CN104155758B - 一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法及系统，其中，该方法包括：入射光线经由一由两组对称的透镜进行胶合组成的球形透镜，射入所述球形透镜所产生的匹兹万面上；所述光线经过所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端后，经由耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上的传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。通过采用本发明公开的方法及系统实现了大视场、高分辨率的成像效果，且大大降低大视场成像系统的成本。

Description

一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统

技术领域

本发明涉及曲面焦平面成像技术领域，尤其涉及一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统。

背景技术

曲面焦平面成像技术仿照视网膜成像机理(如图1a所示)，入瞳光线经过球形透镜后汇聚于一个弯曲的焦平面阵列上。如图1b所示，在曲面焦平面成像系统中，球形透镜1相当于晶状体，光阑2相当于瞳孔，而曲面焦平面阵列相当于视网膜。该曲面阵列的形状与光学系统的匹兹万面3匹配，并和理想成像的高斯像面相切。采用曲面焦平面阵列的成像系统可利用球形透镜中心处的光阑，将各个方向的入射光线等效为近轴光，消除了除场曲之外几乎所有其他类型的离轴像差(慧差、像散、畸变等)，通过简单的透镜系统便可获得大视场、高通量和高分辨率的成像能力。

而传统的成像系统(如图2所示)采用的焦平面阵列多为平面形状，受到与视场相关的像差制约，此类成像系统的视场角通常不会很大，为了获得大的刈幅宽度普遍采用多台独立相机进行视场拼接。若要通过单个成像系统扩大视场，设计者必须引入额外的透镜。该过程不但复杂，对视场的提升空间也较为有限，而且整个成像系统的体积、质量和成本也随之增加。过多的透镜组还会衰减入射光通量，影响成像效果。此外，受透镜边缘的影响，入射角度越大的光线在焦平面上汇聚的能量也越小，导致成像系统所得图像边缘处的亮度随视场增大逐渐减小，即“渐晕”现象。

曲面焦平面阵列的组成形式是曲面焦平面成像系统的核心组成，也是限制该成像技术应用和发展的最大瓶颈。目前主要有如下三种实现曲面焦平面阵列的实现方案。

第一种实现曲面焦平面阵列的方法是将多块平面CCD(电荷耦合元件)拼接在曲面衬底上，将其拟合成一个曲面阵列。该方案对各个平面CCD的位置和姿态校正与检测精度要求较高，并且可获得的焦平面阵列曲率半径通常比较大，提升视场的空间有限。

第二种方案是“单心多级”式设计。“单心”指球形主镜，“多级”指数个相同的围绕主镜呈辐射状排列的微相机，微相机的光轴与主镜匹兹万面垂直。但是，该结构中各个微相机的检测和装配精度要求较高；控制与处理硬件体积庞大笨重且复杂，整个系统的一致性和稳定性差。

第三种方案是直接采用球形透镜配合曲面形状的焦平面CCD阵列。但是曲面CCD阵列的制造工艺非常复杂，成本较高，而且对成品CCD的检测和装配调试技术也提出了苛刻的要求。此外，固定的曲面形状也限制了镜头的选择与组合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统，实现了大视场、高分辨率的成像效果，且大大降低大视场成像系统的成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法，该方法包括：

入射光线经由一由两组对称的透镜进行胶合组成的球形透镜，射入所述球形透镜所产生的匹兹万面上；

所述光线经过所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端后，经由耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上的传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像系统，该系统包括：

球形透镜，由两组对称的透镜进行胶合组成；

匹兹万面，为所述球形透镜所产生，入射光线经由所述球形透镜，射入所述匹兹万面上；

传像光纤束输入端，设置于所述匹兹万面上；

传像光纤束输出端，耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上；

所述光线经过所述传像光纤束输入端后，经由传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法所实现的曲面焦平面阵列与匹兹万面相匹配，能够大大简化光学系统的设计难度，减小系统的体积和重量；并采用胶合的球形透镜作为唯一的折射元件，介质和空气界面对光线的衰减作用被控制在最小值，整个系统的透过率大于95％。同时任意视场的光线几乎均垂直于球形透镜的表面入射和出射，最大程度地减小了“渐晕”对边缘视场成像效果的影响；且利用传像光纤束和平面CCD阵列制造工艺成熟的优势，有效降低了技术成本；同时，光纤束输入端面的匹配方便灵活，可根据不同成像系统的匹兹万曲面进行调整；此外，传像光纤束即是光线的接收器，又是图像的传导通道，因光纤的柔然特性和无源特性，能够实现复杂空间环境的成像探测，具有广泛的适用性和良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1a为本发明背景技术提供的视网膜成像机理的示意图；

