CN107577035A - 一种光学成像系统、方法、设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学成像系统，包括：成像透镜，用于折射初始目标光束得到第一次折射后光束，以及对反射后光束进行折射得到第二次折射后光束；其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；反射面，用于反射所述第一次折射后光束，得到所述反射后光束；光纤锥装置，用于将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。本发明中，通过设置反射面，通过视场离轴和复用成像透镜的方式实现光学成像，与现有技术同心透镜光学系统相比，本发明中通过反射面反射光束，使得透过光束的透镜尺寸折半后仍能达到光学成像的目的，此时光学系统的横向尺寸大幅缩小，整体重量和成像透镜中的透镜数量锐减。

Description

一种光学成像系统、方法、设备

技术领域

本发明涉及光学系统成像领域，特别涉及一种光学成像系统、方法、设备。

背景技术

小型化、大视场、大相对孔径光学成像仪器同时具有高空间分辨率、高信噪比、高集成度、高信息量等优点，是仪器应用者追求的目标产品。由于小型化、大视场、大相对孔径、宽谱段四个光学参数之间相互制约，成为近百年来光学产品开发者致力解决的技术难题。随着进入信息化时代，工业、农业、航天航空等各领域，对此类产品的需求愈发紧迫。

现有技术中，传统透射光学系统在大视场成像应用中边缘视场像差极难校正，成像质量差，边缘视场存在较大畸变和渐晕，加之存在色差问题，应用中即使能够采用不同种类的多个光学玻璃镜面进行各种像差校正，仪器体积和重量都将不占优势；离轴反射式光学成像系统适用于长焦距、相对孔径较小的条形视场中，如离轴三反光学系统；折反射光学成像系统结合了透射和反射系统各自的特点，在小视场应用中得到广泛应用；同心透镜光学系统与上述提到的光学系统相比，体积和重量有所减小，结构对称，参见图1所示，其中1为孔径光阑，2至7为成像透镜，其中每个成像透镜的尾标a和b表示该成像透镜的两个镜面，4为同心对称透镜，8为球形像面。同心透镜光学系统三维像差校正容易，适用于大视场、大相对孔径宽波段应用中，但由于像面弯曲形状，很长时间没有应用实例。

近年来得益于光纤锥或光纤面板等中继光学元件的发展，使得弯曲像面向平场像面的转换成为可能，从2012年起国外大量专业文章和材料对同心透镜成像进行了专业报道和产品展示。光纤面板和光纤锥都是由大量单根光纤通过排位、粘胶、亚索、高温烘烤、拉直、切割等工艺制作而成。光纤面板中单个光纤的两端参数一致，图像放大倍率为1；光纤锥中单个光纤的输入和输出端孔径、纤芯等参数不同，图像传送时图像放大倍率不等于1，因此光纤面板本质上为放大倍率为1的光纤锥特例。参见图2和图3所示，图2为同心透镜光学系统和光纤面板耦合的结构示意图，图3为同心透镜光学系统和光纤锥耦合的结构示意图。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学成像系统、方法、设备。其具体方案如下：

一种光学成像系统，包括：

成像透镜，用于折射初始目标光束得到第一次折射后光束，以及对反射后光束进行折射得到第二次折射后光束；其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；

反射面，用于反射所述第一次折射后光束，得到所述反射后光束；

光纤锥装置，用于将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

优选的，所述成像透镜包括N个同轴透镜，N为大于等于2的整数；

其中，在所述初始目标光束进入所述成像透镜的方向上，所述N个同轴透镜的镜面口径依次减小，相对孔径依次增大。

优选的，所述成像透镜包括三个同轴透镜；其中，所述成像透镜的焦距为150mm，视场大小为80°×30°，横向尺寸为150mm，相对孔径比为1:3。

优选的，与所述反射面相邻的同轴透镜为半球透镜。

相应的，本发明公布了一种光学成像方法，包括：

通过成像透镜折射初始目标光束，得到第一次折射后光束；其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；

