CN106773024A - 一种基于变形镜的变放大倍率光学成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于变形镜的动态局部高放大倍率成像技术。在不改变观察视场的前提下，在光学系统中，使用变形镜实现感兴趣视场处放大率增加，其余视场处放大率保持原值或略有下降，全视场成像质量良好。实现该技术的关键光学元件为变形镜，关键技术包含光学系统的设计与变形镜的控制方法。光学系统设计的难点在于光阑与变形镜的相对位置与距离的调节，以及变形镜面型的控制。变形镜的面型设定使用局部y表面坐标在光学设计软件中加以限定。在实际应用中，变形镜的控制，即驱动电压的分布是以放大倍率的分布以及成像质量作为评价标准。根据放大倍率预期分布及像质要求，反复调节变形镜驱动器电压分布实现的。

Description

一种基于变形镜的变放大倍率光学成像技术

技术领域

本发明涉及变放大倍率光学成像方案与系统。更具体地，本发明涉及一种使用变形镜实现局部高放大倍率的光学成像方案与系统。

背景技术

在对船舶有害生物进行检查时，观察者会遇到较为复杂的现场环境及目标分布。当目标与观察者相距超过一定距离，观察者通过现有检查镜所获取的目标尺寸较小。由于所获取的信息仅具有目标的整体轮廓及不明显的特征信息，观察者难以通过肉眼分辨识别目标，进而延误船舶检测及有害目标的清除。在实用新型专利：一种多功能船舶检查镜中，专利号：201521023987.5，发明人通过使用放大镜的方式来对目标特征信息进行放大。对目标的特征信息进行放大的方法还包括以下两类：第一类是使用硬件提高光学系统的分辨率并借助软件实现放大，第二类是直接使用硬件保证目标特征信息的清晰度与放大倍率同时增加。在第一类放大方法中，提高光学系统分辨率的主要方法包含如下三种方式。第一种，使用主动光学元件校正像差提高目标特征信息的分辨率；第二种，使用双光路，利用其中具有较长焦距的分光路以及具有较高像素的探测器实现较小视场内目标的高分辨率，以提高目标特征信息的分辨能力；第三种，使用变分辨率探测器，利用较小的像素间距增加目标的分辨率。在第二类放大方式中，包含两种同时实现局部高分辨率与放大倍率的系统。第一种系统由发明专利：小凹成像光学系统提出，专利号：201410097429.7。发明人使用双望远镜系统增加目标所在视场在探测器像面上所占据的像素数目；第二种系统以传统广角镜头为基础，在与孔径光阑距离较远的透镜表面，使用非球面面型将目标区域变形放大进而增加单位角度像素数目。对以上实现局部放大的方法：使用放大镜、使用软件、使用双望远系统以及在传统的广角系统使用非球面分别进行局部放大的方法分别进行分析。采用放大镜放大目标，要求观察者与放大镜之间距离，放大镜与目标之间距离均较小，限制了放大镜放大的方式只能应用于观察近距离目标；采用软件放大目标特征信息，系统需要结合后期图像处理，配备相应的放大程序及计算机，芯片等硬件。除此之外，也要配置较大尺寸的屏幕，以实现对于全视场以及分视场的分别显示。为保证软件放大的质量，光学系统对于全视场范围的目标必须实现清晰成像，这对于光学系统以及图像传输提出了较高的要求；采用双望远系统组合的方式，由于将目标放大后直接覆盖在目标初始区域，会覆盖其相邻区域图像，影响潜在目标信息的搜；采用非球面面型，可以通过控制畸变实现变形放大。由于非球面面型参数确定，所能局部放大的区域是固定的，无法满足对目标动态实时跟踪的需求。

发明内容

针对以上问题，本发明设计了一种基于变形镜的动态局部放大的光学成像方案与系统。该发明具有如下所述功能：在不改变观察者观察视场前提下，对于观察者感兴趣区域可以利用调整变形镜面型变化实现其放大率的增加；在目标的相邻区域，放大率有所下降或者保持不变，但不影响观察者对潜在目标的搜索与初步识别。随着观察者关注目标的转移，可以实时调整变形镜面型，对新目标实现放大率的增加。局部放大效果图参见说明书附图2。该发明的关键技术包括光学系统设计以及变形镜的控制方法两部分。

