專利名稱：一種新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于計(jì)算成像技術(shù)的大視場(chǎng)、高分辨率、低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的新型光學(xué)成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人類進(jìn)入空間、利用空間能力的不斷增強(qiáng)，人類已經(jīng)歷進(jìn)入空間-利用空間-監(jiān)視空間的階段，正步入控制空間的時(shí)代。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的需要，對(duì)高分辨率、大視場(chǎng)的平流層空中監(jiān)視系統(tǒng)、天基大范圍目標(biāo)搜索系統(tǒng)的需求越來(lái)越迫切，然而傳統(tǒng)的大視場(chǎng)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這樣的要求。傳統(tǒng)的大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)主要有小視場(chǎng)高分辨率掃描成像、魚眼透鏡超半球凝視成像、環(huán)帶凝視全景成像三種。但是，它們都有著其各自的缺點(diǎn)，小視場(chǎng)高分辨率掃描成像必須具有復(fù)雜的掃描機(jī)構(gòu)，直接導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低，同時(shí)也大大降低了系統(tǒng)的可靠性；魚眼透鏡雖可實(shí)現(xiàn)超過(guò)180°的大視場(chǎng)成像，但其邊緣視場(chǎng)存在著很大的畸變，邊緣視場(chǎng)的照度較低，整個(gè)像面上無(wú)法形成一致分辨率；環(huán)帶凝視成像系統(tǒng)圍繞光學(xué)系統(tǒng)光軸360°范圍的圓柱視場(chǎng)投影到二維平面上的一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)，雖可實(shí)現(xiàn)360°環(huán)帶空間的全景實(shí)時(shí)成像，但它只能對(duì)環(huán)帶視場(chǎng)成像，成像系統(tǒng)存在中心盲區(qū)，系統(tǒng)的雜散光嚴(yán)重，分辨率大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種大視場(chǎng)、高分辨率的新型光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，包括共用主鏡、微透鏡陣列以及探測(cè)器陣列；共用主鏡采用單心球鏡結(jié)構(gòu)，共用主鏡中心為由兩個(gè)半球鏡組成的單心球鏡，其中一個(gè)半球鏡的外側(cè)包覆著第一彎月形透鏡，第一彎月透形鏡外側(cè)包覆著第二彎月形透鏡；另一個(gè)半球鏡的外側(cè)包覆著第三彎月形透鏡，第三彎月形透鏡的外側(cè)是空氣層，空氣層的外側(cè)是第四彎月形透鏡；第一彎月形透鏡、第二彎月形透鏡、第三彎月形透鏡、第四彎月形透鏡對(duì)接粘連在一起，包覆在單心球鏡周圍；探測(cè)器陣列和微透鏡陣列均勻分布在所述共用主鏡同一側(cè)的與單心球鏡同心的兩個(gè)不同球面上；不同視場(chǎng)的光線從物方入射至共用主鏡，經(jīng)過(guò)共用主鏡透射后到達(dá)至微透鏡陣列，再經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)行二次透射后到達(dá)至探測(cè)器陣列并成像；微透鏡陣列中的每個(gè)微透鏡及對(duì)應(yīng)的探測(cè)器陣列中的探測(cè)器與共用主鏡構(gòu)成一個(gè)子光路，各子光路所成子圖像拼接后獲得完整的圖像。所述的第一彎月形透鏡材料為KZFS6，第二彎月形透鏡材料為N-LAK33A，球鏡的材料為CAF2，第三彎月形透鏡材料為N-LAF34，第四彎月形透鏡材料為L(zhǎng)AKL21。所述的微透鏡陣列中各個(gè)微透鏡完全相同，每個(gè)微透鏡將共用主鏡大視場(chǎng)分為4.6°的小視場(chǎng)。微透鏡陣列中的每一個(gè)微透鏡包括4片從左至右依次排列的材料分別為BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9 的薄透鏡。所述的探測(cè)器陣列中的各個(gè)探測(cè)器完全相同。所述的探測(cè)器為面陣CMOS探測(cè)器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明采用的探測(cè)器陣列與微透鏡陣列一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)探測(cè)器獲取一個(gè)小視場(chǎng)，焦面近似為球面，探測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)多個(gè)小視場(chǎng)的拼接，從而實(shí)現(xiàn)超大視場(chǎng)，理論上甚至可以實(shí)現(xiàn)180度視場(chǎng)。