CN112711126A - 光学拼接成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学拼接成像装置，包括一个一次成像光学系统和两个二次成像光学系统，在一次成像光学系统的一次像面处设置有分光元件，一次成像光学系统在一次像面处的成像经分光元件的反射一分为二后，分别进入两个二次成像光学系统进行二次成像；分光元件具有相垂直的两个反射面，两个反射面分别与入射光束成45°夹角，两个反射面的相交处位于一次像面上。本发明以光学拼接方式实现视场的无缝拼接，不能存在视场盲区，通过分光元件的设置能够将能量损失降至最低，从而降低对光学系统的相对孔径的要求，保证透镜的可加工性。

Description

光学拼接成像装置

技术领域

本发明涉及微纳制备技术领域，特别涉及一种光学拼接成像装置。

背景技术

随着光学系统及成像探测器件的发展，用户希望光学探测设备同时具备高分辨及大视场的能力。在成像探测器件靶面大小固定的前提下，提升光学系统的焦距，可以提升图像的细节分辨能力，但系统观测的视场范围将成比例缩小，因此需要更大尺寸的图像传感器来提升光学系统的视场范围，然而大尺寸高分辨的图像传感器加工制造难度高，为此常采用多传感器拼接工艺来提高视场范围。

多传感器拼接工艺包括机械拼接和光学拼接。如图1所示，机械拼接是将图像传感器紧密的排列在一起形成一个具有较大面积的图像传感器，但是相邻的两个图像传感器边缘之间存在非感光区即视场盲区，这样无法实现无缝拼接。如图2所示，光学拼接可以实现无缝拼接，通过半反半透的分光棱镜实现对最终像面形成两个图像，而两个图像传感器分别位于新形成的两幅图像的半侧区域，由于没有探测空间接触的限制，其最终形成的图像不存在盲区，实现无缝拼接，但是该方法存在着能量损失的问题，分光棱镜为镀有半反半透膜的立方体分光棱镜，因此系统的能量会损失50％，为了减小半反半透膜带来的能量损失，通常需要将光学系统的相对孔径做得较大，前端光学系统的口径需要增加，而受限光学材料，一般可加工的最大光学透镜的口径为145mm之下，一些镧系等特种玻璃在110mm之下，因此光学系统的口径不能无限制增大，因此采用镀有半反半透膜的正方体分光棱镜不适用于大口径透射式光学系统。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光学拼接成像装置，以解决传统的机械拼接方式存在视场盲区及传统的光学拼接方式存在能量损失导致光学系统口径受限的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种光学拼接成像装置，包括一个一次成像光学系统和两个二次成像光学系统，在一次成像光学系统的一次像面处设置有分光元件，一次成像光学系统在一次像面处的成像经分光元件的反射一分为二后，分别进入两个二次成像光学系统进行二次成像；分光元件具有相垂直的两个反射面，两个反射面分别与入射光束成45°夹角，两个反射面的相交处位于一次像面上。

优选地，分光元件为截面是等腰直角三角形的全反射棱镜，构成90°夹角的两个面分别为反射面，两个反射面相交的棱边位于一次像面上。

优选地，分光元件为形成90°夹角的两个反射片，两个反射片的表面均为反射面，两个反射片相交的棱边位于一次像面上。

优选地，一次成像光学系统为像方圆心成像系统。

优选地，一次成像光学系统包括用于校正色差、光束汇聚的前固定镜组、用于校正轴外像差及调焦的后固定镜组和实现像方圆心的胶合透镜。

优选地，在前固定镜组与后固定镜组之间设置有实现变焦的变倍镜组和用于变倍补偿的补偿镜组。

优选地，在补偿镜组与后固定镜组之间设置有光阑。

优选地，二次成像光学系统为物方远心成像系统，实现与一次成像光学系统的光瞳衔接。

优选地，在两个反射面的反射方向上分别设置有折转反射镜，两个二次成像光学系统分别设置在折转反射镜的反射方向上，使两个二次成像光学系统的光轴与一次成像光学系统的光轴平行。

