CN100447608C - 一种大景深数码望远镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的大景深数码望远镜系统，包括望远物镜、将望远物镜输出光分成两路的分光镜、目镜、光电转换器件、显示屏和连接输出终端的数字解调器，望远物镜的镜筒中具有孔径调制片，孔径调制片的一面满足方程z(x，y)＝ax²+by²+cx³+dy³+ex⁴+fy⁴，目镜安装在分光镜输出的一路光路上，光电转换器件安装在分光镜输出的另一路光路上，显示屏和数字解调器与光电转换器件的输出端相连。本发明的大景深数码望远镜系统利用孔径调制片对光瞳函数的调制来补偿视场变化带来的像差，从而达到景深延拓的目的。本发明结构简单、成本低，在不减小光通量、不调焦的前提下，解决了传统数码望远镜的小景深问题。

Description

一种大景深数码望远镜系统

技术领域

本发明涉及一种大景深数码望远镜系统，属于光学技术领域。

背景技术

17世纪第一台望远镜在欧洲诞生。经过近400年的发展，望远镜的成像质量日益提高。尤其是上个世纪末，光电转换器件的广泛应用和数字处理技术的不断更新，给这个古老的学科注入新的生命力。

望远镜技术在军事探测、天文观察、刑事勘测等方面有着广泛的应用。远方物体通过望远镜物镜所成的像，既可以通过目镜观察，也可以通过光电转换器件把远处物体的信息转化成数据流，输出到显示或打印等终端上。

小景深是传统的望远镜的一个重要问题。这是由望远镜的长焦距引起的。景深 $\mathrm{DOF}=|\frac{{\mathrm{af}}^{{\′}^2}}{f^{{\′}^2}-u^{\′}k(a+f^{\′})}-\frac{a{f}^{{\′}^2}}{f^{{\′}^2}+u^{\′}k(a+f^{\′})}|,$ 其中，a为物距，f′为像方焦距，u′为像方能容忍的最大弥散斑的直径，k为F#。那么像方焦距越大则景深越小。以焦距为280毫米的望远镜为例，目前观察范围可以达到150米到5000米，但这都是以调焦为前提的。也就是说，无法同时对5000m的物体和150米的物体清晰成像。事实上，在不调焦的前提下，它无法同时对5000m和800米的物体清晰成像，甚至无法同时对200米和150米的物体清晰成像。这显然是不利的，尤其是对于观察运动的物体更是不利。

一般采用孔径调制来拓展景深，它包括最常用的是减小相对孔径(即增大F#数)，也包括CDM公司提出的波前编码技术。

减小相对孔径虽然能够增大景深，但是却是以减小通光孔径、减小光通量为代价。在“Extended Depth of Field through Wavefront Coding，”Edward RDowski，Jr.and W.Thomas Cathey Appl.Opt.，34：1859-1866，1995这篇文章中提出用波前编码的技术来拓展景深。它通过在光阑处加上一个φ＝α(x³+y³)的相位片，然后对CCD或CMOS上得到的图像进行数字滤波，以此来达到拓展景深的要求。后期的数字图像处理耗时耗资源。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种用孔径调制免对焦的大景深数码望远镜系统。

本发明的大景深数码望远镜系统包括望远物镜，将望远物镜输出光分成两路的分光镜，目镜，光电转换器件，显示屏和连接输出终端的数字解调器，望远物镜的镜筒中具有孔径调制片，孔径调制片的一面满足方程z(x，y)＝ax²+by²+cx³+dy³+ex⁴+fy⁴，式中a，b，c，d，e，f分别为系数，x，y为孔径调制片的笛卡儿座标，z为孔径调制片在光轴方向的厚度，目镜安装在分光镜输出的一路光路上，光电转换器件安装在分光镜输出的另一路光路上，显示屏和数字解调器与光电转换器件的输出端相连。

