CN110703432B - 一种基于类双高斯结构的成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于类双高斯结构的成像系统，包括：主成像光学系统，包括类双高斯结构透镜，用于将观测视场成像于球面一次像面，并矫正成像的横向色差和色散；次级成像光学系统，包括若干子次级成像光学系统，若干子次级成像光学系统设置在球面一次像面之后且分布在以主成像光学系统的中心位置为球心的半球面上，用于将球面一次像面分割为若干子图像且使相邻子图像之间存在视场重叠，同时矫正主成像光学系统的残余像差。该成像系统能够有效实现大范围持续观测，同时获取观测视场目标的细节信息，解决了广域成像与高分辨率成像的矛盾，增加了可探测距离，从而实现了高空远距离成像。

Description

一种基于类双高斯结构的成像系统
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于类双高斯结构的成像系统。
背景技术
边境防护、海域侦察搜救、首都防护等多目标广域侦察监视应用场景对成像系统的大视场、高分辨率、高侦察效率等提出了更高的需求。而光学系统作为成像系统决定成像性能的直接因素，其结构直接影响成像的分辨率、视场以及像差等性能，影响着大视场广域目标搜索与小视场高精度目标识别与跟踪等性能。
现有高空大视场成像采用光电侦察系统采用扫描成像模式，其扫描获取宽幅图像耗时长，且相邻帧之间存在时间间隔导致场景中移动目标成像畸变，仅对静态场景有效。
为实现动态场景的有效侦测，现有技术提出了基于全景鱼眼镜头的多级侦测成像系统。该成像系统没有采用扫描的形式，大幅简化了成像系统结构，缩小系统体积，且充分利用了探测器快速响应的特性，有效提高了场景态势感知的实时性，而鱼眼镜头中变焦结构的应用也在一定程度上实现了大视场广域目标搜索与小视场高精度目标识别与跟踪的能力。然而，该系统虽然可以实现较大的成像视场，但由于鱼眼镜头固有的成像缺点，即图像几何畸变较大、像面照度不均匀，导致成像的边缘视场相比中心视场成像质量差很多，在全视场下目标不具有一致的分辨率，会造成边缘视场的检测难度大于中心视场的情况；而且在小视场精确识别时，由于焦距变长、视场变小，所以仅有中心视场范围的目标参与成像，若要对边缘视场的目标进行精确识别，则要有相应的转向装置旋转系统的方向使其对准目标，从而对其进行精确识别。因此基于全景鱼眼镜头的多级侦测成像系统存在很多缺陷。
为克服鱼眼镜头在大视场下成像的缺点，研究者们提出了基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率成像系统，该系统充分利用了球透镜视场大、光能收集能力强、轴外像差小、全视场成像质量一致性好等特点，采用以大尺度多层共心球透镜为主物镜，多个小尺度相机阵列为次级成像系统的多尺度成像结构，克服了传统光学系统中广域与高分辨率相互制约的矛盾，可实现广域区域高分辨率实时凝视成像。但是，该系统在实现远距离成像需要其焦距很大的时候，球透镜的尺寸会超出现有加工技术的上限，难以实现高空远距离成像。
综上所述，现有的大视场成像系统同时实现大尺度能量收集和小尺度高分辨率分视场成像的能力较低，而且难以实现高空远距离成像。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于类双高斯结构的成像系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于类双高斯结构的成像系统，包括：
主成像光学系统，包括类双高斯结构透镜，用于将观测视场成像于球面一次像面，并在成像过程中矫正成像的横向色差和色散；
次级成像光学系统，包括若干子次级成像光学系统，若干所述子次级成像光学系统设置在所述球面一次像面之后且分布在以所述主成像光学系统的中心位置为球心的半球面上，用于将所述球面一次像面分割为若干子图像且使相邻所述子图像之间存在视场重叠，同时矫正所述主成像光学系统的残余像差。
在本发明的一个实施例中，所述主成像光学系统包括第一透镜组和第二透镜组，其中，
