CN113251947A - 一种成像探测器系统及其成像探测器 - Google Patents

一种成像探测器系统及其成像探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种成像探测器系统及其成像探测器，该成像探测器包括面阵探测芯片，前端电路，后端电路，调焦促动器，软质排线，软质散热片，以及底板。本发明涉及成像领域，解决了现有短焦深光学成像系统易受环境影响产生离焦的问题，通过成像探测器所成图像，根据离焦量计算模块分析准焦位置，通过控制模块控制单个成像探测器的调焦促动器，使面阵探测芯片移动到准焦位置，最后通过图像融合模块实现全视场清晰成像。本发明可以快速准确矫正离焦误差，解决了现有技术方法对于短焦深光学成像系统操作繁琐，精度低的问题。

Description

一种成像探测器系统及其成像探测器
技术领域
本发明涉及成像探测装置，特别是涉及一种应用于短焦深光学系统的全靶面成像的成像探测装置。本发明可以通过实时探测成像系统的离焦误差，精确移动成像探测器位置，并结合图像融合技术，实现全成像靶面清晰成像，具体来说是一种可以应用于大口径、大视场、短焦深光学成像系统的装置。
背景技术
光学成像系统是当今获取信息的一个重要途径，可以突破人眼的限制，帮助人们更好的获取信息，而随着技术的发展，为了获取更多信息，高分辨率、大视场范围成像一直是这一领域的重要发展方向之一。但受限于光学成像系统的探测器物理尺寸的大小，大视场和高分辨率是一对相互矛盾的性能参数。一方面，为了在一定的靶面尺寸内实现较大视场的成像，只能缩短光学成像系统的焦距大小，而焦距的缩短限制了系统的分辨率；另一方面，为了实现近衍射极限的高分辨率成像，对于大口径光学成像系统，其有限靶面尺寸所能成像的视场范围将减小。
目前，大口径、大视场高分辨率成像探测器主要应用在两个方面。一是地基巡天望远镜，其视场为3°至10°，分辨率为5至10倍衍射极限；二是天基对地观测空间相机，其视场为1°至3°，分辨率接近衍射极限。对于这两类光学成像系统，由于其目前正向着强集光能力、高分辨力、全波段成像的方向发展，具有较大的通光口径，导致系统具有较小的F数。当光学成像系统的波像差在四分之一波长大小内，可以近似认为系统理想成像。对于理想成像系统，成像探测器离焦量为半焦深大小时，系统的调制传递函数(MTF)将下降约20％。这样的要求对大口径成像系统(F/#＜5)是十分苛刻的。例如，当F/#＝2.6(F/#是系统焦距与通光口径的比值)时，波长为650nm时，可以实现近衍射极限成像的半焦深大小只有5.36微米，因此需要能够高精度定位的成像探测器。
同时对于这两种应用，单个成像探测器均难以满足其视场需求，往往需要多个探测器进行拼接。对于大成像靶面的拼接成像探测器，在拼接过程中，保持小于理想成像半宽的拼接误差是十分困难的，特别是对于天基成像系统而言，严酷的发射过程和复杂的空间环境增加了拼接系统使用时的不确定性。对于空间光学载荷而言，其各项环境指标与地面有所不同，当周围环境因素发生剧烈变化时，则很难保证系统正常稳定的工作。因此在空间中，当温度、气压、重力等外界因素急剧变化时，成像系统靶面有很大几率产生离焦现象，尤其对于短焦深系统而言，造成成像清晰度下降，无法达到设计指标要求。同样，极端的环境变化会加剧单个探测器的面型误差，使得单个成像探测器仅能局部范围清晰成像；以及不同视场出现新的，设计中未出现的像差。因此，对于这类光学成像系统而言，需要一种能实时补偿其装调、拼接、面型误差等因素所导致的成像质量下降的问题的成像探测装置，以增强精密光学仪器在极端环境条件下使用的鲁棒性。
目前，就类似成像探测装置，在应用于如上所述背景中时，有其不足之处，主要包括以下几点：(1)目前已存在的一些系统的成像探测器无法实时动态调节，主要依靠光学反射式镜片、透射式镜片等成像系统部件来进行调节，这在大口径、大视场的光学成像系统中实现较困难；(2)对于短焦深高分辨率光学成像系统，达到衍射极限成像，需要控制成像探测器的定位精度达到1微米，目前方案无法满足精度要求；(3)为了应对极端使用环境，需要成像探测器可以在大范围：±100微米范围内调节；(4)为了快速获取信息，需要极高的动态实时调节速度。以上可见，现有方案不能满足调节方式、精度、调节范围和速度等方面的需求。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷或改进需求，本发明要解决的技术问题是：针对大口径、大视场的近衍射极限清晰成像光学系统，为克服系统中对成像探测器的面型精度、装调精度、拼接精度要求高的问题，光学载荷在环境的急剧变化中无法准确清晰成像的问题，以及面阵成像探测器限制了成像视场范围的问题。