本发明能够取得以下技术效果：

1、采用光学拼接方式实现视场的无缝拼接，增大光学系统的视场范围，相邻的两个图像传感器之间不存在视场盲区。

2、通过在一次像面处设置分光元件，以全反射方式将系统能量的损失降至最低，避免因半反半透分光导致能量损50％，降低对光学系统的相对孔径的要求，保证透镜的可加工性。

3、通过分光元件与两个光学成像系统的配合，使两个图像传感器的成像不存在视场冗余的情况。

4、分光元件中两个反射面相交的棱边位于一次像面上，避免一次像面出现渐晕现象。

5、折转反射镜的设置能够压缩光学拼接成像装置的体积。

附图说明

图1为传统的机械拼接的结构示意图；

图2为传统的光学拼接的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的光学拼接成像装置的整体结构示意图；

图4是根据本发明实施例的全反射棱镜的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的一次成像光学系统的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的一次成像光学系统的变焦过程示意图；

图7是根据本发明实施例的二次成像光学系统的结构示意图。

其中的附图标记包括：一次成像光学系统1、前固定镜组11、后固定镜组12、胶合透镜13、变倍镜组14、补偿镜组15、光阑16、一次像面17、分光元件2、二次成像光学系统3、折转反射镜4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面以具体实施例对本发明提供的光学拼接成像装置的结构进行详述。

图3示出了是根据本发明实施例的光学拼接成像装置的整体结构。

如图3所示，本发明实施例提供的光学拼接成像装置，包括：一个一次成像光学系统1、一个分光元件2和两个二次成像光学系统3，一次成像光学系统1用于进行一次成像，分光元件2位于一次成像光学系统1的一次像面上，用于对一次成像进行反射分光，两个二次成像光学系统3设置在分光元件2的两个反射方向上，用于对分光后的光束进行二次成像。

分光元件2具有两个相垂直的两个反射面，两个反射面所形成的夹角为90°，该两个反射面与入射光束所成的夹角为45°，从而对一次成像光学系统1的一次像面进行平分。

该分光元件2可以为形成90°夹角的两个反射片，或为截面是等腰直角三角形的全反射棱镜。下面以全反射棱镜为例对本发明的分光原理进行说明，两个反射片构成的分光元件2同理可得。

图4示出了根据本发明实施例的全反射棱镜的结构。

如图4所示，全反射棱镜具有形成直角的两个面，将这两个面作为反射面，两个反射面与入射光束所成的夹角分别为45°，即两个反射面与一次成像光学系统1的光轴形成45°的夹角，这样可以实现对一次成像光学系统1的一次像面的平分，将一次成像光学系统1的一次像面均匀的一分为二。并且两个反射面与一次成像光学系统1的光轴形成45°的夹角，能够实现光束的全反射，反射率达到95％左右，能够将能量损失降至最低，相比半反半透分光导致能量损50％，能够大幅度提升能量利用率，从而降低对一次成像光学系统1的相对孔径，保证一次成像光学系统中透镜的可加工性。

两个反射面相交的棱边必须要位于一次成像光学系统1的一次像面上。这样做的原因在于：如果两个反射面相交的棱边位于一次像面之前或之后的位置，会引起不均匀的渐晕现象，一次像面中心视场渐晕最为明显，其高渐晕系数为50％，也就是说若一副照度均匀的图像，经过上述位置的全反射棱镜后，会引导致中心点亮度是边缘点亮度的50％，并且以中心点为圆心渐晕系数逐渐降低的圆形区域。通过上述剖析可知，必须将两个反射面相交的棱边设置在一次成像光学系统1的一次像面上。

经过全反射棱镜分光后，形成方向相反并成180°角的光束，各自进入一个二次成像光学系统3进行二次成像。

由于分光后的光束方向相反且无法重叠，因此形成的两个视场不存在冗余情况，即最终所成的两幅图像没有重合的部分。并且，两个二次成像光学系统3所成的图像能够同时被观看。

图5示出了根据本发明实施例的一次成像光学系统的结构。

如图5所示，一次成像光学系统1包括前置镜组11和后固定镜组12，前置镜组11起到校正色差及光束汇聚的作用，后固定镜组12分为两部分，其中的两片弯月形透镜起到校正轴外像差的作用，而其他透镜起到距离调焦及温度调焦的作用，经从后固定镜组12出射的光束接近平行光。