通过反射面反射所述第一次折射后光束，得到反射后光束；

通过所述成像透镜折射所述反射后光束，得到第二次折射后光束；

通过光纤锥装置将通过接收所述第二次反射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

优选的，所述成像透镜包括N个同轴透镜，N为大于等于2的整数；

其中，在所述初始目标光束进入所述成像透镜的方向上，所述N个同轴透镜的镜面口径依次减小，相对孔径依次增大。

优选的，所述成像透镜包括三个同轴透镜；其中，所述成像透镜的焦距为150mm，视场大小为80°×30°，横向尺寸为150mm，相对孔径比为1:3。

优选的，与所述反射面相邻的同轴透镜为半球透镜。

相应的，本发明还公布了一种光学成像设备，包括：

如上文所述的光学成像系统；

光探测器，用于接收平面像场的成像信息并将所述成像信息转为电信号。

优选的，所述光学成像设备还包括：

显示终端，用于将所述电信号显示为电子图像。

本发明中，通过设置反射面，通过视场离轴和复用成像透镜的方式实现光学成像，反射面将通过成像透镜的第一次折射后光束反射，得到的反射后光束再次通过成像透镜得到第二次折射后光束，光纤锥装置将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。与现有技术同心透镜光学系统相比，本发明中通过反射面反射光束，使得透过光束的透镜尺寸折半后仍能达到光学成像的目的，此时光学系统的横向尺寸大幅缩小，整体重量和成像透镜中的透镜数量锐减。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为同心透镜光学系统的光路图；

图2为同心透镜光学系统和光纤面板耦合的结构示意图；

图3为同心透镜光学系统和光纤锥耦合的结构示意图；

图4为本实施例公开的一种光学成像系统的结构示意图；

图5为本实施例公开的一种光学成像系统的光路图；

图6为本实施例公开的一种光学成像系统的传递函数曲线图；

图7为本实施例公开的一种光学成像系统的能量集中度曲线图；

图8为本实施例公开的一种光学成像方法的步骤流程图；

图9为本实施例公开的一种光学成像设备的结构示意图；

图10为本实施例公开的一种光纤锥面板和CMOS的耦合结构示意图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种光学成像系统，参见图4所示，包括：

成像透镜01，用于折射初始目标光束得到第一次折射后光束，以及对反射后光束进行折射得到第二次折射后光束；

其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴。如果初始目标光束与所述成像透镜同轴，则初始目标光束在经过折射、反射、再次折射后获得的像场与初始目标光束所在的视场出现重叠，没有达到视场离轴效果，无法获取独立的像场。

可以理解的是，所示成像透镜01可以是一个能够满足本实施例折射要求的透镜，也可以是包括N个同轴透镜组成的透镜组，其中，同轴指的是同一光轴，N为大于等于2的整数。该透镜组要满足如下要求：在所述初始目标光束进入所述成像透镜的方向上，所述N个同轴透镜的镜面口径依次减小，相对孔径依次增大。

反射面02，用于反射所述第一次折射后光束，得到所述反射后光束；

可以理解的是，该反射面02还作为孔径光阑，反射的同时限制了第一次折射后光束。

光纤锥装置03，用于将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

可以理解的是，此处的光纤锥装置可以是光纤锥，也可以是光纤面板，其具体耦合方式与同心透镜光学系统类似。鉴于光纤面板与光纤锥已有成熟产品，此处不再赘述细节。

本系统以孔径光阑为基准的对称结构，自动平衡慧差、像散、畸变三种非对称像差，通过各个镜面曲率半径优化对球差进行平衡，通过不同种类玻璃组合对色差进行校正，通过曲面像面对场曲进行补偿，完成对五种单色像差和色差的充分校正。优化过程中可以通过改变曲率半径、间距、玻璃材料等进行最优化寻解。光学成像。

本实施例中，通过设置反射面，通过视场离轴和复用成像透镜的方式实现大视场、无遮拦、大相对口径和宽波段的光学成像，反射面将通过成像透镜的第一次折射后光束反射，得到的反射后光束再次通过成像透镜得到第二次折射后光束，光纤锥装置将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。与现有技术同心透镜光学系统相比，本发明中通过反射面反射光束，使得透过光束的透镜尺寸折半后仍能达到光学成像的目的，此时光学系统的横向尺寸大幅缩小，整体重量和成像透镜中的透镜数量锐减。

本发明实施例公开了一种具体的光学成像系统，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。参见图5所示，具体的包括：包括同轴透镜9、10、11的成像透镜，反射面12，光纤锥装置14。

其中，与反射面12相邻的同轴透镜11为半球透镜；每个成像透镜的尾标a和b表示该成像透镜的两个镜面，各透镜面均为球面形状。三个透镜的口径满足D₉＜D₁₀＜D₁₁，三个透镜光焦度均为正值。