图1b为本发明背景技术提供的曲面焦平面成像系统成像原理的示意图；

图2为本发明背景技术提供的传统的成像系统的示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法的流程图；

图4为本发明实施例一提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法的示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法的示意图；

图6为本发明实施例一提供的基于本发明所述方案的传递函数曲线图；

图7为本发明实施例一提供的基于本发明所述方案的点列图；

图8为本发明实施例二提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像系统的示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图3为本发明实施例一提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法的流程图。如图2所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤31、入射光线经由一由两组对称的透镜进行胶合组成的球形透镜，射入所述球形透镜所产生的匹兹万面上。

步骤32、所述光线经过所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端后，经由耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上的传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

其中，所述传像光纤束输入端可呈辐射状排布于所述匹兹万面上；或者，所述传像光纤束输入端排布于所述匹兹万面上，且与所述匹兹万面具有一致的曲面形状。

当所述传像光纤束输入端呈辐射状排布于所述匹兹万面上时，所述传像光纤束输入端面与入射光线垂直，并和所述匹兹万面相切；此外，所述传像光纤束输入端还可以正六边形密集排布或方形排布在所述匹兹万面上。

进一步的，如图4-5所示，分别为基于两种传像光纤束输入端排布方式来实现大视场曲面焦平面成像的示意图。图4中，所述传像光纤束输入端可呈辐射状排布于所述匹兹万面上；具体来说，光学镜头可选择两组对称的透镜进行胶合，组合成一个球形透镜1，传像光纤束输入端3呈辐射状排布于球形透镜1所产生的匹兹万面2上，而与之对应的光纤束输出端4则耦合到平面CCD(电荷耦合元件)阵列5上。传像光纤束输入端面与入射主光线垂直，并和匹兹万面3相切，排布方式可为正六边形密集排布或方形排布。探测目标的光线经球形透镜1汇聚于匹兹万面3上并进入光纤内部，通过光纤的全反射将光学图像导出后，再由平面CCD阵列的光电效应生成数字图像。

图5中，所述传像光纤束输入端排布于所述匹兹万面上，且与所述匹兹万面具有一致的曲面形状。其他结构与图4中类似，且附图标记也与图4类似。采用这种结构亦可保证主光线能够垂直入射到光纤内部，另外因光纤束输入端面的面积随着视场增大而变大，虽然因此输出端的图像分辨率并不均匀，而是从中心到边缘趋于减小；但是，图像分辨率的不均匀性可通过插值或其他方法重构来消除。

示例性的，本发明实施例所述的各个元件可采用如下参数，球形透镜焦距为100mm，相对孔径1/4，视场角122.4°；传像光纤束的单纤直径为12μm，数值孔径NA＝0.56；平面CCD阵列的像素尺寸12μm×12μm，光敏面尺寸24.4mm×24.6mm，采用9片CCD进行像面拼接。成像系统的瞬时视场角IFOV＝0.0068°，当成像距离为5km时，空间分辨率达0.6m。

此外，各个元件的详细参数可如表1所示：

其中，表面类型中的“1-5”对应于图4图与5附图标记1所示的球形透镜各分镜片的表面，其中表面3为孔径光阑；6-IMA为匹兹万面，对应于图4图与5附图标记2。

进一步的，还基于本发明实施例的方案进行了模拟验证。验证结果如图6-图7所示。图6为本采用本发明实施例方案的传递函数曲线图，如图6所示，在奈奎斯特频率(spatial frequency in cycles)50lp/mm处，接近衍射极限，成像质量良好；图7为采用本发明实施例方案的点列图，如图7所示，根据ZEMAX光学设计软件计算可知，光斑RMS(均方根)直径最大为2.9um，远小于探测器像元尺寸。

本发明实施例相对于现有技术而言主要具有如下优点：

1)本发明利用曲面焦平面成像技术，相比传统的平面成像系统，能够提供更大的视场和更高的分辨率。

2)本发明所实现的曲面焦平面阵列与匹兹万面相匹配，能够大大简化光学系统的设计难度，减小系统的体积和重量。

3)系统采用胶合的球形透镜作为唯一的折射元件，介质和空气界面对光线的衰减作用被控制在最小值，整个系统的透过率大于95％。同时任意视场的光线几乎均垂直于球形透镜的表面入射和出射，最大程度地减小了“渐晕”对边缘视场成像效果的影响。