本发明所解决的技术问题可由以下技术方案来实现：
本发明提供了一种应用于短焦深光学成像系统全靶面成像的成像探测器，该成像探测器包括面阵探测芯片，还包括前端电路、软质排线、软质导热片、调焦促动器、底板、后端电路，所述面阵探测芯片和前端电路固定在调焦促动器的一端，用于感应光信号，并转换成相应大小的电信号；所述调焦促动器的另一端固定于底板上，所述底板远离调焦促动器的一端设置后端电路，所述底板作为调焦促动器的固定基准面；当外部输入相应电压信号时，调焦促动器将产生形变，能够实现所述面阵探测芯片沿光轴方向即成像面垂直方向的平移，进而改变所述面阵探测芯片的位置。其中，面阵探测芯片所在位置的光信号被记录成数字图像信号，用于接下来通过数字图像判断面阵探测芯片是否准确位于焦深内。
其中，所述软质排线连接前端电路和后端电路，使得输出数字图像信号的同时，不影响调焦促动器的运动。
其中，所述软质散热片与面阵探测芯片相连，用于保持成像探测器的温度恒定，避免由于温度过高，影响系统的工作性能。
其中，所述调焦促动器为桥式结构压电陶瓷，该桥式结构压电陶瓷可以通过控制电压产生形变，进而驱动面阵探测芯片沿光轴方向运动。
其中，所述面阵探测芯片是面阵CCD探测器，或者面阵CMOS探测器。
本发明中的成像探测器能够快速调节，并且精确定位探测芯片位置。
本发明还提供了一种应用于短焦深光学成像系统全靶面成像的成像探测器系统，包括多个成像探测器，其中所述成像探测器为上述技术方案中提及的成像探测器，所述成像探测器系统还包括计算模块以及控制模块，所述计算模块基于成像探测器获得的图像计算分析离焦量，所述控制模块基于所述离焦量的计算分析控制成像探测器的调焦促动器产生形变，所述多个成像探测器构成全靶面拼接成像探测器。
其中，所述计算模块计算成像探测器的离焦量，控制模块根据计算结果输出控制电压，控制成像探测器的调焦促动器产生±100微米行程。
其中，计算模块采用对焦深度法、离焦深度法、机器视觉法或深度学习法来计算分析离焦量；所述控制模块采用爬山法或曲线拟合法实现控制搜索。
其中，各成像探测器单独控制寻焦，通过计算模块和控制模块确定各成像探测器的面阵探测芯片的位置，以实现各成像探测器分别获得清晰图像。
其中，该成像探测器系统还包括图像融合模块，所述图像融合模块将多个成像探测器所获得的图像经过图像融合，生成全视场图像。
本发明所述的成像探测器用于采集成像光信号，并输出相应数字图像电信号。根据大口径、大视场光学成像系统的成像靶面范围，将完整成像靶面通过N个探测器组合成像，不同视场的成像分别通过不同的成像探测器进行采集。成像探测器的信号传输到基于图像计算分析离焦量的计算模块，计算模块根据数字图像信号，首先通过空间域卷积反卷积变换来近似估计成像探测器的离焦量，并结合具体的对焦评价函数来判断是否已经将成像探测器准确移动到清晰成像位置。如果没有在焦深内清晰成像，将计算结果传递到控制模块中，结合具体的搜索方法，输出相应的电控制信号到成像探测器上，控制成像探测器中的调焦促动器产生形变，调焦促动器将产生对应近似线性形变，调焦促动器支撑连接面阵探测芯片，可以实现面阵探测芯片沿光轴，即成像面垂直方向平移，即可移动面阵探测芯片的位置。通过几帧图像的获取、计算，得到各个成像探测器的最佳成像位置，通过图像融合模块将N幅子图像合成为一幅完整的大视场全成像靶面清晰图像。
本发明具有的有益效果：本发明通过调焦促动器的设置，可以在微秒级时间内调节面阵探测芯片的位置，移动范围±100微米，达到亚微米级的定位精度，可在只改变面阵探测芯片的位置的情况下，实时矫正系统的离焦误差。本发明通过快速准确矫正离焦误差，实现了高精度自动寻焦，以及全靶面拼接清晰成像。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图对本发明做详细描述。