所述第一透镜组与所述第二透镜组沿光轴方向依次设置且彼此通过气隙相隔开，所述第一透镜组中靠近所述气隙的透镜与所述第二透镜组中靠近所述气隙的透镜形成球透镜结构，且所述第一透镜组与所述第二透镜组形成类双高斯结构。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第二透镜组包括第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，
所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿所述光轴方向依次设置，所述第一透镜与所述第二透镜之间相距预设距离，所述第二透镜与所述第三透镜之间相互胶合形成第一胶合面；
所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜沿所述光轴方向依次设置，所述第四透镜和第五透镜之间相互胶合形成第二胶合面，所述第五透镜和所述第六透镜之间相互胶合形成第三胶合面。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜入射面的曲率半径为225～229mm，所述第一透镜出射面的曲率半径为523～527mm，所述第二透镜入射面的曲率半径为642～646mm，所述第一胶合面的曲率半径为110～114mm，所述第三透镜出射面的曲率半径为3×105～7×105mm，所述第四透镜入射面的曲率半径为-2602～-2606mm，所述第二胶合面的曲率半径为-88～-92mm，所述第三胶合面的曲率半径为-156～-160mm，所述第六透镜出射面的曲率半径为-141～-145mm，所述主成像光学系统像面的曲率半径为-403～-407mm。
在本发明的一个实施例中，所述第一透镜入射面的半口径为106～110mm，所述第一透镜出射面的半口径为101～105mm，所述第二透镜入射面的半口径为87～91mm，所述第一胶合面的半口径为68～72mm，所述第三透镜出射面的半口径为66～70mm，所述第四透镜入射面的半口径为60～64mm，所述第二胶合面的半口径为62～66mm，所述第三胶合面的半口径为74～78mm，所述第六透镜出射面的半口径为81～85mm，所述主成像光学系统像面的半口径为12～16mm。
在本发明的一个实施例中，沿所述光轴方向上，所述第一透镜的厚度为26～30mm，所述第一透镜出射面至所述第二透镜入射面的距离为24～28mm，所述第二透镜的厚度为25～29mm，所述第三透镜的厚度为28～32mm，所述第三透镜出射面至所述第四透镜入射面的距离为45～49mm，所述第四透镜的厚度为28～32mm，所述第五透镜的厚度为23～27mm，所述第六透镜的厚度为25～29mm，所述第六透镜出射面至所述主成像光学系统像面的距离为288～292mm。
在本发明的一个实施例中，所述子次级成像光学系统包括沿光路方向依次分布的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，其中，
所述第七透镜为凸凹型透镜，所述第八透镜为凸凹型透镜，所述第九透镜为平凸型透镜，所述第十透镜为凸凹型透镜，所述第十一透镜为双凸型透镜，所述第十二透镜为双凸型透镜，所述第十三透镜为双凹型透镜；
所述第七透镜与所述第八透镜之间相距预设距离，所述第八透镜与所述第九透镜之间相互胶合形成第三胶合面，所述第九透镜与所述第十透镜之间相距预设距离，所述第十透镜与所述第十一透镜之间相互胶合形成第四胶合面，所述第十一透镜与所述第十二透镜之间相距预设距离，所述第十二透镜与所述第十三透镜之间相距预设距离。
在本发明的一个实施例中，所述第七透镜入射面至所述第十三透镜出射面之间的距离为92～96mm。
在本发明的一个实施例中，每个所述子次级成像光学系统与所述主成像光学系统之间的距离为391～395mm。
在本发明的一个实施例中，所述次级成像光学系统还包括若干探测器，若干所述探测器一一对应设置在若干所述子次级成像光学系统之后，所述探测器用于接收存在视场重叠的所述子图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的成像系统采用类双高斯结构的主成像光学系统和次级光学成像系统进行两次成像和矫正，使得成像系统同时具备大尺度能量收集和小尺度高分辨率分视场成像的能力，成像质量高，能够有效实现大范围持续观测，同时获取观测视场目标的细节信息，解决了广域成像与高分辨率成像的矛盾，增加了可探测距离，从而实现了高空远距离成像。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于类双高斯结构的成像系统的结构示意图；