4)利用传像光纤束和平面CCD阵列制造工艺成熟的优势，有效降低了技术成本。

5)光纤束输入端面的匹配方便灵活，可根据不同成像系统的匹兹万曲面进行调整。

6)传像光纤束既是光线的接收器，又是图像的传导通道。因光纤的柔然特性和无源特性，能够实现复杂空间环境的成像探测，具有广泛的适用性和良好的应用前景。

实施例二

图8为本发明实施例二提供的一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像系统的示意图。如图8所示，该系统主要包括：

球形透镜81，由两组对称的透镜进行胶合组成；

匹兹万面82，为所述球形透镜所产生，入射光线经由所述球形透镜，射入所述匹兹万面上；

传像光纤束输入端83，设置于所述匹兹万面上；

传像光纤束输出端84，耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列85上；

所述光线经过所述传像光纤束输入端后，经由传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

进一步的，所述传像光纤束输入端83，设置于所述匹兹万面82上包括：所述传像光纤束输入端83呈辐射状排布于所述匹兹万面82上；或者，所述传像光纤束输入端83排布于所述匹兹万面82上，且与所述匹兹万面82具有一致的曲面形状。

进一步的，所述传像光纤束输入端83呈辐射状排布于所述匹兹万面82上包括：

所述传像光纤束输入端面与入射光线垂直，并和该匹兹万面相切。

进一步的，所述传像光纤束输入端83呈辐射状排布于所述匹兹万面82上包括：以正六边形密集排布或方形排布。

需要说明的是，上系统中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法，其特征在于，该方法包括：

入射光线经由一由两组对称的透镜进行胶合组成的球形透镜，射入所述球形透镜所产生的匹兹万面上；

所述光线经过所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端后，经由耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上的传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像；

其中，当所述传像光纤束输入端呈辐射状排布于所述匹兹万面上时，所述传像光纤束输入端面与入射光线垂直，并和所述匹兹万面相切；且所述传像光纤束输入端以正六边形密集排布或方形排布在所述匹兹万面上；

各个元件采用如下参数：球形透镜焦距为100mm，相对孔径1/4，视场角122.4°；传像光纤束的单纤直径为12μm，数值孔径NA＝0.56；平面CCD阵列的像素尺寸12μm×12μm，光敏面尺寸24.4mm×24.6mm，采用9片CCD进行像面拼接；成像系统的瞬时视场角IFOV＝0.0068°，当成像距离为5km时，空间分辨率达0.6m。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端包括：

所述传像光纤束输入端呈辐射状排布于所述匹兹万面上；

或者，所述传像光纤束输入端排布于所述匹兹万面上，且与所述匹兹万面具有一致的曲面形状。

3.一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像系统，其特征在于，该系统包括：

球形透镜，由两组对称的透镜进行胶合组成；

匹兹万面，为所述球形透镜所产生，入射光线经由所述球形透镜，射入所述匹兹万面上；

传像光纤束输入端，设置于所述匹兹万面上；

传像光纤束输出端，耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上；

所述光线经过所述传像光纤束输入端后，经由传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像；

其中，当所述传像光纤束输入端呈辐射状排布于所述匹兹万面上时，所述传像光纤束输入端面与入射光线垂直，并和所述匹兹万面相切；且所述传像光纤束输入端以正六边形密集排布或方形排布在所述匹兹万面上；

各个元件采用如下参数：球形透镜焦距为100mm，相对孔径1/4，视场角122.4°；传像光纤束的单纤直径为12μm，数值孔径NA＝0.56；平面CCD阵列的像素尺寸12μm×12μm，光敏面尺寸24.4mm×24.6mm，采用9片CCD进行像面拼接；成像系统的瞬时视场角IFOV＝0.0068°，当成像距离为5km时，空间分辨率达0.6m。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传像光纤束输入端，设置于所述匹兹万面上包括：

所述传像光纤束输入端呈辐射状排布于所述匹兹万面上；

或者，所述传像光纤束输入端排布于所述匹兹万面上，且与所述匹兹万面具有一致的曲面形状。