多孔径单探测器交叉视场成像系统

摘要

本发明公开了一种多孔径单探测器交叉视场成像系统，涉及光学成像技术领域，系统由一个中心光学成像系统和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定的向内侧交叉的水平夹角，目标发出的不同角度的平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。本发明无需额外加入后期数据处理即可一次成像得到探测器上各子图像的正确拼接图像，实现大视场、大相对孔径下的目标信息采集。

权利要求

1.一种多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述多孔径单探测器交叉视场成像系统由一个中心光学成像系统和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定的向内侧交叉的水平夹角，目标发出的不同角度的平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上；

所述中心光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二球面镜、第三球面镜和第四球面镜构成，光阑位于第二球面镜之后；透镜材料依次为N‑LAK12，SF4，N‑LAK12，LF5；第一球面镜口径为10mm，系统总长为31.93mm；

所述中心光学成像系统有效焦距f'＝25mm，入瞳直径φ＝9.6mm，系统F#＝2.6，视场为±10°×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.43；

所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二胶合镜、第三球面镜和光轴偏折棱镜构成，光阑位于第二胶合镜后；透镜及棱镜材料依次为N‑LAK33、H‑ZLAF90、ZF4、H‑LAK61、H‑K9L；第一球面镜口径为10mm，系统垂直于探测器方向上的总长为28.283mm；

所述旁侧光学成像系统有效焦距f'＝25mm，入瞳直径φ＝9.6mm，系统F#＝2.6；两个所述旁侧光学成像系统分别为左旁侧光学成像系统和右旁侧光学成像系统，所述右旁侧光学成像系统的视场为(+10°～+30°)×±10°，所述左旁侧光学成像系统的视场为(‑10°～‑

30°)×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.4；

所述多孔径单探测器交叉视场成像系统的尺寸在45mm×32mm×22mm范围内。

2.根据权利要求1所述的多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述目标位于无穷远处，且目标发出的光线波长范围覆盖可见光及近红外波长范围。

3.根据权利要求1所述的多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述中心光学成像系统的接收角度为±10°×±10°。

4.根据权利要求1所述的多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统的水平接收角度分别为‑10°～‑30°及+10°～+30°，垂直接收角度均为±10°。

5.根据权利要求1所述的多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统与中心光学成像系统光轴间水平夹角分别为±20°。

6.根据权利要求1所述的多孔径单探测器交叉视场成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。

说明书

多孔径单探测器交叉视场成像系统

[0001] 本发明是发明名称为“多孔径单探测器交叉视场成像系统”的分案申请，其中，母案的申请号为202010099623.4，申请日为2020.02.18。

技术领域

[0002] 本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种多孔径单探测器交叉视场成像系统。

背景技术

[0003] 多孔径成像系统是仿生昆虫复眼而设计制造的一种新型多光轴成像系统，相比于传统的单孔径单光轴成像系统，具有大视场、低像差、子孔径构成简单等优点。

[0004] 目前用于大视场要求的多孔径成像系统，多为多孔径多探测器的构成方式，造价高昂且系统庞大，而多孔径单探测器的构成方式更利于多孔径系统在便携式设备或夜视成像领域的推广应用。

[0005] 基于扩大视场的要求，多孔径光学系统需要进行曲面排布，而为了与平面的探测器相匹配，需要加入中继光学器件。已有的中继光学器件实现方案包括：折转透镜、微棱镜阵列、光敏聚合物波导、光纤面板，但要想投入实际应用，还需要充分考虑现有的硬件和器件水平来设计方案。另外多孔径单探测器光学成像系统，需要将同一个探测器不同区域处的各个子图像最终拼接为一副大视场图像，普遍使用的方法是不考虑一次成像在探测器上各子图像的衔接关系，利用后端图像处理进行子图像拼接。这种方法将前端光学系统的设计复杂度，转移到了后期电子学的处理中。

[0006] 大视场、大相对孔径的光学系统常采用的结构型式是双高斯型。镜组的光学元件以光阑为中心，形成近乎对称的结构布局，可以使轴外像差得到较好的校正。系统利用多孔径的构型分割视场后，可考虑采用匹兹伐型物镜或三分离式物镜。匹兹伐型物镜适合大相对孔径但中等或小视场的情况，结构简单经济。三分离物镜是一种结构最简单的照相物镜，对其进行复杂化，把前、后两个正透镜中的一个分成两个，可提高系统的相对孔径。另一类复杂化形式是将前、后两个正透镜中的一个或两个用双胶合透镜组代替，可在提高系统相对孔径和视场的同时改善边缘视场的成像质量。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种多孔径单探测器交叉视场成像系统，无需额外加入后期图像处理即可一次成像得到探测器上各子图像的正确拼接图像。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0009] 一种多孔径单探测器交叉视场成像系统，所述多孔径单探测器交叉视场成像系统由一个中心光学成像系统和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定的向内侧交叉的水平夹角，目标发出的不同角度的平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上；