第一部分，设计一套能够实现动态局部放大的光学系统。为实现光学系统局部放大，我们拟采用控制局部感兴趣视场主光线及该视场其它光线的方式，改变其成像位置，使其高于原像点。如果各视场成像位置同时按感兴趣视场像点升高的比例变化，该光学系统的视场将会缩小。为保证不丢失其它视场的信息，需要控制其它视场的光线，使其成像位置低于原像点或者保持不变。光学系统设计中应保证该视场所有光线，包括主光线，以及该视场主光线周围的光线，成像分布在有限的弥散斑内。由于无限细光束的像差仅包含像散和场曲，不包含球差及慧差，像差种类较少，较易于校正。因而在本光学系统中，我们调节各视场的光束直径，使其尽可能小。

该光学系统主要包含球面透镜以及变形镜。使用球透镜对各视场的像差进行校正。通过变形镜实现光束的偏转，进而实现局部放大。变形镜由一定数目的微反射镜及控制相应微元的驱动器组成，通过控制驱动器对相应微元施加电压，可以实现每个微元x,y两个方向的倾斜及伸缩的微小变化，通过这三个自由度可以实现变形镜面型的变化。

为保证变形镜实现对各视场的光束单独进行控制，我们需要将入射到变形镜的光束分开，且保证各视场光束直径小。将光束分开的方法包括设置较小的入瞳以及控制变形镜与孔径光阑相对距离，使各视场的光束分别入射到不同的微元或者局部，以实现对于各视场的光束单独控制；在调节各光束偏转角度的同时，为保证变形镜仅引入少量的像差，我们控制入射到变形镜上的光束，使其具有较小的直径。通过以上限制可以保证光学系统同时具有好的成像质量以及变放大倍率分布。

如说明书附图1所示，两光束分别代表感兴趣区域的视场以及其相邻视场，两个视场入射到变形镜的光束分开。即两束光入射到变形镜表面的不同局部位置，通过调节变形镜这两个局部位置的面型，即可以控制两束光方向，使其成像到像面上的指定位置。偏转后感兴趣视场所占据像面的高度与偏转前该视场所占据像面的高度之比即为局部放大的倍数。变形镜微元x,y方向偏转角度以及伸缩范围决定了微元可控制光线偏转的最大角度。

光学系统设计中应该注意，应使感兴趣视场及其相邻视场入射到变形镜上的光束分开且各直径较小。合理设置入瞳，调整光阑与变形镜的相对位置，使感兴趣区域所在视场的光束与其周围区域视场的光束入射到变形镜时光束直径小且没有重合。

本发明的第二部分为变形镜的控制方法。

在光学系统设计中，我们采用非球面对变形镜简化建模。将非球面的y半径、二次曲面常数以及4-20阶非球面系数设定为变量。改变这些参数，即可以获得不同的变形镜面型。局部放大是由“局部y表面坐标”来表征的。它表示像面上指定视场会聚点的高度。它是光学设计软件CODEV优化设置中，“真实光线追迹数据”中可以进行特殊限制的量。我们将感兴趣视场及其相邻视场像面上的“局部y表面坐标”作为特殊限制。对感兴趣目标设定较高的“局部y表面坐标”，对其相邻区域设定较小的“局部y表面坐标”。对整个视场均匀分区，保证优化后“局部y表面坐标”的对称分布。在优化过程中，对“局部y表面坐标”进行限制，非球面的参数就会根据这个限制而发生变化，拟合所需面型。

在实际应用中，变形镜的控制方式是通过调节每一个微元对应的驱动电压来实现微元的面型调节的。施加电压的参考是观察者确定的像面放大倍率的分布。观察者根据像面确定待放大目标，给出像面放大倍率变化的初步分布。首先，给变形镜施加初始电压，获得变形镜的初始面型，观察探测器表面获取图像的放大率分布变化。即放大率增加的区域是否对应于观察者所确定的感兴趣区域；其次，如果是该区域，该区域的放大率增加的程度是否能够有利于观察者易于获取目标特征信息；最后，也要注意感兴趣区域周围部分的放大倍率对于潜在目标初步识别的影响。根据上述三个变化趋势，确定进一步施加给驱动器的电压。重复上述过程，直至放大倍率变化分布及像质达到预期要求。变形镜电压与形变量的关系，即电压与变形镜伸缩与角度变化的关系，可以通过变形镜的使用手册查表得到。

与目前的光学局部放大技术方案相比较，本发明可以根据观察者注意力的转移，实时切换感兴趣视场并调整变形镜微元以提高该视场的放大倍率。局部放大区域的图像不遮挡相邻区域的图像信息，不影响潜在目标的搜索与初步识别。

附图说明

图1是本发明原理示意图；图2是局部放大效果示意图；图3是本发明实施例的光学系统结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不能以此实施例数据限制本发明的保护范围。

