一種大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、航空偵察和地形測繪等領(lǐng)域。但由 于視場與分辨率之間存在相互制約的關(guān)系，一般不能僅通過一次曝光獲得寬幅高分辨圖 像。高分辨成像時如果要增大幅寬，一般采用機(jī)械掃描的方法。然而，掃描獲取寬幅圖像需 要的時間長，而且?guī)c幀之間存在時間間隔，因此這種方法僅對靜態(tài)場景有效。對于一些應(yīng) 用，比如大范圍持續(xù)監(jiān)視，在獲得大視場的同時還要保證不能丟失目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息，且必須 在單次曝光的時間范圍內(nèi)完成，只能采用面陣凝視成像。面陣凝視成像時若要同時獲得大 視場和高分辨率，像面上的像元數(shù)目必須達(dá)到10億級別。而當(dāng)前在單片像感器上像元數(shù)目 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個水平，必須進(jìn)行拼接。像感器拼接技術(shù)難度大，并直接增大了溫控難度和 相機(jī)研制難度。此外，從光學(xué)設(shè)計(jì)角度考慮，透鏡的分辨力要與10億像元像感器的分辨率 相匹配，在現(xiàn)有的技術(shù)水平條件下，設(shè)計(jì)和加工這種透鏡仍然是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果不同 視場位置的像差不同，組成多孔徑陣列的光學(xué)元件就會各不相同，且數(shù)目較多，加工和設(shè)計(jì) 的難度仍然很大。
[0003]總體來說，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，大視場高分辨成像主要有三大技術(shù)難點(diǎn)：1)當(dāng) 前單片像感器上的像元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到大視場高分辨成像要求的10億數(shù)量級；2)從光 學(xué)設(shè)計(jì)角度，由于像差的存在，設(shè)計(jì)和加工與10億像元像感器的分辨力相匹配的透鏡系統(tǒng) 是非常困難的；3)由于大視場高分辨成像獲得的照片的信息量巨大，對圖像傳輸和圖像處 理都提出了非常高的實(shí)時性要求，對當(dāng)前的技術(shù)水平來說，仍然是一大技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)，提供 了能與10億像元像感器相匹配的大視場分辨率的投影鏡頭，并在當(dāng)前的單片像感器上像 元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個水平的條件下，通過分割拼接重構(gòu)等手段，實(shí)現(xiàn)了具有10億像元 的大視場分辨率的完整圖像的整套解決方案。本發(fā)明的投影鏡頭實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的球面像 差、彗差、像散、，軸向色像差和倍率色像差等各項(xiàng)像差都得到良好校正，尤其對軸向色差的 二級光譜校正良好，又可以降低鏡頭的加工，測試和裝校的難度和成本。本發(fā)明應(yīng)用于生 物、遺傳、醫(yī)療和藥物等研宄與檢測技術(shù)的發(fā)展，高精度大視場光學(xué)檢測要求的投影物鏡需 求日益增強(qiáng)，目前同時具有寬光譜、高分辨、大視場3種性能的投影物鏡的設(shè)計(jì)和制造十分 困難，還少有先例。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)，其包括位于物面 (P1)與像面一（P2)之間的投影物鏡一（PRJ1)，其中：所述大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)還包括分 割透鏡陣列（LA)、成像透鏡陣列（PLA)、像感器陣列（P3A)、信號處理單元，所述信號處理單 元電性連接于像感器陣列（P3A);
[0006] 分割透鏡陣列（LA)米用若干分割透鏡陣列式布局，成像透鏡陣列（PLA)米用若干 成像透鏡陣列式布局，像感器陣列（P3A)采用若干像感器陣列式布局，這三個陣列中的每 個單元為相互對應(yīng)的一對一的映射關(guān)系；