在后固定镜组12的后方，位于一次像面之前的位置增加一组胶合透镜13，使一次成像光学系统1成为像方远心光路，实现像方远心功能。

前置镜组11与后固定镜组12构成定焦的光学系统，本发明可以在前置镜组11与后固定镜组12增设变倍镜组14和补偿镜组15，将一次成像光学系统1成为变焦的光学系统，变倍镜组14用于实现一次成像光学系统1的变焦，而补偿镜组15用于实现变倍补偿，保证连续变焦的一次像面17位置不变。

在本发明的一个示例中，在补偿镜组15与后固定镜组12之间设置有光阑16。

前固定镜组11包括三块透镜、后固定镜组12包括由两块透镜胶合而成的胶合透镜和两个透镜，胶合透镜13由两块透镜胶合而成，变倍镜组14包括三块透镜，补偿镜组15包括三块透镜和由两块透镜胶合而成的胶合透镜。

前固定镜组11、后固定镜组12、胶合透镜13、变倍镜组14、补偿镜组15、光阑16的具体光学参数如表1所示：

表1

通过对上述光学元件的设计，使一次成像光学系统1的相对口径为1/5.6，系统视场范围33°×11°—12°×3.8°，可见光工作谱段，形成的一次像面为直径为53.6mm直径的圆形区域。

图6示出了根据本发明实施例的一次成像光学系统的变焦过程。

如图6所示，通过调节变倍镜组14与补偿镜组15的位置实现一次成像光学系统1在80mm～240mm范围内的连续变焦。

由于一次成像光学系统1为像方远心成像系统，为了配合一次成像光学系统1，将二次成像光学系统3设计为物方远心成像系统，构成物方远心光路，实现与一次成像光学系统1的光瞳衔接，即实现一次成像光学系统1与二次成像光学系统3的孔径角对接。

图7示出了根据本发明实施例的二次成像光学系统的结构。

如图7所示，二次成像光学系统3包括六块透镜和两个分别由两块透镜胶合而成的胶合透镜和用于二次成像的图像传感器。

二次成像光学系统3中光学元件的参数如表2所示：

表2

为了缩短光学拼接成像装置的体积，在分光元件2的两个反射方向分别设置一个折转反射镜4，两个二次成像光学系统3分别设置在各自对应的折转反射镜4的反射方向上，使两个二次成像光学系统3的光轴分别与一次成像光学系统1的光轴平行，从而实现光学拼接成像装置的小型化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光学拼接成像装置，包括一个一次成像光学系统和两个二次成像光学系统，其特征在于，在所述一次成像光学系统的一次像面处设置有分光元件，所述一次成像光学系统在一次像面处的成像经所述分光元件的反射一分为二后，分别进入两个二次成像光学系统进行二次成像；所述分光元件具有相垂直的两个反射面，两个反射面分别与入射光束成45°夹角，所述两个反射面的相交处位于所述一次像面上。

2.根据权利要求1所述的光学拼接成像装置，其特征在于，所述分光元件为截面是等腰直角三角形的全反射棱镜，构成90°夹角的两个面分别为反射面，两个反射面相交的棱边位于所述一次像面上。

3.根据权利要求1所述的光学拼接成像装置，其特征在于，所述分光元件为形成90°夹角的两个反射片，两个反射片的表面均为反射面，两个反射片相交的棱边位于所述一次像面上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学拼接成像装置，其特征在于，所述一次成像光学系统为像方圆心成像系统。

5.根据权利要求4所述的光学拼接成像装置，其特征在于，所述一次成像光学系统包括用于校正色差、光束汇聚的前固定镜组、用于校正轴外像差及调焦的后固定镜组和实现像方圆心的胶合透镜。

6.根据权利要求5所述的光学拼接成像装置，其特征在于，在所述前固定镜组与所述后固定镜组之间设置有实现变焦的变倍镜组和用于变倍补偿的补偿镜组。

7.根据权利要求6所述的光学拼接成像装置，其特征在于，在所述补偿镜组与所述后固定镜组之间设置有光阑。

8.根据权利要求6所述的光学拼接成像装置，其特征在于，所述二次成像光学系统为物方远心成像系统，实现与所述一次成像光学系统的光瞳衔接。

9.根据权利要求8所述的光学拼接成像装置，其特征在于，在两个反射面的反射方向上分别设置有折转反射镜，两个二次成像光学系统分别设置在所述折转反射镜的反射方向上，使两个二次成像光学系统的光轴与所述一次成像光学系统的光轴平行。

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