 图5为小口径局部放大镜组x方向扫描像面上中心右边位置区域的局部放大高分辨成像仿真效果。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不能以此实施例数据限制本发明的保护范围。
[0033] 实施例如图2所示，本发明将可广泛应用于需要大视场目标探测、识别与跟踪的视频监控、预警探测以及战场侦查等领域。
[0034] 如图2所示，本发明的动态局部放大高分辨成像系统包括：成像物镜、一次像面、平板玻璃、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面，在光线的传播方向上，各组成部分按顺序依次排列。
[0035] 本实施方式所述的系统孔径光阑位于成像物镜的前表面上，物方光线经过成像物镜后成像在一次像面处，得到一次中间像，在一次像面上各视场的光线分别成像在不同的高度，在一次像面前后的附近位置各视场的光线是相对独立的，局部口径对应光学系统的局部成像区域，即局部成像视场。
[0036] 本实施方式所述的系统得到一次中间像后，在一次像面后附近的位置放置小口径局部放大镜组，可以改变整个光学系统的局部区域的光焦度，即改变整个光学系统的局部区域的放大倍率，实现对一次中间像局部区域的放大，从而实现整个光学系统的局部区域放大成像效果。
[0037] 本实施方式所述的平板玻璃是用于固定小口径局部放大镜组的透明平板玻璃，将小口径局部放大镜组置于平板玻璃上，并位于其中心位置，平板玻璃厚度为1mm，当光线经过平板玻璃上小口径局部放大镜组时，光线所对应区域的图像被放大，当光线经过平板玻璃上小口径局部放大镜组以外的区域时，光线不改变传播方向，平板玻璃在光路中不改变光学系统的光焦度也不引入任何像差，两部分光线经由中间转像系统进行二次成像，在探测器像面上得到最终的光学局部放大图像。
[0038] 本实施方式所述的平板玻璃和小口径局部放大镜组的z坐标保持不变，通过平板玻璃在xy平面内的x和y两个方向的二维移动扫描，且平板玻璃的二维移动扫描速度与探测器的采集速度匹配，可以实现平板玻璃上小口径局部放大镜组对一次中间像的二维扫描，得到整个光学系统的动态局部区域放大成像效果，实现动态光学局部放大。
[0039] 本实施方式所述的透射式液晶空间光调制器(SLM)是一个可以通过液晶分子调制光场某个参量的主动光学元件，可以软件编程控制其实现光场振幅或相位的调制，透射式液晶空间光调制器(SLM)位于出瞳位置处，通过软件编程控制出瞳位置处的透射式液晶空间光调制器(SLM)模拟具有一定光焦度的数字透镜和具有一定像差校正能力的像差校正器件，补偿局部放大区域光焦度的变化引起的离焦以及校正其他像差，从而实现光学系统局部放大区域的高分辨成像。
[0040] 本实施方式所述的系统仅采用在一次中间像面位置附近与出瞳位置放置简单的小口径局部放大镜组和可编程控制的透射式液晶空间光调制器(SLM)，就可以实现光学系统像面上不同位置局部区域的光学局部放大高分辨成像，像面上不同位置的局部放大高分辨成像仿真效果分别如图3，图4，图5所示。系统采用的光学器件数量少、结构简单、方便操作。
[0041] 本实施方式所述的动态局部放大高分辨成像系统具体光学设计方法如下：
[0042] 1.采用光学设计软件zemax进行系统的仿真设计，设计时系统的成像物镜、一次像面、平板玻璃、小口径局部放大镜组、中继转像镜组、透射式液晶空间光调制器(SLM)和探测器像面在光轴上按顺序依次排列，将平板玻璃与小口径局部放大镜组的前表面紧密接触，将二者的间距设置为零，采用混合序列模式，设置小口径局部放大镜组的光学口径，实现系统全视场成像范围内局部区域的放大效果；
[0043] 2.在zemax软件的非序列元件编辑器中，通过改变平板玻璃和小口径局部放大镜组的x，y方向的坐标位置，实现像面上图像不同位置的动态光学局部放大成像仿真效果，仿真得到三个不同位置的局部放大高分辨成像仿真结果分别如图3、图4、图5所示；
[0044] 3.在软件中，采用zernike fringe phase面型来模拟出瞳位置的透射式液晶空间光调制器(SLM)进行波像差的拟合和校正，并且将该面设置为具有一定曲率半径的面型，实现局部放大区域光焦度的变化引起的像面离焦；
[0045] 4.为了保证系统光学局部放大效果，系统选择性地对不同区域实现光学局部放大时，确定局部放大区域与全视场成像区域的比例以及局部放大倍率的原则是，不影响全视场内的目标信息，同时获得感兴趣区域的局部放大效果，通过小口径局部放大镜组的扫描可以选择性地对不同区域实现光学局部放大，并得到较好的光学局部放大效果。