[0007] 分割透鏡陣列（LA)位于像面一（P2)的附近，而成像透鏡陣列（PLA)、像感器陣列 (P3A)均位于像面一（P2)遠(yuǎn)離物面（P1)的一側(cè)；且分割透鏡陣列（LA)位于像面一（P2)附 近，成像透鏡陣列（PLA)還位于像面一（P2)與像感器陣列（P3A)之間；
[0008] 物面（P1)通過投影物鏡一（PRJ1)成像到中間像面的像面一（P2)，所述像面一 (P2)為中間像面，像面一（P2)被分割透鏡陣列（LA)分割成分視場陣列，再通過成像透鏡陣 列（PLA)成像到像感器陣列（P3A)的感光面，而使像感器陣列（P3A)采集到圖像信息陣列， 所述信號處理單元將所述圖像信息陣列以圖像處理方式獲得物面（P1)的寬視場高分辨率 計(jì)算攝像。
[0009] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，從物面（P1)到像面一（P2)，投影物鏡一（PRJ1)依次 包括前透鏡群組、分光器件一（BS1)、后透鏡群組；所述大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)還包括分光 器件二（BS2)、投影物鏡二（PRJ2)，從物面（P1)到一個像面二（P4)，所述前透鏡群組、分光 器件一（BS1)、分光器件二（BS2)、投影物鏡二（PRJ2)依次構(gòu)成成像系統(tǒng)。
[0010] 進(jìn)一步地，所述大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)還包括照明系統(tǒng)一、照明系統(tǒng)二中的至少 一者，以對物面（P1)提供照明；所述照明系統(tǒng)一含有多個波長不同的LED光源的至少一個 LED陣列光源、與所述至少一個LED陣列光源相對應(yīng)的至少一個LED光源聚光透鏡、與所述 至少一個LED光源聚光透鏡相對應(yīng)的且還與LED光源波長相關(guān)的至少一個2向分色器件； 所述LED陣列光源將多個不同波長的LED光源的多個不同光譜能量依次通過相應(yīng)的光源聚 光透鏡與相應(yīng)的2向分色器件匯集到相近位置和相近方向，并依次通過分光器件二（BS2)、 分光器件一（BS1)、所述前透鏡群組最終投射到物面（P1);所述照明系統(tǒng)二采用激光照明， 所述照明系統(tǒng)二的激光波面在像面二（P4)處與像面二（P4)平行或偏向一個角度，再依次 通過投影物鏡二（PRJ2)、分光器件二（BS2)、分光器件一（BS1)、所述前透鏡群組最終投射 到物面（P1)。
[0011] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)還包括照明系統(tǒng)一、照 明系統(tǒng)二中的至少一者，以對物面（P1)提供照明；所述照明系統(tǒng)一含有多個波長不同的 LED光源的至少一個LED陣列光源、與所述至少一個LED陣列光源相對應(yīng)的至少一個LED光 源聚光透鏡、與所述至少一個LED光源聚光透鏡相對應(yīng)的且還LED光源波長相關(guān)的至少一 個2向分色器件；所述LED陣列光源將多個不同波長的LED光源的多個不同光譜能量依次 通過相應(yīng)的光源聚光透鏡與2向分色器件匯集到相近位置和相近方向，并依次通過分光器 件一（BS1)、所述前透鏡群組最終投射到物面（P1);所述照明系統(tǒng)二采用激光照明，所述照 明系統(tǒng)二依次通過分光器件一（BS1)、所述前透鏡群組最終投射到物面（P1)。
[0012] 再進(jìn)一步地，所述大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)包括所述照明系統(tǒng)一時，所述照明系統(tǒng) 一通過分時選擇和切換不同的LED光源的開關(guān)與強(qiáng)弱的方式，來改變照明光的光譜；所述 信號處理單元分別采集不同光譜的照明光時的像感器陣列（P3A)的圖像信息陣列，再通過 圖像處理方式獲得物面（P1)的寬視場高分辨率計(jì)算攝像。
[0013] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，從物面（P1)到像面一（P2)，投影物鏡一（PRJ1)依次 包括第一鏡組（G1)、分光器件一（BS1)、第二鏡組（G2)、第三鏡組（G3);
