CN114019662B - 一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统 - Google Patents

一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统。通过采用反远距型光学系统结构型式，将孔径光阑设置在后组上，前组承担较大的视场负担，减小光线入射角度，使得像方视场角小于物方视场角。并在孔径光阑处设置像差渐晕，解决光学系统设计照度不均匀性的问题，以使轴外光束的口径增大，像面上的照度余弦分布规律由高阶变为低阶。最后，通过光路优化设计与约束从而减小像方主光线的角度，使得像方出射光线角度与带有微透镜阵列的CMOS探测器最大量子效率相匹配，提高相机的量子效率和像面照度的均匀性。与传统大视场光学系统设计型式相比，同等光照条件下，对弱暗目标的探测能力增强，具有分辨率高，像面照度均匀性好，长度短，重量轻等优点。

Description

一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统
技术领域
本发明属于光学系统照度均匀性技术领域，特别涉及一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统。
背景技术
火星车导航地形相机所选用的探测器为带有微透镜阵列的芯片，分辨率为2048×2048，像元大小为5.5×5.5μm。其探测器量子效率受光线的入射角影响非常大，为提高探测器的灵敏度和量子效率。对于本相机光学系统而言，物方视场角较大，伴随着光线像面入射角的增加，量子效率会迅速减小，特别是当入射角超过25°时量子效率将降低为0°入射角(中心视场处)的50％以下。因此，为保证像面照度均匀性较好，除考虑光学系统自身照度均匀性外，还要必须考虑出射光线到达像面的入射角，通过光学系统光路折转实现对CRA入射光线的校正，保证光线入射到探测器上的入射角应≤15°。
因此，如果选择带微透镜阵列的探测器就必须考虑入射角度问题，光学系统必须完成像方入射角校正，以提高探测器的量子效率和像面照度的均匀性。在光学系统进行具体设计时，首先要根据所要求的光学特性和成像性能来综合考虑，本成像光学系统设计基于反远距式光学系统结构类型进行优化设计，并利用像差渐晕方式增大轴外视场照度，完成一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统。
在优化设计时，保证像方半视场角w′比物方半视场角w小得多，这特别有利于提高像面照度的均匀性，尽可能设计成近似像方远心光路，可以减小温度梯度变化对光学系统成像质量的影响。最终，光学系统除具有短焦距、大视场和长的后工作距离的特点外，像方视场角远小于物方视场角，实现了CRA入射光线的校正，大大提高了像面照度的分布。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服基于微透镜阵列的CMOS探测器由于量子效率带来的入射角CRA角度较小的问题，提出一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统。
本发明的技术方案是：一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，包括前组负透镜组、后组像差校正镜组、孔径光阑；通过采用反远距型光学系统结构型式，将孔径光阑设置在后组像差校正镜组上，前组负透镜组承担较大的视场负担，减小光线入射角度，使得像方视场角小于物方视场角；并在孔径光阑处设置像差渐晕，解决光学系统设计照度不均匀性的问题，以使轴外光束的口径增大，像面上的照度余弦分布规律由高阶变为低阶。
所述前组负透镜组与后组像差校正镜组组合构成反远距结构型式，对轴上和轴外像差校正实现平衡，并通过光阑位置和光焦度分配对像方视场角进行优化调整，有利于像面照度的分布。
控制并约束孔径光阑的位置，使得轴外光束存在光阑彗差，以使轴外光束的口径增大，像差减晕系数为1.8。
对出射像方主光线进行角度校正和约束限制，使得边缘视场的像方主光线入射角均小于12°，并与探测器的量子效率曲线相匹配，使得边缘视场的像面照度不低于中心视场的77.3％。
前组负透镜组、后组像差校正镜组在装配前均完成定心磨边，以消除或减小透镜的中心偏差，确保光学系统光轴与机床回转轴的偏差控制在0.005mm以内，保证光学系统光轴的一致性；同时，通过切除镜座两端的厚度，来保证透镜间隔变化值在0.01mm以内。
前组负透镜组、后组像差校正镜组中的每片镜片镀多层减反膜系，单面透过率大于99.9％，在透镜非工作区域进行涂黑，使得杂散光被吸收，内外压圈设置消杂光扣，并对零件表面进行黑色阳极氧化处理。
所述光学系统工作谱段为400～700nm，系统F/#为11，工作视场为46.4°×46.4°，在对角线处达到65°，最佳工作物距为1m，实现0.5m～∞范围内清晰成像。