[0010] 所述中心光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二球面镜、第三球面镜和第四球面镜构成，光阑位于第二球面镜之后；透镜材料依次为N‑LAK12，SF4，N‑LAK12，LF5；第一球面镜口径为10mm，系统总长为31.93mm；

[0011] 所述中心光学成像系统有效焦距f'＝25mm，入瞳直径φ＝9.6mm，系统F#＝2.6，视场为±10°×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.43；

[0012] 所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二胶合镜、第三球面镜和光轴偏折棱镜构成，光阑位于第二胶合镜后；透镜及棱镜材料依次为N‑LAK33、H‑ZLAF90、ZF4、H‑LAK61、H‑K9L；第一球面镜口径为10mm，系统垂直于探测器方向上的总长为28.283mm；

[0013] 所述旁侧光学成像系统有效焦距f'＝25mm，入瞳直径φ＝9.6mm，系统F#＝2.6；两个所述旁侧光学成像系统分别为左旁侧光学成像系统和右旁侧光学成像系统，所述右旁侧光学成像系统的视场为(+10°～+30°)×±10°，所述左旁侧光学成像系统的视场为(‑10°～‑30°)×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.4；

[0014] 所述中心光学成像系统的接收角度为±10°×±10°；所述多孔径单探测器交叉视场成像系统的尺寸在45mm×32mm×22mm范围内。

[0015] 可选地，所述目标位于无穷远处，且目标发出的光线波长范围覆盖可见光及近红外波长范围。

[0016] 可选地，所述旁侧光学成像系统的水平接收角度分别为‑10°～‑30°及+10°～+30°，垂直接收角度均为±10°。

[0017] 可选地，所述旁侧光学成像系统与中心光学成像系统光轴间水平夹角分别为±20°。

[0018] 可选地，所述旁侧光学成像系统含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。

[0019] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0020] 本发明提供一种结构相对简单且实现手段相对成熟的多孔径单探测器交叉视场成像系统，为研究多孔径单探测器光学成像设备提供可投入实际应用的可行性支持。应用本系统的右旁侧光学成像系统对左侧视场内目标成像，应用左旁侧光学成像系统对右侧视场内目标成像，所成的两副像与中心光学成像系统所成的像在同一个探测器上实现正确拼接获得水平大视场图像。本系统可实现大视场、大相对孔径下的目标信息采集。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。

[0022] 图1为多孔径单探测器交叉视场成像系统的立体结构示意图；

[0023] 图2为多孔径单探测器交叉视场成像系统的结构示意图；

[0024] 图3为多孔径单探测器交叉视场成像系统的孔径分布示意图；

[0025] 图4为多孔径单探测器交叉视场成像系统的成像拼接示意图；

[0026] 图5为多孔径单探测器交叉视场成像系统的中心光学系统结构图；

[0027] 图6为多孔径单探测器交叉视场成像系统的旁侧光学系统结构图。

具体实施方式

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 如图1‑2所示，本发明提供的多孔径单探测器交叉视场成像系统由一个中心光学成像系统1和二个旁侧光学成像系统2组成，中心光学成像系统1为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，二个旁侧光学成像系统2物方光轴与系统中心轴分别成‑20°和+20°夹角，像方光轴与系统中心轴平行且相对系统中心轴分别有±8.7mm的水平偏移。三个光学系统的像平面重合。

[0030] 各分立系统孔径大小及分布如图3所示，中心圆为中心光学成像系统1孔径，外侧二个圆为旁侧光学成像系统2孔径。各分立系统对物面成像的区域划分及最终像面上的成像拼接如图4所示。物面区域划分为三部分，分别为AB区、BC区、CD区，中心光学成像系统对BC区成倒像C′B′，左侧光学成像系统对CD区成倒像D′C′，右侧光学成像系统对AB区成倒像B′A′。三个分立系统所成的像最终在探测器上首尾衔接，正确拼接为一副大视场图像。各分立系统像面有所重合，在实际使用过程中需要在系统内部添加遮挡以将各像面分隔。