图2a-图2c为本发明实施例提供的一种主成像光学系统的设计过程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种主成像光学系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种次级成像光学系统2的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种优化后的成像系统的结构示意图；
图6a-图6d为本发明实施例提供的一种基于类双高斯结构的成像系统的优化结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于类双高斯结构的成像系统的结构示意图。该成像系统包括主成像光学系统1和次级成像光学系统2。
主成像光学系统1包括类双高斯结构的透镜，用于将观测视场成像于球面一次像面，并在成像过程中矫正成像的横向色差和像散，使得球面一次像面的各个视场位置的成像质量相似。成像质量相似是指球面一次像面的各个视场位置的像差和畸变不会相差太大。
本实施例中所述的类双高斯结构透镜可以为双高斯结构的透镜组合，也可以为结构类似于双高斯结构的透镜组合，例如在双高斯结构的中心透镜采用球透镜结构而形成的结构可以认为是类双高斯结构透镜；可以为对称的双高斯结构透镜，也可以为非对称的双高斯结构透镜。
次级成像光学系统2包括若干子次级成像光学系统21，若干子次级成像光学系统21沿光路设置在球面一次像面之后，并且子次级成像光学系统21位于以主成像光学系统1的中心位置为球心的半球面上，用于将球面一次像面折转进而分割为若干子图像，并且使得相邻子图像之间存在视场重叠，同时矫正主成像光学系统1的残余像差。
本实施例中主成像光学系统1主要利用类双高斯结构的主成像光学系统，结合次级光学成像系统得到若干个子图像，最后利用图像处理算法，将子图像拼接为一幅宽视场图像，最终实现宽视场成像，从而使得成像系统同时具备大尺度能量收集和小尺度高分辨率分视场成像的能力，成像质量高，能够有效实现大范围持续观测，同时获取观测视场目标的细节信息，解决了广域成像与高分辨率成像的矛盾，增加了可探测距离，从而实现了高空远距离成像。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对主成像光学系统的具体结构和次级成像光学系统的结构进行详细说明。
请参见图2a-图2c，图2a-图2c为本发明实施例提供的一种主成像光学系统的设计过程示意图。主成像光学系统1作为宽视场高分辨率成像系统的重要组成结构，其设计过程为：首选选取对称的单中心物镜A1，该单中心物镜中有一个包含曲率中心的球透镜A2形成球透镜结构A，然后在该共心球透镜分裂的两半之间插入一个气隙B，请参见图2a；通过引入气隙B，优化了系统的曲率半径。之后，在气隙B与像面之间插入透镜元件C，透镜元件C位于球透镜结构A的外侧，以减少横向色差；透镜元件C的厚度可以与球透镜结构A中的单中心物镜的厚度相近。接着在气隙B与物面之间插入另一个透镜元件D，使透镜元件D与透镜元件C形成一对元件，其结构类似于对称的双高斯透镜，请参见图2b。可以根据设计需求改变透镜元件C、D的厚度和直径；透镜元件C与球透镜结构A之间、透镜元件D与球透镜结构A之间的间隔也可以改变，以适应透镜的厚度要求，请参见图2c；另外，气隙的大小也可以进行改变；透镜的材质也可以根据需求进行调整以减小横向色差。
具体地，设计好的主成像光学系统1的结构请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种主成像光学系统的结构示意图。该主成像光学系统1包括第一透镜组11和第二透镜组12，第一透镜组11和第二透镜组12沿光轴方向依次设置，并且在第一透镜组11和第二透镜组12之间设置气隙B将二者相隔开，第一透镜组11中靠近气隙B的透镜与第二透镜组12中靠近气隙B的透镜形成球透镜结构，且外侧的透镜与球透镜结构共同形成类双高斯结构。