上述的孔径调制片可以是构成望远物镜的透镜，或者也可以是装置在望远物镜中光瞳面上的透明板。对孔径调制片的材料没有特殊要求，普通玻璃和透明塑料都可以。

工作原理：

光学系统对物体成像质量的好坏是由光瞳函数决定，具有理想的光瞳函数的光学系统不具备任何像差。然而由于光学材料、波长、外界环境和加工工艺等因素的影响，任何系统都是存在像差的。视场和物距也是影响光瞳函数的重要原因之一。本发明的大景深数码望远镜通过孔径调制片对光瞳函数的调制，使得调制传递函数和点扩散函数对物距和视场不敏感。非相干光源产生的光线通过望远物镜后，由分光镜分成两路：一路经目镜到达人眼；另一路经光电转换器将物方图像转换成数据流。用户根据对获取图像质量的要求和处理时间的长短，既可以将不经解调的对分辨率要求较低的图像输出在显示屏上；也可以将经数字解调器解调后的高分辨率的图像输出至显示终端或打印终端。

本发明具有的有益效果是：

1.大景深数码望远镜系统通过对光瞳函数的调制来实现景深延拓，因此对光通量没有影响。

2.大景深数码望远镜系统利用孔径调制片对光瞳函数的调制来补偿视场变化带来的像差，从而可以实现轴上轴外像差一致。

3.通过在传统望远镜系统中加入一片孔径调制片，就可方便地升级成大景深数码望远镜系统。

4.用户根据对获取图像质量的要求和处理时间的长短可以选择对图像是否解调，使用自由度大。

5.加工容差较大，加工成本低。

附图说明

图1是本发明的大景深数码望远镜系统的一种具体结构示意图；

图2是本发明的大景深数码望远镜系统的另一种具体结构示意图；

图3是本发明的望远物镜在无穷远物距不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线；

图4是传统望远物镜在无穷远物距出不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线；

图5是本发明的望远物镜在1000米物距不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线；

图6是传统望远物镜在1000米物距出不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线；

图7是本发明的望远物镜在150米物距不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线；

图8是传统望远物镜在150米物距不同视场的子午弧矢方向调制传递函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1示出了大景深数码望远镜系统。包括望远物镜1，将望远物镜输出光分成两路的分光镜2，目镜3，光电转换器件4，显示屏5和连接输出终端的数字解调器6，图1所示具体实例中，望远物镜系统1由同轴线依次安装的第一透镜组8、孔径调制片7和第二透镜组9组成。其中孔径调制片7是装置在望远物镜1中光瞳面上的透明板。孔径调制片7的一面为平面，另一面满足方程z(x，y)＝ax²+by²+cx³+dy³+ex⁴+fy⁴，式中a，b，c，d，e，f为系数，x，y为孔径调制片的笛卡儿座标，z为孔径调制片在光轴方向的厚度，目镜3安装在分光镜2输出的一路光路上，光电转换器件4安装在分光镜2输出的另一路光路上，显示屏5和数字解调器6均与光电转换器件4的输出端相连。

孔径调制片或者也可以如图2所示，由构成望远物镜的第一透镜组8或第二透镜组9  中任意一块透镜的任意透光面A满足方程z(x，y)＝ax²+by²+cx³+dy³+ex⁴+fy⁴构成。

第一透镜组8和第二透镜组9分别是一个或多个光学元件(例如，多个透镜和/或多个反射镜)，在光学元件之间可以有折射和反射媒介(例如，固体、液体和/或气体)。分光镜可采用一个或多个光学器件(例如，多个棱镜、反射镜和/或半反半透镜)。光电转换器件可采用一个或多个光电传感器(例如CCD、CMOS、光电倍增管)。

实施例1

图1所示大景深数码望远镜系统的基本参数如下，F#为3，有效焦距为280毫米，物方视场角为1.8度。实施例中，孔径调制片的数学表达式为：

z(x，y)＝-5.081×10^-5x²-5.03 55×10^-5y²+3×10^-7x³+3×10^-7y³

-2.0556×10^-10x⁴-2.5979×10^-10y⁴

用不相干光源照明时，大景深数码望远物镜在无穷远物距、1000米物距和150米物距下，它们的不同视场的弧矢子午方向的调制传递函数曲线分别在图3、图5和图7中示出；为了比较，传统数码望远物镜在无穷远物距、1000米物距和150米物距下，它们的弧矢子午方向的调制传递函数曲线分别在图4、图6和图8中示出。在图3-图8中粗实线对应的是轴上弧矢方向调制传递函数，虚线对应的是轴上子午方向调制传递函数，细实线对应的是全视场弧矢方向调制传递函数，点划线对应的是全视场子午方向调制传递函数。

