CN105093523A - 多尺度多孔径光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多尺度多孔径光学成像系统，所述光学成像系统由一个中心光学成像系统和四个拥有完全相同光学结构的副光学成像系统组成，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，四个副光学成像系统位于中心光学成像系统后方，从像截面上看，四个副光学成像系统光轴分布在以中心光学成像系统光轴为中心的长方形顶点上，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副光学成像系统成像于在同一探测器像平面内不同坐标点上。应用本系统收集目标物体信息能够获得分立的多幅目标图像，中心图像分辨率高于副图像分辨率，各图像在视场上有一定像素数的重合，能够为后续数据处理提供良好的支持。

Description

多尺度多孔径光学成像系统
技术领域
本发明属于可见光光学系统设计领域，涉及一种多尺度多孔径光学成像系统。
背景技术
图像配准是指对于一幅或是多幅图像寻求某种空间上的变换，使它能够和另一幅图像上的对应点达到空间上的一致。
图像配准的实质问题就是找出一种图像变换模型来纠正图像的形变。由于传感器和成像条件等多种因素影响，造成了图像配准技术的多样性。随着科学技术的发展，图像配准技术也取得了长足的发展，配准方法也是多种多样，但是还没有一种配准技术是广泛适用的，对于不同类型的待配准图像，常常需要根据特殊情况，采用不同的配准方法。图像配准最终的目标就是寻找一种最优的空间变换，使得两幅或是多幅图像达到空间上的一致。
图像配准技术是图像处理技术中最重要，也是最基本的任务，已经在众多领域得到了广泛的运用。通过图像配准，可以将不同拍摄条件或是使用不同传感器产生的相同的场景进行对齐，更好的集成不同传感器的信息，充分利用多种模态图像的优势，并对不同成像条件下的图片进行重构，以便获取高分辨率图像。
大口径、大视场光学系统中，初级像差和高级像差得到适当的平衡，才能得到良好的成像质量。满足要求的校正结构型式主要有双高斯(型托普岗及鲁沙尔)和反远距型等。
型托普岗及鲁沙尔这两种结构型式均关于孔径光阑对称，能较好地校正轴外像差，但是像方视场角大，像面照度均匀性差，后工作距短。
反远距型由两个镜组组成，即靠近物方的前组(负透镜组)和后组(正透镜组)，两组间隔一定的距离。其孔径光阑设于后组，前组承担较大的视场，后组承担较大的相对孔径。反远距结构型式具有短焦距、大视场和长工作距离的特点。
发明内容
本发明的目的是为了研究多尺度多孔径光学成像技术理论提供设备可行性支持，进而提供一种结构相对简单的多尺度多孔径光学成像系统，应用本系统收集目标物体信息能够获得分立的多幅目标图像，中心图像分辨率高于副图像分辨率，各图像在视场上有一定像素数的重合，能够为后续数据处理提供良好的支持。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种多尺度多孔径光学成像系统，由一个中心光学成像系统和四个拥有完全相同光学结构的副光学成像系统组成，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，四个副光学成像系统位于中心光学成像系统后方，从像截面上看，四个副光学成像系统光轴分布在以中心光学成像系统光轴为中心的长方形顶点上，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副光学成像系统成像于在同一探测器像平面内不同坐标点上。
本发明中，所述目标位于无穷远处，且目标波长范围覆盖可见光波长范围。
本发明中，多尺度多孔径光学成像系统仿照人眼中心高分辨率，边缘低分辨率的形式，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副光学成像系统成像于在同一探测器像平面内不同坐标点上。
本发明中，所述中心光学成像系统为高分辨率成像系统，接收角度为圆视场±2°。
本发明中，所述副光学成像系统为低分辨率成像系统，接收角度最大为±34°，设计中利用桶形畸变提高边缘视场的像面照度，由于畸变可通过后续数据分析进行处理，因此图像有10％的畸变。
本发明中，所述副光学成像系统由于中心光成像系统、副光学成像系统、探测器像面和后续需要添加的系统内部遮挡的相对分布，通过副光学系统实际成像光束为1.5°～34°的环形光束范围。
本发明中，所述副光学成像系统的口径与长度受系统总体结构限制，在设计过程中进行了约束。
本发明提供的多尺度多孔径光学成像系统中，目标发出的可见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多幅目标图像，中心图像分辨率高于副图像分辨率，各图像在视场上有一定像素数的重合，能够为后续数据处理提供良好的支持，所得像点信息经过后续数据处理以获得超分辨率的目标，主要用于位于无穷远处的可见光目标，其核心设计为成像系统总体结构分布和副光学系统的简化，以此能够在较为简单的光学结构下获得良好的成像结果，继而用于后续数据处理得到高分辨率图像。相比于现有技术，具体有如下优点：
1、能够用于可见光波段0.486μm＜λ＜0.656μm的无穷远目标；
2、能够获取全视场达±34°的物方信息，在此要求下，副光学成像系统的结构较为简单，只用一面非球面；
3、副光学成像系统使用桶形畸变提高了边缘视场的像面照度；
4、系统整体成像质量较好，设计结果接近衍射极限；
5、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；
6、服务于获取图像配准所需的目标信息，以达到超分辨率的目标。
附图说明
图1为多尺度多孔径光学成像系统立体结构示意图；
图2为多尺度多孔径光学成像系统结构示意图；
图3为多尺度多孔径光学成像系统探测器像面分布图；
图4为多尺度多孔径光学成像系统中心光学成像系统结构图；
图5为多尺度多孔径光学成像系统副光学成像系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1-2所示，本发明提供的多尺度多孔径光学成像系统由一个中心光学成像系统1和四个副光学成像系统2组成，具体结构为对轴称系统，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，四个副光学成像系统2光轴相对系统中心轴各有一定的偏移，从像截面上看，分布在以中心光学成像系统1光轴为中心的24.4×15.6mm的长方形顶点上，在光轴方向上，副光学成像系统2第一面位置相对中心光学成像系统1第一面位置距离为137.3mm，五个光学系统的像平面重合。
上述系统中，各分立系统所成像面大小及分布如图3所示，中心圆为目标通过中心光学成像系统1所成的小视场高分辨率图像，周围四个圆为副光学成像系统2所成的大视场低分辨率图像，各像面有所重合，在实际使用过程中需要在系统空间内部添加遮挡以将各像面分隔开来。
上述系统中，中心光学成像系统1结构图如图4所示，采用简单的三片式球面镜构成，光线依次通过第一球面镜1-1、第二球面镜1-2和第三球面镜1-3。由于系统F/#和视场对设计限制不高，三片镜片使用两种光学材料，第一球面镜1-1和第三球面镜1-3使用CDGM库下HZK14材料，第二球面镜1-2使用CDGM库下HF4材料，以消除色差。此中心光学成像系统1结构简单，成像质量良好。
上述系统中，中心光学成像系统系统F/#为5.6，有效焦距f’＝140mm，可用视场为±2°，经过消色差设计容易获得弥散斑直径大小达到5μm，目前常用的23.5×15.6mm探测器像元尺寸为5μm，满足使用要求。中心光学成像系统光阑位于第二球面镜1-2的后表面处。第一球面镜1口径即最大直径为27.2mm，第一球面镜1到像面距离为178mm。
上述系统中，副光学成像系统结构如图5所示，由五片镜片构成，系统第一面为二次曲面，光线依次通过第一镜片2-1、第二镜片2-2、第三镜片2-3、第四镜片2-4和第五镜片2-5，其材料依次为NLAK34、NLASF31、HF4、NLAK34、NSF66。副光学成像系统F/#为5.6，有效焦距f’＝18mm，可用视场为1.5°～34°，弥散斑直径大小达到7μm，第一镜片2-1口径即最大直径为8.4mm，第一镜片2-1到像面距离为30.7mm。
本发明中，所述副光学成像系统属于大视场、大相对孔径光学系统。四个副光学成像系统各镜片曲率半径至少为半口径的1.5倍，分为前后两个镜组，靠近物方的前镜组由第一镜片2-1、第二镜片2-2和第三镜片2-3组成，后镜组由第四镜片2-4和第五镜片2-5组成，两组皆为正透镜组，两组间隔一定的距离，光阑位于两镜组之间。在现有的大视场光学系统中，多采用双高斯和反远距结构类型。双高斯型结构镜片曲率半径过小，甚至接近镜片半口径，而本发明中副光学成像系统镜片最大口径为8.4mm，镜片曲率半径过小生产难度大；反远距结构中镜片数量繁多，系统长度过长，会导致多尺度多孔径光学成像系统总体体积增大，也无法达到结构简单的目标。本发明以成像质量、简化结构和结构合理性三个出发点，结合双高斯(型托普岗及鲁沙尔)和反远距型的特点，得到比较合适的设计结果。