进一步地，透镜组11、12可以各包含三片透镜，靠近气隙B的四片透镜形成共心球透镜结构，六片透镜共同形成类双高斯结构；透镜组11、12也可以各包含四片透镜，靠近气隙B的四片透镜形成共心球透镜结构，八片透镜共同形成类双高斯结构。通过共心球透镜结构与外侧透镜共同形成类双高斯结构，可以实现成像系统的长焦距广域成像与高分辨率成像。
在一个具体实施例中，第一透镜组包括第一透镜111、第二透镜112和第三透镜113，第二透镜组12包括第四透镜121、第五透镜122和第六透镜123。第一透镜111、第二透镜112和第三透镜113沿光轴方向依次设置，第三透镜113位于靠近气隙的一侧。第四透镜121位于靠近气隙的一侧，且第四透镜121、第五透镜122和第六透镜123沿光轴方向依次设置。
第一透镜111为凹凸型透镜，第二透镜112为凸凹型透镜，第三透镜113为凹凸型透镜，第四透镜121为凹凸型透镜，第五透镜122为凸凹型透镜，第六透镜为凹凸型透镜。
进一步地，第二透镜112与第三透镜113之间互相胶合形成第一胶合面；第三透镜113与第四透镜121之间为气隙；第四透镜121与第五透镜122之间相互胶合形成第二胶合面。第六透镜123和第一透镜111之间、第一透镜111与第二透镜112之间可以相互胶合，也可以不接触。优选地，第一透镜111与第二透镜112之间相距一定距离，第六透镜123与第五透镜122相互胶合形成第三胶合面，此时，系统不仅可以满足远距离、宽视场、高分辨率的要求，而且可以满足透镜的厚度和直径要求，成像系统焦距制造技术限制较小。透镜112、113、121、122共同形成球透镜结构，六片透镜111、112、113、121、122、123形成类双高斯结构。
上述类双高斯结构为初始结构，初始结构采用六片透镜结构，并采用不同材料、不同类型的同心弯月形玻璃组合以矫正横向色差和像散，使球面一次像面的各个视场位置的成像质量相似，从而使不同视场位置的次级成像光学系统能够进一步矫正像差。而且主成像光学系统中不设置光阑，只作为光能收集系统，可解决传统大视场成像系统边缘照度降低的问题。
采用胶合后的具有九个面的主成像光学系统1，其每个面的曲率半径满足以下条件：第一透镜111入射面的曲率半径为225～229mm，第一透镜111出射面的曲率半径为523～527mm，第二透镜112入射面的曲率半径为642～646mm，第一胶合面的曲率半径为110～114mm，第三透镜113出射面的曲率半径为3×105～7×105mm，第四透镜121入射面的曲率半径为-2602～-2606mm，第二胶合面的曲率半径为-88～-92mm，第三胶合面的曲率半径为-156～-160mm，第六透镜123出射面的曲率半径为-141～-145mm，主成像光学系统1像面的曲率半径为-403～-407mm。每个面的半口径满足以下条件：第一透镜111入射面的半口径为106～110mm，第一透镜111出射面的半口径为101～105mm，第二透镜112入射面的半口径为87～91mm，第一胶合面的半口径为68～72mm，第三透镜113出射面的半口径为66～70mm，第四透镜121入射面的半口径为60～64mm，第二胶合面的半口径为62～66mm，第三胶合面的半口径为74～78mm，第六透镜123出射面的半口径为81～85mm，主成像光学系统1像面的半口径为12～16mm。沿光轴方向上，相邻两个面之间的距离满足以下条件：第一透镜111的厚度为26～30mm，第一透镜111出射面至第二透镜112入射面的距离为24～28mm，第二透镜112的厚度为25～29mm，第三透镜113的厚度为28～32mm，第三透镜113出射面至第四透镜121入射面的距离为45～49mm，第四透镜121的厚度为28～32mm，第五透镜122的厚度为23～27mm，第六透镜123的厚度为25～29mm，第六透镜123出射面至主成像光学系统1像面的距离为288～292mm。
进一步地，整个主成像光学系统1的长度即第一透镜111入射面至第六透镜123出射面之间的距离为240～244mm。
在一个具体实施例中，次级成像光学系统2的设计原理为：
次级成像光学系统2中的子次级成像光学系统21将主成像光学系统1的大视场分成若干小视场，每个子次级成像光学系统21作为整个光学成像系统的一个子光路，最终将经过主成像光学系统1的光线二次透射并在若干探测器面上形成若干子图像，且子图像的成像质量需在容忍度内(即成像质量相似)；两两相邻的子图像之间存在视场重叠，使得相邻子图像之间存在信息冗余，才可根据所有子图像重构大视场高分辨率图像，因此需控制子次级成像光学系统21的口径大小；另外，由于主成像光学系统1着重矫正横向色差，不校正二级光谱，次级成像光学系统2需考虑对主成像光学系统1的残余像差及二级光谱进行矫正。
