CN113504643A - 一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于棱镜分光的全海深微光彩色成像设计方法，该方法如下：首先分析水下像差的产生原因，确定光学窗口的形状及材料，采用光学性能和抗压性能优异的钢化高硼硅玻璃同心等厚球罩制作光学窗口以保证能量利用效率；根据光学窗口的参数设计校正镜组和成像镜组完成长后工作距的水下专用光学系统设计；计算并控制光线在棱镜界面的入射角度，保证其在指定界面的全反射条件，采用精巧的棱镜分光结构实现三谱段分探测器实时成像；再结合水体及窗口材料介质的像差特性进行光学像差校正,完成水下微光彩色成像设计；该方法能够还原水下微光环境的彩色真实景象，实现水下成像系统的优化设计。

Description

一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法

【技术领域】

本发明涉及光电成像系统技术领域，尤其涉及一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法。

【背景技术】

海洋覆盖了地球表面的71％，矿产资源富饶、生物物种丰富、能源储量极为巨大，光学成像设备具有分辨率高以及原位记录的特点,能够为水下生态环境、底栖生物活动习性等研究提供全面详实的影像资料。

海水对可见光波段衰减严重，深海无自然光线到达，只能采取主动照明。光学系统必须充分利用有限的平台光照能量，水下光学成像的色彩还原与微光性能是需要解决的首要问题。

现有技术中，常规彩色探测器利用Bayer模式过滤颜色，限制了光谱能量的利用效率；并且各像素点通过插值获得的色彩也存在偏差，单探测器的方案无法同时兼顾微光与彩色性能。

传统成像设备的微光性能是以牺牲景深的前提下达到的，虽然在广播电视与工业应用场景中，出现过棱镜分光分谱段采集的解决方案，但缺乏针对水体介质的专用光学镜组设计，现有水下成像设备无法满足高品质微光彩色应用需求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，该方法充分考虑了微光环境高动态成像与色彩还原的矛盾，同时分析了分光结构参数并配合水体及光学窗口的像差特性实现光学系统优化设计，能够精准还原水下微光环境的真实景象。

为了达到上述目的，一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，包括以下步骤：

步骤S1：分析水下像差的产生原因，光通过海水—玻璃—空气界面时的折射定律n_wsinθ_w＝n_gsinθ_g＝n_asinθ_a，产生畸变、色差等像差以及聚焦误差、视场误差等误差；

n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，θ_w、θ_g、θ_a分别为海水、玻璃、空气中的折射角；

步骤S2：根据水下像差特性，结合水下大视场成像的具体应用场景，光学窗口采用光学性能和抗压性能优异的钢化高硼硅玻璃材料，形状采用同心等厚球罩；

步骤S3：计算同心等厚球罩的焦距f′，采用短焦距物镜作为校正镜组补偿球罩的屈光效应和像面弯曲，配合长后工作距的成像镜组完成基本的水下成像设计，根据如下公式计算球罩的焦距

其中，n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，r₁、r₂为球罩第一个面和第二个面的曲率半径；

步骤S4：为兼顾微光性能与色彩还原，将三块光楔组成的分光棱镜放置在成像镜组的长后工作距位置，相应波段的光线必须满足由光密介质入射到光疏介质，并且光线入射角都将大于全反射角θ(在空气介质中满足式)以满足三基色的分离，根据如下公式计算全反射的临界角：

θ＝arcsin(1/n)

其中n为棱镜介质折射率；

步骤S5：棱镜设计过程，采用准远心光路，以提高像面照度均匀性，在优化设计过程中，要重点控制入射光线束中的最大偏折角δ，

最大偏折角与边缘光线的入射角度相关，式中θ为光线全反射角，实现棱镜RGB三波段分光，必须满足以下条件：

β-δ>θ_B；α+δ<θ_R；

其中，β、α为第一个光楔的两个楔角，θ_B、θ_R为红光，蓝光的全反射临界角，δ为入射光线束中的最大偏折角；

步骤S6：在上述步骤S5基础上，采用合理的光学材料，在适当的约束条件下优化系统参数，可以使像差均衡校正，得到水下微光彩色成像系统设计结果；

步骤S7:与棱镜配合使用的三个微光探测器对每一个像素点位置均参与成像，局部色彩非插值获得，图像更接近真实色彩，

三个微光探测器像元尺寸6.5μm，若步骤6得到的RMS和MTF不满足指标要求，则重复步骤S3、S4和S5，直到参数满足指标要求。

优选的，在步骤S1中，聚焦误差指平面窗口水下物距L变为L₁,由L₁＝L/nW+d知，物距缩短25％，使镜头的前焦距增加约4/3倍；视场误差指水-玻璃壳窗-空气界面的折射定律n_wsinH_w＝n_gsinH_g＝n_asinH_a，使水下成像的视场约减小到原来的1/3；