[0014] 在第二鏡組（G2)中，滿足關(guān)系式：Vd= (nd- lV(nF - nC)，nd< 1.65 且 Vd> 62的正透鏡最少有兩個，nd > 1. 50且Vd < 55的負(fù)透鏡最少有一個；其中，Vd為色散系數(shù)、 體現(xiàn)光學(xué)材料的色散程度的常數(shù)，nF為波長486nm的F線折射率，nd為波長587nm的d線折 射率，nC為波長656nm的C線折射率；且至少含有兩個空氣透鏡滿足關(guān)系式：| (r21-r22)/ (r21+r22) |〈0. 6，| (Vd21-Vd22) | > 28，| (nd21-nd22) | > 0? 09 ;其中，r21、r22 分別為空 氣透鏡兩側(cè)的透鏡表面的曲率半徑，Vd21、Vd22分別為空氣透鏡兩側(cè)的透鏡的色散系數(shù)， nd21、nd22分別為空氣透鏡的兩側(cè)的透鏡的d線折射率；
[0015] 在第三鏡組（G3)中，含有一對互相面對的凹面一，且所述一對互相面對的凹面一 之間至少含有一個負(fù)透鏡，且所述負(fù)透鏡含有面向物面的凹面二；第三鏡組（G3)還滿足關(guān) 系式：至少含有一個正透鏡和一個負(fù)透鏡滿足ndp > ndn，至少含有一個正透鏡和一個負(fù)透 鏡滿足Vdp < Vdn ;其中，ndp為所述正透鏡的d線折射率，ndn為所述負(fù)透鏡的d線折射 率，Vdp為所述正透鏡的色散系數(shù)，Vdn為所述負(fù)透鏡的色散系數(shù)；
[0016]第一鏡組（G1)、第二鏡組（G2)、第三鏡組（G3)各鏡組之間滿足關(guān)系式：0.3〈fl/ fa〈2. 8,0. 25〈f2/fa〈2. 5,0. 25〈-f3/fa〈5. 5;其中，fl 為第一鏡組（G1)的組合焦距，f2 為 第二鏡組（G2)的組合焦距，f3為第三鏡組（G3)的組合焦距，fa為整個投影物鏡的組合焦 距。
[0017] 進(jìn)一步地，所有透鏡表面為球面，不含有非球面，第二鏡組和第三鏡組為不含有膠 合面的單透鏡組成。
[0018] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，投影物鏡一（PRJ1)在分視場陣列的每個視場位置 的分辨率接近光學(xué)衍射極限；分割透鏡陣列（LA)、成像透鏡陣列（PLA)、像感器陣列（P3A) 中各個單元具有相同的光學(xué)參數(shù)和元件，且獨(dú)立于投影物鏡一（PRJ1)的獨(dú)自校正光學(xué)像 差。
[0019] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，分割透鏡陣列（LA)的各個單元為相同的正四邊形、 正六邊形或長方形，且相互連接為一體結(jié)構(gòu)。
[0020] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，分割透鏡陣列（LA)的各個單元面向物面（P1)的表 面曲率半徑不大于面向成像透鏡陣列（PLA)的表面曲率半徑，且分割透鏡陣列（LA)在成像 透鏡陣列（PLA)側(cè)的各個單元表面為球面，且各單元球面的球心位置相同。
[0021] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 1，提供了能與10億像元像感器相匹配的大視場分辨率的投影鏡頭，并在當(dāng)前的 單片像感器上像元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個水平的條件下，通過分割拼接重構(gòu)等手段，實(shí)現(xiàn) 了具有10億像元的大視場分辨率的完整圖像的整套解決方案；
[0023] 2,同時具有寬光譜、高分辨、大視場3種特性，設(shè)計(jì)的難度很大，目前還少有先例； 投影物鏡1的中間像具有良好的遠(yuǎn)心效果，為以后的取像提供了良好條件；
[0024] 3、投影物鏡一（PRJ1)整個視場的不同位置分辨率接近光學(xué)衍射極限，因?yàn)橄癫?足夠小，且十分接近，所以可以使用相同光學(xué)參數(shù)和元件的分視場成像鏡頭陣列單元，大幅 度降低了分視場成像鏡頭陣列的加工和裝校的難度和成本；
[0025] 4,投影物鏡的最大光學(xué)口徑只有像方全視場口徑的60%左右，大幅度降低了投 影物鏡的制造成本和難度，而普通像方遠(yuǎn)心投影物鏡的最大光學(xué)口徑是像方全視場口徑的 100%以上，制造成本高而且制造難度大；
[0026] 5,投影物鏡一（PRJ1) 口徑小，不包含非球面鏡片，大幅度降低了加工，檢測和裝 校的難度和成本；
[0027] 6,系統(tǒng)擴(kuò)展性能良好，可以實(shí)現(xiàn)多種同軸落射照明。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例提供的大視場高分辨光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2為空