综上，次级成像光学系统2将球面一次像面的一部分作为物面，将其成像于探测器上，利用其缩倍效果消除球面一次像面上探测器的成像盲区，作用类似倒置显微镜。因此在设计时选择平场物镜为其初始结构。进一步地，次级成像光学系统2的结构请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种次级成像光学系统2的结构示意图。
图4中，次级成像光学系统2包括若干子次级成像光学系统21，若干所述子次级成像光学系统21分布在以主成像光学系统1的中心位置为球心的半球面上。每个子次级成像光学系统21均包括沿光路方向依次排布的第七透镜211、第八透镜212、第九透镜213、第十透镜214、第十一透镜215、第十二透镜216和第十三透镜217。
第七透镜211为凸凹型透镜，第八透镜212为凸凹型透镜，第九透镜213为平凸型透镜，第十透镜214为凸凹型透镜，第十一透镜215为双凸型透镜，第十二透镜216为双凸型透镜，第十三透镜217为双凹型透镜。
进一步，第七透镜211与第八透镜212之间相距预设距离，第八透镜212与第九透镜213之间相互胶合形成第四胶合面，第九透镜213与第十透镜214之间相距预设距离，第十透镜214与第十一透镜215之间相互胶合形成第五胶合面，第十一透镜215与第十二透镜216之间相距预设距离，第十二透镜216与第十三透镜217之间相距预设距离。
进一步地，次级成像光学系统2具有12个面。12个面中，其每个面的曲率半径满足以下条件：第七透镜211入射面的曲率半径为28～32mm，第七透镜211出射面的曲率半径为15～19mm，第八透镜212入射面的曲率半径为24～28mm，第四胶合面的曲率半径为12～16mm，第九透镜213出射面为平面(其曲率半径为无穷大)，第十透镜214入射面的曲率半径为42～46mm，第五胶合面的曲率半径为8～12mm，第十一透镜215出射面的曲率半径为-51～-55mm，第十二透镜216入射面的曲率半径为8～12mm，第十二透镜216出射面的曲率半径为-30～-34mm，第十三透镜217入射面的曲率半径为-18～-22mm，第十三透镜217出射面的曲率半径为8～12mm。其每个面的半口径满足以下条件：第七透镜211入射面的半口径为8～12mm，第七透镜211出射面的半口径为7～11mm，第八透镜212入射面的半口径为7～11mm，第四胶合面的半口径为7～11mm，第九透镜213出射面的半口径为6～10mm，第十透镜214入射面的半口径为3～7mm，第五胶合面的半口径为3～7mm，第十一透镜215出射面的半口径为3～7mm，第十二透镜216入射面的半口径为4～8mm，第十二透镜216出射面的半口径为3～7mm，第十三透镜217入射面的半口径为2～6mm，第十三透镜217出射面的半口径为1～5mm，次级成像光学系统2像面的半口径为1～5mm。沿光路方向上，相邻两个面之间的距离为：第七透镜211的厚度为4～8mm，第七透镜211出射面至第八透镜212入射面的距离为1～5mm，第八透镜212的厚度为9～13mm，第九透镜213的厚度为9～13mm，第九透镜213出射面至第十透镜214入射面的距离为28～32mm，第十透镜214的厚度为6～10mm，第十一透镜215的厚度为2～6mm，第十一透镜215出射面至第十二透镜216入射面的距离为14～18mm，第十二透镜216的厚度为4～8mm，第十二透镜216出射面至第十三透镜217入射面的距离为1～4mm，第十三透镜217的厚度为1～4mm，第十三透镜217出射面至像面的距离为1～4mm。
进一步地，整个子次级成像光学系统21的长度即第七透镜211入射面至第十三透镜217出射面之间的距离为92～96mm。每个子次级成像光学系统21入射面与主成像光学系统1出射面之间的距离为391～395mm。
需要说明的是，本发明实施例的子次级成像光学系统21的结构不限于上述结构，能实现本发明实施例次级成像光学系统2的功能的结构均可应用于该成像系统中。