其中，H_w、H_g、H_a分别为海水、玻璃、空气中的折射角。

优选的，在步骤S6中，在保证成像质量、工作谱段透过率的前提下，尽量采用种类少的常用玻璃进行设计；

所述光学材料的透过率在工作波段(400nm-650nm)均大于97％。

优选的，在步骤S7中，探测器分辨率2048×1152，像元大小6.5μm×6.5μm；就感光面积来说，3x6.5μmCMOS等效于11μm单片CMOS。

在本发明提供的一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法如下有益效果：上述方法充分考虑了微光环境高动态成像与色彩还原的矛盾；同时通过棱镜分光结合高性能微光芯片的方式实现RGB三基色分离，并采用水下专用光学系统设计平衡像差，进而实现水下微光环境的真实色彩还原。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法流程示意图；

图2为光通过平面窗口时，水—玻璃—空气界面时的折射示意图；

图3为光通过玻璃平板的物像关系；

图4为棱镜三基色分光原理图；

图5为棱镜三维图；

图6为水下微光彩色成像设计结果；

图7光学传递函数MTF>0.3@77lp/mm；

图8像面点列图RMS。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，还可以在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例，提供的水下成像系统的设计方法流程示意图：

包括以下步骤：

步骤S1中：分析水下像差的产生原因，光通过海水—玻璃—空气界面时的折射定律n_wsinθ_w＝n_gsinθ_g＝n_asinθ_a，产生畸变、色差等像差以及聚焦误差、视场误差等误差；

其中,n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，θ_w、θ_g、θ_a分别为海水、玻璃、空气中的折射角。

参考图3，聚焦误差指平面窗口水下物距L变为L₁,由L₁＝L/nW+d知，物距缩短25％，使镜头的前焦距增加约4/3倍，平面窗口水下使镜头的前焦距增加约4/3倍；

视场误差指水-玻璃壳窗-空气界面的折射定律n_wsinH_w＝n_gsinH_g＝n_asinH_a，使水下成像的视场约减小到原来的1/3，

其中，H_w、H_g、H_a分别为海水、玻璃、空气中的视场角。

步骤S2中：根据水下像差特性，结合水下大视场成像的具体应用场景，光学窗口采用光学性能和抗压性能优异的钢化高硼硅玻璃材料，形状采用同心等厚球罩，15mm厚钢化高硼硅球罩透过率在可见光波段高于93％,其抗压强度等参数均满足万米水下防护窗口的工作要求。

步骤S3：计算同心等厚球罩的焦距f，采用短焦距物镜作为校正镜组补偿球罩的屈光效应和像面弯曲，配合长后工作距的成像镜组完成基本的水下成像设计，根据如下公式计算球罩的焦距：

其中n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，r₁、r₂为球罩第一个面和第二个面的曲率半径。

步骤S4：为兼顾微光性能与色彩还原，将三块光楔组成的分光棱镜放置在成像镜组的长后工作距位置，相应波段的光线必须满足由光密介质入射到光疏介质，并且光线入射角都将大于全反射角θ(在空气介质中满足式)以满足三基色的分离；

参考图4，根据如下公式计算全反射的临界角：θ＝arcsin(1/n)

其中n为棱镜介质折射率。

步骤S5：棱镜设计过程采用准远心光路，以提高像面照度均匀性，在优化设计过程中，要重点控制入射光线束中的最大偏折角，最大偏折角与边缘光线的入射角度及像方光束孔径角相关；

参考图5，式中θ为光线全反射角，实现棱镜RGB三波段分光，必须满足以下条件：β-δ>θ_B；α+δ<θ_R；

棱镜①②之间为空气隙，棱镜②③之间为胶合面,第一层膜为长通滤光膜，第二层膜为短通滤光膜，式中θ为光线全反射角，棱镜分光必须满足以下条件；

A面：θ1＝2α-arcsinNA≥arcsin(1/n)；蓝光满足全反射，

B面：α+arcsinNA<arcsin(1/n)；红绿光不满足全反射，

C面：γ-α<arcsin(1/n)；绿光不满足全反射，

D面：θ2＝2γ-α≥arcsin(1/n)；红光满足全反射，

其中β、α为第一个光楔的两个楔角，θ_B、θ_R为红光，蓝光的全反射临界角，δ为入射光线束中的最大偏折角，NA为数值孔径。

步骤6：在上述步骤S5基础上，采用合理的光学材料，在适当的约束条件下优化系统参数，可以使像差均衡校正，得到水下微光彩色成像系统设计结果，参考图6，图7，图8；

其中，镜片材料选定四种：H-FK61(497816)、H-K9L(517642)、H-ZK14(603606)和F2(620364)。

步骤7:与棱镜配合使用的三个微光探测器对每一个像素点位置均参与成像，局部色彩非插值获得，图像更接近真实色彩，三个微光探测器像元尺寸6.5μm，步骤6得到的RMS应小于6.5μm且要满足宽松公差小于6.5μm，MTF在采样频率@77lp/mm尽量高，效果差则重复步骤S3、S4和S5，直到参数满足指标。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