Claims (10)

1.一种多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述光学成像系统由一个中心光学成像系统和四个拥有完全相同光学结构的副光学成像系统组成，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，四个副光学成像系统位于中心光学成像系统后方，从像截面上看，四个副光学成像系统光轴分布在以中心光学成像系统光轴为中心的长方形顶点上，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副光学成像系统成像于在同一探测器像平面内不同坐标点上。
2.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述目标位于无穷远处，且目标波长范围覆盖可见光波长范围。
3.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述中心光学成像系统的接收角度为圆视场±2°。
4.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述副光学成像系统的接收角度最大为±34°。
5.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述长方形尺寸为24.4×15.6mm。
6.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述副光学成像系统第一面位置相对中心光学成像系统第一面位置距离为137.3mm。
7.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述中心光学成像系统由第一球面镜、第二球面镜和第三球面镜构成，光阑位于第二球面镜的后表面处；第一球面镜和第三球面镜使用HZK14材料，第二球面镜使用HF4材料；第一球面镜口径为27.2mm，第一球面镜到像面距离为178mm。
8.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述中心光学成像系统系统F/#为5.6，有效焦距f’＝140mm，可用视场为±2°，弥散斑直径大小为5μm。
9.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述副光学成像系统由第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片构成，其材料依次为NLAK34、NLASF31、HF4、NLAK34、NSF66；第一镜片、第二镜片和第三镜片组成靠近物方的前镜组，第四镜片和第五镜片组成后镜组，两镜组皆为正透镜组，光阑位于两镜组之；第一镜片口径为8.4mm，第一镜片到像面距离为30.7mm。
10.根据权利要求1所述的多尺度多孔径光学成像系统，其特征在于所述副光学成像系统F/#为5.6，有效焦距f’＝18mm，可用视场为1.5°～34°，弥散斑直径大小达到7μm。
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