次级成像光学系统2还包括若干探测器22，若干探测器22一一对应设置在若干子次级成像光学系统21之后，探测器22用于接收子次级成像光学系统21所形成的存在视场重叠的子图像。
本实施例中将类双高斯结构应用于多尺度二次成像系统，使远距离广域高分辨率成像成为了现实并具备了应用的价值，相比于共心球透镜多尺度二次成像系统焦距可提高五倍以上，大大增加了可探测距离；同时克服了传统大视场成像技术的弊端，解决了广域成像与高分辨率成像的矛盾，其光学成像系统焦距可达300mm，分辨率可达10cm@6km，在保证宽视场成像的同时，成像质量高，分辨率高，可满足高空光电侦查的要求；另外，为应用于机载设备，本实施例将主体结构采用一体化轻量化设计，次级小相机阵列也采取一体化轻量化设计，提高了设备可靠性，减轻了设计以及加工上的工作。
实施例三
在实施例二的基础上，本实施例采用图3和图4所形成的成像系统，按照如下设计需求对该成像系统进行优化：系统焦距115mm，满足长焦远距离成像(7km左右)需求，成像瞬时视场36°×36°，选用探测器为Sony IMX226，像元尺寸1.85μm×1.85μm，有源像素阵列4000(H)×3000(V)，有效感光面积7.5mm(H)×5.55mm(V)，约12M像素，帧频30fps；成像波段为可见光波段。
优化后，主成像光学系统1的结构参数请参见表1，每个子次级成像光学系统21的结构参数请参见表2。
Surf:Type Radius Thickness Glass Semi-Diameter
OBJ Infinity Infinity - Infinity
1 227.825 28.093 BSM93 108.187
2 525.343 26.459 103.430
3 644.340 27.033 D-ZK2L 89.777
4 112.819 30.000 FPL53 70.828
5 5.660E+005 23.173 68.928
STO Infinity 9.777 55.974
7 Infinity 14.009 58.059
8 -2604.469 30.301 FPL53 62.856
9 -90.974 25.876 H-LAF50A 64.041
10 -158.493 27.567 BSM93 76.152
11 -143.181 290.760 83.430
IMA -405.615 - - 14.616
表1
表1中，Surf:Type为面的位置，Radius为面的曲率半径，Thickness为第n个面至第n+1个面的距离，Semi-Diameter为面的半口径，Glass为透镜材质；OBJ为物面，STO为主成像光学系统1的光阑(优化时将该光阑插入，优化完成后将该光阑去除)，7为自定义面，STO和7均位于气隙中，IMA为像面，1、2、3、4、5、8、9、10、11依次为沿光轴方向上的透镜的各个面，例如1为第一透镜111入射面，4为第一胶合面；Infinity为无穷。
Figure BDA0002199640900000151
表2
表2中，1、2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13依次为沿光轴方向上的透镜的各个面，例如4为第八透镜212与第九透镜213形成的第四胶合面；STO为子次级成像光学系统21的光阑。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种优化后的成像系统的结构示意图。该成像系统的总长度d为733.594mm，主成像光学系统1的长度d1为242.288mm，子次级成像光学系统21的总长度d2为95.431mm。
请参见图6a-图6d，图6a-图6d为本发明实施例提供的一种优化后的成像系统的成像示意图。图6a为系统成像点列图，其中，SPOT DIAGRAM代表点阵列，RMS RADIUS代表RMS半径；以左上图为例，OBJ:0.0000DEG代表0°视场，IMA：0.00MM代表像面为0.00MM。若选用探测器像元尺寸为1.85微米，从图6a可以看出0°视场弥散斑为1.014，小于像元尺寸1.85，其红光、蓝光和绿光的半径都很小，因此三种光球差都很小；1.4°视场弥散斑为1.265，小于像元尺寸1.85，其中，三种光较为集中，但上宽下窄，因此有轻微慧差产生；而边缘视场2°视场处，弥散斑为2.973，其数值接近像元尺寸，红光比较集中，而蓝光和绿光的半径比较大，所以红光球差相对较小，绿光和蓝光的球差非常大。而且三色的像斑不重合，分开的比较大，存在很严重的垂轴色差和像散，但这部分视场是冗余信息，因此可忽略。