图1为本发明实施例的成像探测器的立体结构图；
图2为本发明实施例的成像探测器的正视图；
图3为本发明的全靶面成像探测器系统自动寻焦的工作流程示意图；
图中：1为面阵探测芯片、2为软质排线、3为底板、4为调焦促动器、5为前端电路、6为软质导热片、7为后端电路。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种应用于短焦深光学成像系统全靶面成像的成像探测器，图1所示为成像探测器结构示意图，图2所示为成像探测器的正视图，该成像探测器包括面阵探测芯片1、前端电路5、软质排线2、软质导热片6、调焦促动器4、底板3、后端电路7，所述面阵探测芯片1和前端电路5固定在调焦促动器4的一端，用于感应光信号，并转换成相应大小的电信号；所述调焦促动器4的另一端固定于底板3上，所述底板3远离调焦促动器4的一端设置后端电路7，所述底板3作为调焦促动器4的固定基准面；当外部输入相应电压信号时，调焦促动器4将产生形变，能够实现所述面阵探测芯片1沿光轴方向即成像面垂直方向的平移，进而改变所述面阵探测芯片1的位置。本实施方式所述的成像探测器将底板3固定，以底板3为调焦促动器4移动的基准，即将面阵探测芯片通过调焦促动器4的作用相对于固定底板沿光轴方向前后运动。
其中，所述软质排线2连接前端电路5和后端电路7，使得输出数字图像信号的同时，不影响调焦促动器4的运动。
其中，所述软质散热片与面阵探测芯片1相连，用于保持成像探测器的温度恒定。
本实施方式所述的软质排线2和软质导热片6均为软质材料制成，在其正常工作的情况下，不会影响调焦促动器4的调焦行程和调焦精度。
所述调焦促动器4可为桥式结构压电陶瓷，该桥式结构压电陶瓷可以通过控制电压产生形变，进而驱动面阵探测芯片1沿光轴方向运动，使其可以在±100微米的行程范围内移动，同时可以达到亚微米级的控制精度。
所述面阵探测芯片1可以是面阵CCD探测器，对可见光波段成像，大小为40mm×40mm，像元尺寸为3.2微米。
所述面阵探测芯片1可以是面阵CMOS探测器。
本发明所述的成像探测器用于采集成像光信号，并输出相应数字图像电信号。
其中，可以通过控制调焦促动器，获得成像端间距微米量级的多帧图像，将多帧图像组合，矫正成像探测器的面阵探测芯片1由于加工制造误差和受环境影响产生表面形变所引起的部分图像成像不清晰、失焦的现象。
本发明还提供了一种应用于短焦深光学成像系统全靶面成像的成像探测器系统，包括多个所述成像探测器，还包括计算模块以及控制模块，所述计算模块基于成像探测器获得的图像计算分析离焦量，所述控制模块基于所述离焦量的计算分析控制成像探测器的调焦促动器产生形变，所述多个成像探测器构成全靶面拼接成像探测器，还包括图像融合模块，所述图像融合模块将多个成像探测器所获得的图像经过图像融合，生成全视场图像。
其中，将多个成像探测器装置拼接组合使用，结合基于图像计算分析离焦量的计算模块、控制全靶面各拼接成像探测器移动的控制模块，并行处理成像探测器的准确寻焦，根据多幅图像的图像融合模块实现大视场光学成像系统的全视场快速清晰成像，可以矫正由于空间光学载荷由于空间温度、气压、重力等因素变化造成光学成像系统变形，出现新的像差，最佳成像面变动的问题，补偿像面变动。
图3所示为全靶面成像探测系统的工作流程。具体过程为：启动系统，启动靶面探测器位置自动检测系统，若各个靶面成像探测器未能清晰成像，则开启该全靶面成像探测器系统。首先根据全靶面成像范围的大小，对光学成像系统的拼接探测器进行成像区域划分。各个成像探测器单独控制寻焦，寻找最清晰成像位置，计算模块通过读取的数字图像分析是否已经在焦深内清晰成像，如果已达到焦深内清晰成像要求，则确定成像探测器的位置；如果未达到焦深内清晰成像要求，则通过控制控制模块，输出相应控制信号，控制调焦促动器发生形变，促使面阵探测芯片产生移动，面阵探测芯片移动到新位置后重新获取数字图像，循环重复上述过程，直到达到调焦矫正极限，确定成像探测器的面阵探测芯片位置。最终，将多个成像探测器所获得的清晰像经过图像融合，得到全视场清晰图像。
整个全靶面成像探测系统采用多路并行控制方式，对组成拼接全靶面的所有成像探测器并行控制，在同一时间范围内同时确定各个成像探测器的位置。