所述光学系统成像模式为f-tanθ，全视场范围内畸变不超过0.45％。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)、相对于传统的大视场光学系统设计，本发明采用反远距结构型式，对轴上和轴外像差进行校正，并通过光阑位置和光焦度分配对像方视场角进行优化调整，有利于像面照度的分布。克服了传统的大视场对称式光学系统因视场角大、照度分布不均的缺点。同时，需要通过增加后截距来减小光线像方入射角度，使光学系统总长度增长，且效果并不理想。反远距结构型式既降低了设计和装调难度，简化结构型式的同时，解决了带微透镜阵列的探测器对光学系统设计的特殊要求，更有利于像面照度的分布。从而形成与小型、轻量化设计目标无法同时兼顾的矛盾。
(2)、相对于传统的大视场光学系统设计，本发明采用像差渐晕改变视场像面照度，使得入瞳的尺寸随着视场角的增大而增大，以提高边缘视场的像面照度。同时，对光阑孔径作进一步限制，既降低了设计难度，简化结构型式和缩小设计外包络的同时，解决了轴外像差校正的问题，更有利于大视场像面照度的均匀性。
(3)、相对于传统的大视场光学系统设计，本发明采用像方远心或近像方远心光路，以减少像方视场角，改善边缘视场的像面照度，使边缘视场和中心视场获得一致的像面照度。同时，与带有微透镜阵列的CMOS探测器最大量子效率相匹配，设计上更加安全可靠、稳定性高，设计裕度更大。对产品而言，有利于提高产品的姿态感知和科学探测。
附图说明
图1为光学系统CAD外形图；
图2为基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统光路图；
图3为反远距型光学系统构型示意图；
图4为芯片量子效率与入射角度的关系图；
图5为实际光学系统照度均匀性测试图。
具体实施方式
大视场光学系统轴外视场的光照度与视场角ω′有关，在同一个曝光参数下，很难得到理想的照片，当中心曝光适度时，视场边缘就会曝光不足；或者边缘曝光适度时，视场中心就会曝光过度。采用镀膜的方法，适当降低视场中心的照度来换取视场照度分布均匀的效果；或在像差校正中残留适量的光阑彗差，扩大轴外视场的有效通光口径，实现光照度分布的改善，仅对光学系统自身照度均匀性有所改善，但对含有微透镜阵列的CMOS探测器而言，由于微透镜对光线有汇聚作用，要求像方主光线入射角不能太大，此种措施对大视场照度均匀性改善微乎其微，效果并不理想。
大视场、短焦距相机光学系统是由若干透镜组成，依靠透镜组可以获得清晰影像信息。因其覆盖范围大、分辨率高等突出优点，并且在很长的物距范围内能够满足清晰成像，一方面用于完成火星表面大范围成像，成像结果作为GNC分系统火星表面环境感知的输入。另一方面，对火星地形地貌成像，完成相应的科学探测任务。
该光学系统采用反远距结构型式，减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性，并通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。反远距型光学系统由两个镜组组成，靠近物方的前组为负透镜组1，后组为正透镜组，即像差校正镜组2，两者相隔一定的距离。该结构使得像方主平面向系统的后面移动，从而得到比焦距更大的后工作距，两镜组的间隔越大，像方主面向后面移动的距离越大，镜头的后工作距离越长。
同时，利用孔径光阑3限制轴外入射光线宽度，形成像差渐晕从而改变不同视场下的像面照度，使得入瞳的尺寸随着视场角的增大而增大，增大光阑彗差系数K2，以提高边缘视场的像面照度。
另外，采用像方远心或近像方远心光路优化设计方法，可以减少像方视场角，改善边缘视场的像面照度，经光学系统后，入射光线角CRA与探测器相对量子效率相匹配，使边缘视场和中心视场获得一致的像面照度。
以下结合附图1-5和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，包括前组负透镜组1、后组像差校正镜组2、孔径光澜3。
首先，该光学系统通过采用反远距结构型式，减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性，并通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。反远距型光学系统由两个镜组组成，靠近物方的前组为负透镜组，后组为正透镜组，即像差校正镜组，两者相隔一定的距离。该结构使得像方主平面向系统的后面移动，从而得到比焦距更大的后工作距，两镜组的间隔越大，像方主面向后面移动的距离越大，镜头的后工作距离越长。
同时，利用像差渐晕改变视场像面照度，使得入瞳的尺寸随着视场角的增大而增大，增大光阑彗差系数K2，以提高边缘视场的像面照度。
照度分布的均匀性是大视场光学系统设计的关键。根据像面照度的公式：
E′＝E0K1K2cos4ω′ (1)
