CN108267863B - 一种紧凑型超分辨成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像光学系统设计技术领域，特别是一种紧凑型超分辨成像光学系统。该光学系统的光路上依次设置有入射镜头、数字微镜阵列(DMD)、出射镜头、图像采集装置，通过设置入射透镜组的入射光轴与出射透镜组的出射光轴的夹角为24°，直接将透过入射透镜组的入射光线通过数字微镜阵列成像和反射，反射的光线再经出射透镜组到达图像采集装置进行成像，以DMD数字微镜阵列为编码器，结合图像重建技术实现原始图像的高分辨复原，解决了现有通过DMD成像的光学系统在实际应用中无法满足集成化、小型化的需求问题。

Description

一种紧凑型超分辨成像光学系统

技术领域

本发明涉及成像光学系统设计技术领域，特别是一种紧凑型超分辨成像光学系统。

背景技术

传统光学成像系统的分辨率一般由探测器像素尺寸决定,为了有效地提高空间分辨率，各国研究人员一直在探索超分辨成像理论与方法，从最初的微扫描技术到目前广泛应用于传输型航天遥感相机的亚像元技术等。

压缩感知理论是一种基于空间目标的稀疏可重构性的计算成像方法，利用适当的硬件设备来完成压缩采样，利用DMD(Digital Micro-mirror Device)数字微镜阵列为作为测量矩阵，在单元探测器上获取了原理验证性图像，DMD由成千上万微反射镜组成，每个微反射镜以对角线为轴做±12°的偏转，是一个二维空间光调制器。

有中国专利公布号为CN104977700A的专利文献公开了一种用于DMD相机的光学系统，包括入射光学系统、出射光学系统、TIR棱镜、DMD、CCD/CMOS，入射光学系统的作用是尽可能多的收集外界的光线，并在DMD上成像和反射，反射光线通过TIR透镜和出射光学系统到达CCD/CMOS，TIR棱镜重新利用了光从光密介质入射到光疏介质时会发生全反射的性质，通过计算棱镜对应斜边的倾斜角度，改变入射光线的走向，保证“开”态的入射光线全部进入DMD的投影光学系统，而“关”态的入射光线全部被反射出投影光学系统。但为了满足全反射条件，该TIR棱镜的设计较为复杂，还要满足光的透过率，因此上述光学系统的设计比较繁琐，实现较为困难，经过多重反射后的成像质量较差，同时成像的光路较长，入射光路与出射光路夹角过大，无法满足集成化、小型化的设计要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑型超分辨成像光学系统，用以解决现有通过DMD成像的光学系统在实际应用中无法满足集成化、小型化的需求问题。

为实现上述目的，本发明提供一种紧凑型超分辨成像光学系统，包括以下技术方案：

方案一：一种紧凑型超分辨成像光学系统，包括入射透镜组、数字微镜阵列、出射透镜组和图像采集装置，入射光线透过所述入射透镜组汇聚到数字微镜阵列上成像并反射，经数字微镜阵列反射的光线通过所述出射透镜组到达图像采集装置，所述入射透镜组的入射光轴与所述出射透镜组的出射光轴的夹角为24°。

有益效果是，本方案一通过设置入射透镜组的入射光轴与出射透镜组的出射光轴的夹角为24°，直接将透过入射透镜组的入射光线通过数字微镜阵列成像和反射，反射的光线再经出射透镜组到达图像采集装置进行成像，以DMD数字微镜阵列为编码器，结合图像重建技术实现原始图像的高分辨复原，解决了现有通过DMD成像的光学系统在实际应用中无法满足集成化、小型化的需求问题。

方案二：在方案一的基础上，还包括壳体，所述壳体内有空腔，所述壳体表面设置有入射端面和出射端面，所述入射端面上设有入射开口，所述入射开口用于安装对应的入射透镜组；所述出射端面上设有出射开口，所述出射开口用于安装对应的出射透镜组。

方案三：在方案二的基础上，所述入射光轴与所述入射端面垂直设置，所述出射光轴与所述出射端面垂直设置。

方案四：在方案三的基础上，所述入射透镜组的各元件与所述出射透镜组的各元件不接触。

方案五：在方案四的基础上，所述出射透镜组沿出射方向依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第一透镜为“D”字型。