由图3可见，大景深数码望远物镜在无穷远物距下，轴上和全视场的弧矢子午方向的的调制传递函数吻合度很好，且数值较高，在70线对/毫米的空间频率处仍然能达到15％以上，且不存在零点。由图4可见，传统数码望远物镜在无穷远物距的调制传递函数数值较高，但轴上和全视场的曲线有所不同。

由图5可见，大景深数码望远物镜在1000米物距下，轴上和全视场的弧矢子午方向的调制传递函数吻合度仍然很好，数值较高，在70线对/毫米的空间频率处仍然能达到15％以上，且不存在零点。由图6可见，传统数码望远物镜在1000米物距的调制传递函数随着空间频率的增大有较大程度的下降，在50线对/毫米的空间频率处轴上弧矢子午方向的调制传递函数几乎为零值，且轴上和全视场的调制传递函数分歧较大。因此传统的望远物镜成像能力有较大幅度的下降。

由图7可见，大景深数码望远物镜在150米物距下，轴上和全视场的弧矢子午方向的调制传递函数吻合度仍然很好，数值较高，在70线对/毫米的空间频率处仍然能达到15％以上，且不存在零点。由图8可见，传统数码望远物镜在150米物距的调制传递函数随着空间频率的增大有非常大的下降，在15线对/毫米的空间频率处轴上、全视场的弧矢子午方向的调制传递函数都接近于零。此时传统的望远物镜几乎无法清晰成像。

由图3、图5、图7可见，大景深的数码望远镜物镜在无穷远物距、1000米物距和150米物距下，它们的轴上和全视场的弧矢子午方向调制传递函数的数值几乎相同，在30线对/毫米的空间频率下能达到30％，完全能够满足目镜系统和小屏显示的分辨率要求。在70线对/毫米的空间频率下调制传递函数超过15％，且不存在零点。

在空间频率域，数字解调器将调制传递函数乘以一函数(衍射受限的调制传递函数和大景深的数码望远物镜的调制传递函数之比)，使解调后的调制传递函数接近于受衍射限制的调制传递函数，以实现高分辨率。本领域的技术人员应该意识到，光学传递函数和点扩散函数分别表示镜头在空间频率域和空间域的传递信息的能力。它们可以通过傅里叶变换和反傅里叶变换互相转化，因此数字解调器实现包括空间频率域解调和/或空间域解调等解调方法。

由于本发明所述的大景深数码望远镜系统对物距和视场都不敏感，即对离焦相关像差和视场相关像差不敏感，故系统加工的容差比传统数码望远镜系统会大很多。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.大景深数码望远镜系统，其特征是包括望远物镜(1)，将望远物镜输出光分成两路的分光镜(2)，目镜(3)，光电转换器件(4)，显示屏(5)和连接输出终端的数字解调器(6)，望远物镜(1)的镜筒中具有孔径调制片(7)，孔径调制片(7)的一面满足方程z(x，y)＝ax²+by²+cx³+dy³+ex⁴+fy⁴，式中a，b，c，d，e，f分别为系数，x，y为孔径调制片的笛卡儿座标，z为孔径调制片在光轴方向的厚度，目镜(3)安装在分光镜(2)输出的一路光路上，光电转换器件(4)安装在分光镜(2)输出的另一路光路上，显示屏(5)和数字解调器(6)与光电转换器件(4)的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的大景深数码望远镜系统，其特征在于孔径调制片(7)是构成望远物镜(1)的透镜或者是装置在望远物镜(1)中光瞳面上的透明板。

3.根据权利要求1所述的大景深数码望远镜系统，其特征是在具有孔径调制片(7)的望远物镜(1)镜筒中，有第一透镜组(8)和第二透镜组(9)分别安装在孔径调制片(7)的两侧，并与孔径调制片(7)同轴线。

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