式中，E′为轴外视场的像面照度；E0为视场中心照度；K1为几何渐晕系数，K1≤1；K2为轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比，即像差渐晕系数，当存在光阑彗差时K2>1；ω′为像方半视场角。
由式(1)可知轴外像点照度随像方视场角的增大呈四次方的关系下降。光学系统攒在光阑彗差时，可以该够轴外视场的像面照度的同时，加大了轴外光束的口径，系统的像质收到损坏，设计时通过像差控制对轴外光束进一步约束。
另外，采用像方远心或近像方远心光路，以减少像方视场角，改善边缘视场的像面照度，经光学系统后，入射光线角(CRA)与探测器相对量子效率相匹配，使边缘视场和中心视场获得一致的像面照度。
本发明具有成本低、代价低、体积小，重量轻等特点、光学镜头须同时具备大视场(对角线视场角≥65°)、小相对孔径(F/#＝11)、超强的杂光抑制能力的特点，能够克服传统型对称型大视场与小型、轻量化、照度均匀性等无法同时兼顾的矛盾，在同等外形尺寸等条件下，与传统型的大视场光学系统相比，设计上更加安全可靠、稳定性高，设计裕度更大。
实施例1：
如图1所示，本发明提出一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，包括前组负透镜组1、后组像差校正镜组2、孔径光阑3。
光学系统工作谱段为400～7000nm，系统F数为11，工作视场为46°×46°，在对角线处达到65°，工作距离为0.5m～∞。
图2是光学系统外形图。
图3是反远距光学系统结构型式示意图。反远距物镜结构型式是由两个镜组组成，靠近物方的前组为负透镜组，后组为正透镜组，两个镜组之间相隔一定的距离d。其基本特性是轴外光束通过前组发散透镜以后与光轴之间的倾角大大减小，使后组物镜对应的视场角减小，容易达到良好的像差校正，可以实现大的视场角。不仅像差校正的工作大大简化，而且容易达到较高的成像质量，后工作距也比具有相同焦距的其他类型镜头大得多，从而得到比焦距更大的后工作距。
图4是芯片量子效率与入射角度的关系图。为提高探测器的灵敏度和量子效率，本相机所选用的探测器为带有微透镜阵列的芯片，分辨率为2048×2048，像元大小为5.5×5.5μm。其中，量子效率受光线的入射角影响很大，特别是当入射角超过25°时量子效率将降低为0°入射角(中心视场处)的50％以下，同时，伴随着光线入射角的增加，量子效率会迅速减小。
图5实际光学系统照度均匀性测试图。采用像方远心光路设计后探测器像面照度的均匀性要好很多，平均照度均匀性达到63.4％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，其特征在于：包括前组负透镜组（1）、后组像差校正镜组（2）、孔径光阑（3）；通过采用反远距型光学系统结构型式，将孔径光阑（3）设置在后组像差校正镜组（2）上，前组负透镜组（1）承担较大的视场负担，减小光线入射角度，使得像方视场角小于物方视场角；并在孔径光阑处（3）设置像差渐晕，解决光学系统设计照度不均匀性的问题，以使轴外光束的口径增大，像面上的照度余弦分布规律由高阶变为低阶；
所述前组负透镜组（1）与后组像差校正镜组（2）组合构成反远距结构型式，对轴上和轴外像差校正实现平衡，并通过光阑位置和光焦度分配对像方视场角进行优化调整，有利于像面照度的分布；
控制并约束孔径光阑（3）的位置，使得轴外光束存在光阑彗差，以使轴外光束的口径增大，像差减晕系数为1.8；
对出射像方主光线进行角度校正和约束限制，使得边缘视场的像方主光线入射角均小于12°，并与探测器的量子效率曲线相匹配，使得边缘视场的像面照度不低于中心视场的77.3%；
所述光学系统工作谱段为400~700nm，系统F/#为11，工作视场为46.4°×46.4°，在对角线处达到65°，最佳工作物距为1m，实现0.5m~∞范围内清晰成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，其特征在于：前组负透镜组（1）、后组像差校正镜组（2）在装配前均完成定心磨边，以消除或减小透镜的中心偏差，确保光学系统光轴与机床回转轴的偏差控制在0.005mm以内，保证光学系统光轴的一致性；同时，通过切除镜座两端的厚度，来保证透镜间隔变化值在0.01mm以内。
3.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，其特征在于：前组负透镜组（1）、后组像差校正镜组（2）中的每片镜片镀多层减反膜系，单面透过率大于99.9％，在透镜非工作区域进行涂黑，使得杂散光被吸收，内外压圈设置消杂光扣，并对零件表面进行黑色阳极氧化处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列探测器的大视场照度均匀性光学系统，其特征在于：所述光学系统成像模式为f-tanθ，全视场范围内畸变不超过0.45%。
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