(2)本發(fā)明共用主鏡由單球鏡和4片同心彎月形透鏡組成，相對(duì)于傳統(tǒng)的單心光學(xué)系統(tǒng)而言，提高了分辨率，其色差也可以控制的很小。(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，因此沒(méi)有慧差、像散、畸變等與視場(chǎng)相關(guān)的像差；在大視場(chǎng)條件下不用考慮視場(chǎng)的均勻性問(wèn)題，在全視場(chǎng)上具有一致分辨率以及均勻的相對(duì)照度。(4)本發(fā)明根據(jù)計(jì)算成像技術(shù)，共用主鏡采用球鏡，在共用主鏡一次像面后引入對(duì)應(yīng)每個(gè)探測(cè)器的微透鏡陣列作為二級(jí)光學(xué)系統(tǒng)，改變微透鏡參數(shù)使相鄰探測(cè)器的視場(chǎng)重疊，從而解決了傳統(tǒng)單心光學(xué)系統(tǒng)相機(jī)相鄰探測(cè)器之間存在死區(qū)的問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本發(fā)明共用主鏡光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線；圖3為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線；
具體實(shí)施例方式對(duì)于傳統(tǒng)空間相機(jī)，設(shè)計(jì)與制造一個(gè)小孔徑、小視場(chǎng)的系統(tǒng)相對(duì)容易。然而，隨著孔徑和視場(chǎng)的增大，相機(jī)的設(shè)計(jì)、加工以及裝調(diào)難度都急劇提高。計(jì)算成像技術(shù)突破了傳統(tǒng)相機(jī)的缺陷，將相機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件方法結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)相機(jī)不能或很難實(shí)現(xiàn)的成像功能。這些成像功能表現(xiàn)在圖像的視場(chǎng)、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍等。運(yùn)用計(jì)算成像技術(shù)，可以制造出擁有低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、大視場(chǎng)且高分辨率的相機(jī)。如圖1所示，一種新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)包括共用主鏡、微透鏡陣列以及探測(cè)器陣列。所述的共用主鏡采用單心球鏡結(jié)構(gòu)，共用主鏡中心為由兩個(gè)半球鏡組成的單心球鏡，球鏡的一側(cè)包覆著第一彎月形透鏡，第一彎月透形鏡外側(cè)包覆著第二彎月形透鏡；球鏡的另一側(cè)包覆著第三彎月形透鏡，第三彎月形透鏡的外側(cè)是空氣層，空氣層的外側(cè)是第四彎月形透鏡；第一彎月形透鏡、第二彎月形透鏡組成的半圓形球殼與第三彎月形透鏡、第四彎月形透鏡組成的半圓形球殼對(duì)接粘連在一起；不同視場(chǎng)的光線從物方入射至共用主鏡，經(jīng)過(guò)共用主鏡透射后到達(dá)至微透鏡陣列；利用小孔徑透鏡校正波面的能力比大口徑透鏡的校正能力強(qiáng)的特點(diǎn)，光線經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)行二次透射，進(jìn)一步校正共用主鏡像差；二次透射后的光線到達(dá)至探測(cè)器陣列并成像。微透鏡陣列中的每個(gè)微透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)4.6°的小視場(chǎng)，調(diào)整微透鏡參數(shù)，改變系統(tǒng)放大率從而使相鄰探測(cè)器的視場(chǎng)重疊；每個(gè)微透鏡及其對(duì)應(yīng)的探測(cè)器作為共用主鏡的一個(gè)子光路，所成圖像為完整圖像的一幅子圖像。