图6b中MTF曲线图，其中，横坐标SPATIAL FREQUENCY IN CYCLESPRE MM代表空间频率(线对/MM)，纵坐标MODULUS OF THE OTF代表调制传递函数MTF，T、S分别代表子午、弧矢光线，DEG度数。从图6b可以看出，光学系统在截止频率271lp/mm处，MTF值可达0.3，接近衍射极限；不同视场的MTF曲线都趋近于理想情况下的MTF曲线，即各个曲线都接近黑线；并且各个视场的MTF曲线趋于平滑，并且在低频信息部分和高频信息部分都对比度都高于0.3以上；在不同视场子午方向和弧矢方向的光线分开程度几乎未分开，即每个视场信息相同，不会发生扭曲现象。
图6c中，FIELD CURVATURE/F-TAN(THETA)DISTORTION代表系统场曲、畸变图，MAXIMUM FIELD IS 2.000 DEGREES代表最大视场2°，WAVELENGTHS代表波长，FIELDCURVATURE代表场曲，DISTORTION代表畸变。从图6c可以看出，三条线越靠近上端越分离，而且距离纵轴距离有所增加，但其在可容忍范围内，由此判断子午和弧矢场曲可接受，并且，红光、蓝光和绿光的位置有所偏移，因此三种光的光线并不完全重合，有略微的偏移。
图6d中，OPTICAL PATH DIFFERENCE为系统球差、色差图，以左上图为例，OBJ：0.0000DEG代表0°视场。由图6d判断出，其子午垂轴像差曲线弯曲轻微，则子午慧差小；其弧矢垂轴像差在原点处的斜率小，则弧矢场曲小；其子午垂轴像差的各色差曲线垂轴向分离的距离小，则子午垂轴色差小。
结合图6a-图6d可以得出，表1和表2的设计结果满足设计需求。
本实施例的成像系统在满足宽视场高分辨率成像要求同时，成像结果畸变程度小，能获得一致性的图像分辨率，大大提高空间信息的判读性，能够及时对整体战略进行准确判断；该成像系统具有良好的环境适应性，可提高在复杂背景条件下对目标的侦察和识别拦截能力，增加目标侦察与识别等方面的时效性。将该成像系统运用到无人机侦察领域，可满足宽视场场景的观察需求，提高其大面积、大范围搜索侦察能力；高分辨率成像提高了目标侦察的准确性，可以获得有针对性的、实时的、详细的目标信号情报，具有很高的工程应用价值。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，包括：
主成像光学系统(1)，包括类双高斯结构透镜，用于将观测视场成像于球面一次像面，并在成像过程中矫正成像的横向色差和色散；
所述主成像光学系统(1)包括第一透镜组(11)和第二透镜组(12)，其中，所述第一透镜组(11)与所述第二透镜组(12)沿光轴方向依次设置且彼此通过气隙(B)相隔开，所述第一透镜组(11)中靠近所述气隙(B)的透镜与所述第二透镜组(12)中靠近所述气隙(B)的透镜形成球透镜结构，且所述第一透镜组(11)与所述第二透镜组(12)形成类双高斯结构；
所述第一透镜组(11)包括第一透镜(111)、第二透镜(112)和第三透镜(113)，所述第二透镜组(12)包括第四透镜(121)、第五透镜(122)和第六透镜(123)，所述第一透镜(111)、所述第二透镜(112)和所述第三透镜(113)沿所述光轴方向依次设置，所述第一透镜(111)与所述第二透镜(112)之间相距预设距离，所述第二透镜(112)与所述第三透镜(113)之间相互胶合形成第一胶合面；所述第四透镜(121)、所述第五透镜(122)和所述第六透镜(123)沿所述光轴方向依次设置，所述第四透镜(121)和第五透镜(122)之间相互胶合形成第二胶合面，所述第五透镜(122)和所述第六透镜(123)之间相互胶合形成第三胶合面；
所述第一透镜(111)入射面的曲率半径为225～229mm，所述第一透镜(111)出射面的曲率半径为523～527mm，所述第二透镜(112)入射面的曲率半径为642～646mm，所述第一胶合面的曲率半径为110～114mm，所述第三透镜(113)出射面的曲率半径为3×105～7×105mm，所述第四透镜(121)入射面的曲率半径为-2602～-2606mm，所述第二胶合面的曲率半径为-88～-92mm，所述第三胶合面的曲率半径为-156～-160mm，所述第六透镜(123)出射面的曲率半径为-141～-145mm，所述主成像光学系统(1)像面的曲率半径为-403～-407mm；