光学系统基本参数选择：波长为587.6nm；入瞳1mm，焦距：478.3mm,视场(-12°,12°)。

系统结构设计：光学系统由三部分组成，前组透镜光焦度为负，中组包含半透半反镜及变形镜，后组透镜组光焦度为正。轴外光线通过前组透镜组后，入射到变形镜上的入射高度减小，保证入射到变形镜的有效镜面上。孔径光阑通光孔径较小，放置于后组透镜组中，且距离变形镜较远。进一步调节前组与后组透镜的中心厚度，使得各视场的光束在变形镜上能够分开。

实施例光学系统结构如附图3所示。0°、1°、2°与10°、11°、12°，这两组光线分别代表视场中心与边缘光线。每个视场的光束入射到变形镜表面时所占据的面积比较小，光束分开。使得变形镜能对间隔1°及以上的相邻视场分别进行光束方向的控制，进而实现像面上“局部y表面坐标”的控制，实现调整感兴趣视场处放大倍率增加以及其相邻区域放大倍率降低或保持不变的目的。

同时，为验证变形镜可进行动态局部放大，我们选取了区域一：0°～3°，区域二：3°～6°进行局部放大的设计。在不影响成像质量的前提下，我们通过改变变形镜的面型分别实现了中心区域局部像高较大，以及视场中间区域局部像高较大的局部放大的效果。局部放大后，两个区域的局部像高如下表所示：

由上面表格可以看到，0°～3°，3°～6°两个区域分别实现局部放大。对比局部放大之前，放大倍率分别为1.023倍及1.045倍。整个视场中放大率呈现指定区域较高，周边区域放大倍率降低的变化分布。光学系统放大倍率取决于变形镜微镜可以实现偏转的角度。

在光学设计阶段，变形镜面型的控制是通过在光学设计软件中，根据感兴趣视场及相邻视场光束需要偏转的角度限定“局部y表面坐标”实现的。

在实际应用中，变形镜的面型控制是根据像面的放大倍率分布情况调节驱动器电压进而实现变形镜面型控制的。整个操作过程可以简述为如下步骤：

⑴观察者根据所采集图像确定待观察目标，确定该目标区域放大率需要增加的倍数，进而给出像面上整个视场的放大倍率的分布。

⑵变形镜施加初始电压并观察探测器表面获取图像的放大倍率分布变化。三个变化趋势应获得重点关注：首先，放大倍率增加的区域是否是观察者指定的感兴趣区域；其次，该区域的放大倍率增加的程度是否有助于观察者识别目标的特征信息；最后，感兴趣区域周围区域的放大倍率降低是否影响观察者对于潜在目标的初步识别。

⑶根据上述三个变化趋势，决定变形镜相对应位置驱动器驱动电压的变化。

⑷重复⑵中三个变化趋势的判定，直至得到观察者预期的放大倍率的分布以及较好的成像质量。

Claims (9)

1.一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于该技术可以实现在不缩小观察者观察视场时，根据观察者感兴趣区域的变化而提高相应视场的放大倍率，其余视场放大倍率减小，同时不影响观察者对于潜在目标信息的初步识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于光学系统的设计以及变形镜的控制方法。

3.根据权利要求2所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于实现动态局部高放大倍率功能的决定性条件在于调节变形镜，使其具备分别控制各视场光束的功能。

4.根据权利要求3所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于变形镜实现主光线方向控制的关键在于入射于变形镜不同局部位置的各视场光束直径小。

5.根据权利要求4所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于实现感兴趣视场光束直径小且光束分开的方法在于设定较小的入瞳以及调节光阑与变形镜之间的相对位置，使变形镜与光阑距离较远。

6.根据权利要求5所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于光学设计中变形镜的建模方法与实际应用中变形镜的控制方法。

7.根据权利要求6所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于光学设计中，将局部y表面坐标作为限制可实现光学系统的变放大率分布。

8.根据权利要求7所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于变形镜调节的预期目标与评价标准为观察者对于所观察视场内感兴趣目标及周围区域的放大倍率需求。

9.根据权利要求8所述的一种基于变形镜的动态局部高放大倍率光学成像技术，其特征在于调节方式主要参考三个变化趋势：⑴放大倍率的变化区域是否为观察者锁定的目标区域；⑵目标区域放大倍率增加的程度是否有利于观察者获取目标特征信息；⑶目标周围区域放大倍率的减小是否影响观察者对于潜在目标的初步识别。上述三个变化趋势决定了对相对应位置驱动电压的调节，进而使得变形镜相应位置的面型能实现相对应视场光束方向的调节。