對(duì)于一個(gè)IOOmm 口徑的球鏡，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，會(huì)有大小為1. 5mm的色度離焦。然而，大多數(shù)色度離焦帶來(lái)的像面模糊都集中在色度通道。因?yàn)槿搜蹖?duì)色度通道的帶來(lái)的像面模糊不敏感，因此軸向色差帶來(lái)的像質(zhì)下降不明顯。但是，在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中依然采用以CaF2為代表的多種不同材料的透鏡組合，盡可能的消除色差對(duì)圖像像質(zhì)的影響。本實(shí)施方案中，如圖3所示，光學(xué)系統(tǒng)共用主鏡采用單心球鏡結(jié)構(gòu)形式，用于校正色差及場(chǎng)曲以外的其它單色像差，共用主鏡中心的兩個(gè)半球鏡的材料為CAF2，第一彎月形透鏡到第四彎月形透鏡的材料依次分別為KZFS6、N-LAK33A、N-LAF34、LAKL21。微透鏡由4片透鏡組成，用于校正主鏡場(chǎng)曲，為探測(cè)器陣列提供平像面，每個(gè)微透鏡將主鏡大視場(chǎng)分為
4.6°的小視場(chǎng)，透鏡材料從左至右依次排列為BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示
權(quán)利要求
1.一種新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于包括共用主鏡、微透鏡陣列以及探測(cè)器陣列；共用主鏡采用單心球鏡結(jié)構(gòu)，共用主鏡中心為由兩個(gè)半球鏡組成的單心球鏡，其中一個(gè)半球鏡的外側(cè)包覆著第一彎月形透鏡，第一彎月透形鏡外側(cè)包覆著第二彎月形透鏡；另一個(gè)半球鏡的外側(cè)包覆著第三彎月形透鏡，第三彎月形透鏡的外側(cè)是空氣層，空氣層的外側(cè)是第四彎月形透鏡；第一彎月形透鏡、第二彎月形透鏡、第三彎月形透鏡、第四彎月形透鏡對(duì)接粘連在一起，包覆在單心球鏡周圍；探測(cè)器陣列和微透鏡陣列均勻分布在所述共用主鏡同一側(cè)的與單心球鏡同心的兩個(gè)不同球面上；不同視場(chǎng)的光線從物方入射至共用主鏡，經(jīng)過(guò)共用主鏡透射后到達(dá)至微透鏡陣列，再經(jīng)過(guò)微透鏡陣列進(jìn)行二次透射后到達(dá)至探測(cè)器陣列并成像；微透鏡陣列中的每個(gè)微透鏡及對(duì)應(yīng)的探測(cè)器陣列中的探測(cè)器與共用主鏡構(gòu)成一個(gè)子光路，各子光路所成子圖像拼接后獲得完整的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的第一彎月形透鏡材料為KZFS6，第二彎月形透鏡材料為N-LAK33A，球鏡的材料為CAF2,第三彎月形透鏡材料為N-LAF34，第四彎月形透鏡材料為L(zhǎng)AKL21。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的微透鏡陣列中各個(gè)微透鏡完全相同，每個(gè)微透鏡將共用主鏡大視場(chǎng)分為4. 6°的小視場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的微透鏡陣列中的每一個(gè)微透鏡包括4片從左至右依次排列的材料分別為BAK4、UK50、P-PK53、N-LAK9的薄透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的探測(cè)器陣列中的各個(gè)探測(cè)器完全相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的探測(cè)器為面陣CMOS探測(cè)器。
全文摘要
一種新型高分辨率大視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)，采用共用主鏡、微透鏡陣列、探測(cè)器陣列的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。共用主鏡采用單心球鏡結(jié)構(gòu)，共用主鏡中心為一球鏡，兩側(cè)分別包覆有兩片彎月形透鏡；入射光線分別通過(guò)共用主鏡、微透鏡陣列，最終到達(dá)探測(cè)器陣列上成像，通過(guò)計(jì)算成像技術(shù)對(duì)各子圖像進(jìn)行圖像復(fù)原(消除球差對(duì)圖像像質(zhì)的影響)，將各個(gè)子圖像進(jìn)行配準(zhǔn)復(fù)合后獲得一幅完整的清晰圖像。本發(fā)明結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，視場(chǎng)理論上能達(dá)到180°，且全視場(chǎng)具有一致分辨率，結(jié)合計(jì)算成像后期圖像處理技術(shù)，系統(tǒng)分辨率理論上能接近衍射極限。本發(fā)明具有超大視場(chǎng)、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于空間目標(biāo)大范圍搜索及發(fā)現(xiàn)、平流層空中監(jiān)視等。
文檔編號(hào)G02B1/00GK103064171SQ20121038027
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者戚均愷, 姚罡, 周峰, 呂紅, 阮寧娟, 莊緒霞, 湯天瑾, 章沁 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所