可以理解的是，按照图5所示的坐标定义，在X方向和Y方向上两视场大小基本满足2:1关系。其中，图5中的13为第二次折射后光束得到的弯曲像场。

进一步的，设计整个成像透镜的焦距为150mm，视场大小为80°×30°，横向尺寸为150mm，相对孔径比为1:3。参见表1，表中标注了具体的镜面参数，其中EBR、H-LAK7、FK51为光学玻璃的材料牌号，Mirror表示反射面，面13为弧形焦面，由于视场为方形视场，因此焦面对应的口径也是方形。实际应用时根据视场大小、焦距、口径、波段范围等参数可以增减镜面数量或修改透镜参数。

表1

参见图6所示，为本实施例中系统传递函数曲线图。本实施例截止频率为1001p/mm，截止频率处传递函数大于0.5，结果成像质量良好。

进一步的，各个视场位置80％能量集中曲线可参见图7。

相应的，本实施例公布了一种光学成像方法，参见图8所示，包括：

S1：通过成像透镜折射初始目标光束，得到第一次折射后光束；

其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；

S2：通过反射面反射所述第一次折射后光束，得到反射后光束；

S3：通过所述成像透镜折射所述反射后光束，得到第二次折射后光束；

S4：通过光纤锥装置将通过接收所述第二次反射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

以图5中的光学成像系统为例，应用该光学成像方法如下：

无穷远(或有限远)目标光束通过透镜9、透镜10和半球透镜11透射到达反射面12，12作为光学系统的孔径光栏对光束的入射口径进行限制，经由12面反射后，经由半球透镜11、透镜10、透镜9，各个视场光束汇聚于弯曲球面不同位置进行成像，通过前置光纤锥装置将弯曲像场转换为平面像场。

相应的，本实施例还公布了一种光学成像设备，参见图9所示，包括：

如上文实施例中所述的光学成像系统04；

光探测器05，用于接收平面像场的成像信息并将所述成像信息转为电信号。

这里的光探测器05可以是CMOS，也可以是CCD。当光探测器为CMOS，光学成像系统04中光纤锥装置和CMOS的耦合结构如图10所示，其中16为光纤锥前端，接收弯曲像面，17为光纤锥过渡件，18为衔接CMOS的光纤锥后端面，CMOS1至CMOS9为光探测器。

进一步的，所述光学成像设备可以为相机或具有摄像功能的手机，还可以包括：

显示终端06，用于将所述电信号显示为电子图像。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种光学成像系统、方法、设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：

成像透镜，用于折射初始目标光束得到第一次折射后光束，以及对反射后光束进行折射得到第二次折射后光束；其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；

反射面，用于反射所述第一次折射后光束，得到所述反射后光束；

光纤锥装置，用于将通过接收所述第二次折射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，

所述成像透镜包括N个同轴透镜，N为大于等于2的整数；

其中，在所述初始目标光束进入所述成像透镜的方向上，所述N个同轴透镜的镜面口径依次减小，相对孔径依次增大。

3.根据权利要求2所述的光学成像系统，其特征在于，

所述成像透镜包括三个同轴透镜；

其中，所述成像透镜的焦距为150mm，视场大小为80°×30°，横向尺寸为150mm，相对孔径比为1:3。

4.根据权利要求3所述的光学成像系统，其特征在于，与所述反射面相邻的同轴透镜为半球透镜。

5.一种光学成像方法，其特征在于，包括：

通过成像透镜折射初始目标光束，得到第一次折射后光束；其中，所述初始目标光束偏离所述成像透镜的光轴；

通过反射面反射所述第一次折射后光束，得到反射后光束；

通过所述成像透镜折射所述反射后光束，得到第二次折射后光束；

通过光纤锥装置将通过接收所述第二次反射后光束得到的弯曲像场转换为平面像场。

6.根据权利要求5所述的光学成像方法，其特征在于，

所述成像透镜包括N个同轴透镜，N为大于等于2的整数；

其中，在所述初始目标光束进入所述成像透镜的方向上，所述N个同轴透镜的镜面口径依次减小，相对孔径依次增大。

7.根据权利要求6所述的光学成像方法，其特征在于，

所述成像透镜包括三个同轴透镜；

其中，所述成像透镜的焦距为150mm，视场大小为80°×30°，横向尺寸为150mm，相对孔径比为1:3。

8.根据权利要求7所述的光学成像方法，其特征在于，与所述反射面相邻的同轴透镜为半球透镜。

9.一种光学成像设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至4任一项所述的光学成像系统；

光探测器，用于接收平面像场的成像信息并将所述成像信息转为电信号。

10.根据权利要求9所述的光学成像设备，其特征在于，还包括：

显示终端，用于将所述电信号显示为电子图像。