方案六、方案七、方案八、方案九、方案十：分别在方案一、方案二、方案三、方案四或方案五的基础上，所述图像采集装置为探测器面阵。

附图说明

图1是一种紧凑型超分辨成像光学系统的结构及光路示意图；

图2是一种紧凑型超分辨成像光学系统的入射光学系统图；

图3是一种紧凑型超分辨成像光学系统的出射光学系统图；

图4是一种紧凑型超分辨成像光学系统的出射光学系统的“D”字形镜片图；

图5是一种紧凑型超分辨成像光学系统的图像重建效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种紧凑型超分辨成像光学系统，如图1所示，包括入射镜头1、DMD数字微镜阵列2、出射镜头3和探测器面阵4，上述入射镜头1、DMD数字微镜阵列2、出射镜头3和探测器面阵4通过结构件进行装配，该结构件包括壳体5，壳体内有空腔，壳体表面设置有入射端面6和出射端面7，入射端面6上设有入射开口8，入射开口8用于安装对应的入射镜头1；出射端面7上设有出射开口9，出射开口9用于安装对应的出射镜头3。

入射光线从入射镜头1透过并汇聚到DMD数字微镜阵列2上成像，并生成测量矩阵对图像进行编码，同时DMD数字微镜阵列2将入射光线反射到出射镜头3所在的出射光路，出射镜头3将光线再次汇聚并成像到探测器面阵4上，结合图像重建技术实现原始图像的高分辨复原。

入射镜头1的入射光轴与出射镜头3的出射光轴的夹角为24°，该夹角与DMD数字微镜阵列2的微反射镜的偏转角度相关，另有，如图2所示，入射镜头1包括入射透镜组，该入射透镜组的F数与DMD微反射镜阵列2的微反射镜的偏转角度相关，既要避免“平”态和“关”态时的光线进入入射系统，同时最大限度地接收“开”态时的微反射镜反射的光束。

如图3所示，出射镜头3包括出射透镜组，出射透镜组沿出射方向依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，该出射透镜组采用有限共轭的透镜设计，用于实现在紧凑的空间内将经DMD数字微镜阵列2的反射图像清晰成像到探测器面阵4上，同时由于受DMD数字微镜阵列2的微反射镜的反射夹角的限制，为降低出射镜头的渐晕，该出射透镜组采用了大数值孔径的设计；且如图4所示，对上述出射透镜组的第一透镜进行了一个“D”字型设计，该设计有利于入射透镜组与出射透镜组在壳体5内的装配，防止入射透镜组的各元件与出射透镜组的各元件之间出现接触，同时该“D”字型透镜在满足出射成像要求的同时，也降低了边缘的渐晕。

本发明提供一组实施上述入射光学系统和出射光学系统的各透镜的参数，入射光学系统各透镜参数如表1所示，出射光学系统各透镜参数如表2所示。

表1

表2

如图5所示，为通过上述透镜参数设计对图像进行采集得到的原始图像和重建后的图像的对比。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种紧凑型超分辨成像光学系统，其特征在于，包括入射透镜组、数字微镜阵列、出射透镜组和图像采集装置，入射光线透过所述入射透镜组汇聚到数字微镜阵列上成像并反射，经数字微镜阵列反射的光线通过所述出射透镜组到达图像采集装置，所述入射透镜组的入射光轴与所述出射透镜组的出射光轴的夹角为24°；

所述入射透镜组的各元件与所述出射透镜组的各元件不接触；

所述出射透镜组沿出射方向依次设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第一透镜为“D”字型；

所述入射镜组沿入射方向依次设置有第一入射透镜、第二入射透镜、第三入射透镜、第四入射透镜和第五入射透镜，其中第一入射透镜的曲率半径为41.62mm和43.54mm，厚度为7.00mm，第二入射透镜的曲率半径为-24.88mm和-101.50mm，厚度为4.00mm，第三入射透镜的曲率半径为-62.69mm和-28.16mm，厚度为7.00mm，第四入射透镜的曲率半径为36.63mm和27.38mm，厚度为4.00mm,第五入射透镜的曲率半径为32.27mm和-1460.17mm，厚度为4.00mm；所述第一入射透镜与第二入射透镜的间隔为8.14mm，所述第二入射透镜与第三入射透镜的间隔为1.36mm，所述第三入射透镜与第四入射透镜的间隔为1.00mm，所述第四入射透镜与第五入射透镜的间隔为1.87mm，所述第五入射透镜与所述数字微镜阵列的间隔为63mm。

2.根据权利要求1所述的紧凑型超分辨成像光学系统，其特征在于，还包括壳体，所述壳体内有空腔，所述壳体表面设置有入射端面和出射端面，所述入射端面上设有入射开口，所述入射开口用于安装对应的入射透镜组；所述出射端面上设有出射开口，所述出射开口用于安装对应的出射透镜组。

3.根据权利要求2所述的紧凑型超分辨成像光学系统，其特征在于，所述入射光轴与所述入射端面垂直设置，所述出射光轴与所述出射端面垂直设置。

4.根据权利要求1、2或3所述的紧凑型超分辨成像光学系统，其特征在于，所述图像采集装置为探测器面阵。

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