[0031] 本发明能够用于可见光至近红外波段0.48μm＜λ＜0.863μm的无穷远目标。

[0032] 中心光学成像系统1结构图如图5所示，采用匹兹伐型球面镜构成，光线依次通过第一球面镜1‑1、第二球面镜1‑2、第三球面镜1‑3和第四球面镜1‑4。球面镜1‑1和球面镜1‑3使用同种材料，为CDGM库下N‑LAK12材料，球面镜1‑2使用CDGM库下SF4材料，球面镜1‑4使用CDGM库下LF5材料。此中心光学成像系统1结构简单经济，成像质量达到使用要求。

[0033] 具体地，中心光学成像系统F#为2.6，有效焦距f′＝25mm，视场为±10°×±10°，经过设计可获得空间频率50lp/mm下中心视场MTF大于0.6且空间频率77lp/mm下中心视场MTF大于0.43的像质结果，满足像增强器或像元尺寸6.5μm×6.5μm探测器的匹配要求。中心光学成像系统光阑位于球面镜1‑2后，球面镜1‑1口径即该系统最大口径为10mm，系统总长31.93mm。

[0034] 旁侧光学成像系统2结构如图6所示，采用简单的三片式球面镜构成，并采用棱镜折转光轴，光线依次通过球面镜2‑1、双胶合球面镜组2‑2、球面镜2‑3和棱镜2‑4。球面镜2‑1采用CDGM库下H‑LAK33材料，双胶合球面镜组2‑2由CDGM库下的H‑ZLAF90和ZF4材料组成，球面镜2‑3和棱镜2‑4的材料依次为CDGM库下的H‑LAK61和H‑K9L。旁侧光学成像系统F#为2.6，有效焦距f′＝25mm，视场分别为(+10°～+30°)×±10°及(‑10°～‑30°)×±10°。经过设计可获得空间频率50lp/mm下中心视场MTF大于0.59且空间频率77lp/mm下中心视场MTF大于0.4的像质结果，满足像增强器或像元尺寸6.5μm×6.5μm探测器的匹配要求，与中心光学成像系统的像质区别，也符合中心高分辨率，边缘低分辨率的仿人眼要求。旁侧光学成像系统光阑位于双胶合球面镜组2‑2后，球面镜2‑1口径即该系统最大口径为10mm，系统沿垂直于探测器方向上的总长为28.283mm。

[0035] 本发明多孔径单探测器交叉视场成像系统仿照并列型复眼分割视场成像的形式，接收从无穷远处不同角度入射的平行光，分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。同时仿照人眼中心高分辨率，边缘低分辨率的特点，中心光学成像系统和旁侧光学成像系统采用不同的结构形式。其中，所述中心光学成像系统和旁侧光学成像系统均属于大相对孔径、中等视场的光学系统。中心光学成像系统构型为匹兹伐型，分为前后两个镜组，靠近物方的前镜组由第一球面镜1‑1和第二球面镜1‑2组成，后镜组由第三球面镜1‑3和第四球面镜1‑4组成，两镜组皆为正透镜组，两组之间有较大的空气间隔，光阑位于两镜组之间，该构型适合大相对孔径、中等视场的情况。旁侧光学成像系统构型为三片型，通过将其中一片镜组分裂为双胶合镜组，可减小系统可承担的F#。本发明以成像质量、简化结构和布局合理为出发点，结合中心高分辨率，边缘低分辨率的仿人眼特点，得到比较合适的设计结果，系统整体尺寸控制在45mm×32mm×22mm范围内。

[0036] 相比于现有技术，具体有如下优点：

[0037] (1)本发明提供的多孔径单探测器交叉视场成像系统中，目标发出的可见光或微光信息经过各个光学成像系统后在同一探测器像面不同区域成分立的三幅目标图像，旁侧光学系统所成的两副像与中心光学成像系统所成的像首尾相接形成水平大视场图像，主要用于位于无穷远处的可见光或微光目标，其核心设计为成像系统分割视场并交叉成像的结构实现方案和两套光学系统的简化，以能够在较为简单的光学结构下获得足够的视场和良好的成像结果。

[0038] (2)本发明采用结构简单的匹兹伐型物镜构成中心光学成像系统，采用三分离式物镜构成旁侧光学成像系统，能够获得水平全视场达60°的物方信息。其中，旁侧光学成像系统使用棱镜来偏折光轴，不影响系统的轴对称性。

[0039] (3)本发明系统整体成像质量较好，设计结果达到使用要求。

[0040] (4)本发明系统尺寸合理，便于后续的机械结构设计，具有一定的可行性。

[0041] (5)本发明利用交叉视场成像，无需额外加入数据处理即可一次成像得到探测器上各子图像的正确拼接图像。

[0042] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。