综上，本发明提供的一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，该方法如下：首先分析水下像差的产生原因，确定光学窗口的形状及材料，采用光学性能和抗压性能优异的钢化高硼硅玻璃同心等厚球罩制作光学窗口以保证能量利用效率；根据光学窗口的参数设计校正镜组和成像镜组完成长后工作距的水下专用光学系统设计；计算并控制光线在棱镜界面的入射角度，保证其在指定界面的全反射条件，采用精巧的棱镜分光结构实现三谱段分探测器实时成像；再结合水体及窗口材料介质的像差特性进行光学像差校正,完成水下微光彩色成像设计；该方法能够还原水下微光环境的彩色真实景象，实现水下成像系统级的优化设计。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例，仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行，另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。(可以去掉)

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：分析水下像差的产生原因，光通过海水一玻璃一空气界面时的折射定律n_wsinθ_w＝n_gsinθ_g＝n_asinθ_a，产生畸变、色差等像差以及聚焦误差、视场误差等误差；

所述n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，θ_w、θ_g、θ_a分别为海水、玻璃、空气中的折射角；

步骤S2：根据水下像差特性，结合水下大视场成像的具体应用场景，光学窗口采用光学性能和抗压性能优异的钢化高硼硅玻璃材料，形状采用同心等厚球罩；

步骤S3：计算同心等厚球罩的焦距f′，采用短焦距物镜作为校正镜组补偿球罩的屈光效应和像面弯曲，配合长后工作距的成像镜组完成基本的水下成像设计，根据如下公式计算球罩的焦距

其中，n_w、n_g、n_a分别为海水、玻璃、空气的折射率，r₁、r₂为球罩第一个面和第二个面的曲率半径；

步骤S4：为兼顾微光性能与色彩还原，将三块光楔组成的分光棱镜放置在成像镜组的长后工作距位置，相应波段的光线必须满足由光密介质入射到光疏介质时，光线入射角都将大于全反射角θ(在空气介质中满足式)以满足三基色的分离，根据如下公式计算全反射的临界角：

θ＝arcsin(1/n)

其中n为棱镜介质折射率；

步骤S5：棱镜设计过程，采用准远心光路，以提高像面照度均匀性，在优化设计过程中，要重点控制入射光线束中的最大偏折角δ，

最大偏折角与边缘光线的入射角度相关，式中θ为光线全反射角，实现棱镜RGB三波段分光，必须满足以下条件：

β-δ＞θ_B；α+δ＜θ_R；

其中，β、α为第一个光楔的两个楔角，θ_B、θ_R为红光，蓝光的全反射临界角，δ为入射光线束中的最大偏折角；

步骤S6：在上述步骤S5基础上，采用合理的光学材料，在适当的约束条件下优化系统参数，可以使像差均衡校正，得到水下微光彩色成像系统设计结果；

步骤S7：与棱镜配合使用的三个微光探测器对每一个像素点位置均参与成像，局部色彩非插值获得，图像更接近真实色彩，

所述三个微光探测器像元尺寸6.5μm，若步骤6得到的RMS和MTF不满足指标要求，则重复步骤S3、S4和S5，直到参数满足指标要求。

2.根据权利要求1所述基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，其特征在于：

在所述步骤S1中，聚焦误差指平面窗口水下物距L变为L₁，由L₁＝L/nW+d知，物距缩短25％，使镜头的前焦距增加约4/3倍；视场误差指水-玻璃壳窗-空气界面的折射定律n_wsinH_w＝n_gsin H_g＝n_asin H_a，使水下成像的视场约减小到原来的1/3；

其中，H_w、H_g、H_a分别为海水、玻璃、空气中的折射角。

3.根据权利要求1所述基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，其特征在于：

在所述步骤S6中，在保证成像质量、工作谱段透过率的前提下，尽量采用种类少的常用玻璃进行设计；

所述光学材料的透过率在工作波段(400nm-650nm)均大于97％。

4.根据权利要求1所述基于棱镜分光的水下微光彩色成像设计方法，其特征在于：

在所述步骤S7中，探测器分辨率2048×1152，像元大小6.5μm×6.5μm；就感光面积来说，3x6.5μmCMOS等效于11μm单片CMOS。

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