计算模块可采用对焦深度法、离焦深度法、机器视觉法或深度学习法来计算分析离焦量；所述控制模块可采用爬山法或曲线拟合法实现控制搜索。
其中，所述计算模块计算成像探测器的离焦量，控制模块根据计算结果输出控制电压，控制成像探测器的调焦促动器产生±100微米行程。对于成像探测器的面型精度下降，大于成像光学系统焦深的情况，可以在计算模块所认为的准焦位置，即最清晰成像位置，进行间隔为5微米或四分之一焦深，范围为正负三十微米的快速扫描，分别存储图像。将每幅图像再细分子区域，判断每幅图像的各个子区域是否清晰，提取清晰子区域部分，当所提取子区域能完整拼接为一幅清晰图像时，停止扫描，获得此成像探测器的完整清晰图像。
当启动该成像探测器，如果认定第一帧图像不清晰，未在光学成像系统焦深中，先进行粗调，即通过计算模块根据空间域卷积反卷积变换(S变换)来实现寻焦位置粗略估计，通过控制模块输出控制电压进行粗调，大步长移动面阵探测芯片。
当粗调完成后，启动精调级寻焦，通过对焦评价函数的评价值大小，准确搜索小范围内的最清晰的图像，即成像探测器在焦深内的成像。
本发明根据不同的图像类型，需要结合图像的具体特征，分析选择不同的对焦评价函数，使得寻焦效果最优。如果选择的对焦评价函数对图像的清晰程度不敏感，将会一定程度上影响寻焦准确度。
通过粗调精调两级位移调整，最终达到准确寻焦，补偿系统离焦像差。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种成像探测器，包括面阵探测芯片(1)，其特征在于：所述成像探测器还包括前端电路(5)、软质排线(2)、软质导热片(6)、调焦促动器(4)、底板(3)、后端电路(7)，所述面阵探测芯片(1)和前端电路(5)固定在调焦促动器(4)的一端，用于感应光信号，并转换成相应大小的电信号；所述调焦促动器(4)的另一端固定于底板(3)上，所述底板(3)远离调焦促动器(4)的一端设置后端电路(7)，所述底板(3)作为调焦促动器(4)的固定基准面；当外部输入相应电压信号时，调焦促动器(4)将产生形变，能够实现所述面阵探测芯片(1)沿光轴方向即成像面垂直方向的平移，进而改变所述面阵探测芯片(1)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种成像探测器，其特征在于：所述软质排线(2)连接前端电路(5)和后端电路(7)，使得输出数字图像信号的同时，不影响调焦促动器(4)的运动。
3.根据权利要求1所述的一种成像探测器，其特征在于：所述软质散热片(6)，与面阵探测芯片(1)相连，用于保持成像探测器的温度恒定。
4.根据权利要求1所述的一种成像探测器，其特征在于：所述调焦促动器(4)为桥式结构压电陶瓷，该桥式结构压电陶瓷可以通过控制电压产生形变，进而驱动面阵探测芯片(1)沿光轴方向运动。
5.根据权利要求1所述的一种成像探测器，其特征在于：所述面阵探测芯片是面阵CCD探测器，或者面阵CMOS探测器。
6.一种成像探测器系统，包括多个成像探测器，其特征在于：所述成像探测器为权利要求1-5中任一项所述的成像探测器，所述成像探测器系统还包括计算模块以及控制模块，所述计算模块基于成像探测器获得的图像计算分析离焦量，所述控制模块基于所述离焦量的计算分析控制成像探测器的调焦促动器产生形变，所述多个成像探测器构成全靶面拼接成像探测器。
7.根据权利要求6所述的一种成像探测器系统，其特征在于：所述计算模块计算成像探测器的离焦量，控制模块根据计算结果输出控制电压，控制成像探测器的调焦促动器产生±100微米行程。
8.根据权利要求6所述的一种成像探测器系统，其特征在于：计算模块采用对焦深度法、离焦深度法、机器视觉法或深度学习法来计算分析离焦量；所述控制模块采用爬山法或曲线拟合法实现控制搜索。
9.根据权利要求6所述的一种成像探测器系统，其特征在于：各成像探测器单独控制寻焦，通过计算模块和控制模块确定各成像探测器的面阵探测芯片(1)的位置，以实现各成像探测器分别获得清晰图像。
10.根据权利要求6或9所述的一种成像探测器系统，其特征在于：还包括图像融合模块，所述图像融合模块将多个成像探测器所获得的图像经过图像融合，生成全视场图像。
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