次级成像光学系统(2)，包括若干子次级成像光学系统(21)，若干所述子次级成像光学系统(21)设置在所述球面一次像面之后且分布在以所述主成像光学系统(1)的中心位置为球心的半球面上，用于将所述球面一次像面分割为若干子图像且使相邻所述子图像之间存在视场重叠，同时矫正所述主成像光学系统(1)的残余像差。
2.如权利要求1所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，所述第一透镜(111)入射面的半口径为106～110mm，所述第一透镜(111)出射面的半口径为101～105mm，所述第二透镜(112)入射面的半口径为87～91mm，所述第一胶合面的半口径为68～72mm，所述第三透镜(113)出射面的半口径为66～70mm，所述第四透镜(121)入射面的半口径为60～64mm，所述第二胶合面的半口径为62～66mm，所述第三胶合面的半口径为74～78mm，所述第六透镜(123)出射面的半口径为81～85mm，所述主成像光学系统(1)像面的半口径为12～16mm。
3.如权利要求1所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，沿所述光轴方向上，所述第一透镜(111)的厚度为26～30mm，所述第一透镜(111)出射面至所述第二透镜(112)入射面的距离为24～28mm，所述第二透镜(112)的厚度为25～29mm，所述第三透镜(113)的厚度为28～32mm，所述第三透镜(113)出射面至所述第四透镜(121)入射面的距离为45～49mm，所述第四透镜(121)的厚度为28～32mm，所述第五透镜(122)的厚度为23～27mm，所述第六透镜(123)的厚度为25～29mm，所述第六透镜(123)出射面至所述主成像光学系统(1)像面的距离为288～292mm。
4.如权利要求1所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，所述子次级成像光学系统(21)包括沿光路方向依次分布的第七透镜(211)、第八透镜(212)、第九透镜(213)、第十透镜(214)、第十一透镜(215)、第十二透镜(216)和第十三透镜(217)，其中，
所述第七透镜(211)为凸凹型透镜，所述第八透镜(212)为凸凹型透镜，所述第九透镜(213)为平凸型透镜，所述第十透镜(214)为凸凹型透镜，所述第十一透镜(215)为双凸型透镜，所述第十二透镜(216)为双凸型透镜，所述第十三透镜(217)为双凹型透镜；
所述第七透镜(211)与所述第八透镜(212)之间相距预设距离，所述第八透镜(212)与所述第九透镜(213)之间相互胶合形成第四胶合面，所述第九透镜(213)与所述第十透镜(214)之间相距预设距离，所述第十透镜(214)与所述第十一透镜(215)之间相互胶合形成第五胶合面，所述第十一透镜(215)与所述第十二透镜(216)之间相距预设距离，所述第十二透镜(216)与所述第十三透镜(217)之间相距预设距离。
5.如权利要求4所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，所述第七透镜(211)入射面至所述第十三透镜(217)出射面之间的距离为92～96mm。
6.如权利要求1所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，每个所述子次级成像光学系统(21)与所述主成像光学系统(1)之间的距离为391～395mm。
7.如权利要求1所述的基于类双高斯结构的成像系统，其特征在于，所述次级成像光学系统(2)还包括若干探测器(22)，若干所述探测器(22)一一对应设置在若干所述子次级成像光学系统(21)之后，所述探测器(22)用于接收存在视场重叠的所述子图像。
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