CN115128799B - 多孔径单探测器光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开多孔径单探测器光学成像系统，系统由一个中心光学成像系统和两个镜像对称的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定向外侧发散的水平夹角，目标发出不同角度平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。右旁侧光学成像系统对右侧视场内目标成像，左旁侧光学成像系统对左侧视场内目标成像，两副像与中心光学成像系统所成的像经后续图像处理后拼接可获得水平大视场图像。可实现大视场、大相对孔径下的目标信息采集。

Description

多孔径单探测器光学成像系统

本申请是名为《多孔径单探测器光学成像系统》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2020年02月18日，申请号为202010099417.3。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种多孔径单探测器光学成像系统。

背景技术

多孔径成像系统是仿生昆虫复眼而设计制造的一种新型多光轴成像系统，相比于传统的单孔径单光轴成像系统，具有大视场、低像差、子孔径构成简单等优点。

目前用于大视场要求的多孔径成像系统，多为多孔径多探测器的构成方式，造价高昂且系统庞大，而多孔径单探测器的构成方式更利于多孔径系统在便携式设备或夜视成像领域的推广应用。

基于扩大视场的要求，多孔径光学系统需要进行曲面排布，而为了与平面的探测器相匹配，需要加入中继光学器件。已有的中继光学器件实现方案包括：折转透镜、微棱镜阵列、光敏聚合物波导、光纤面板，但要想投入实际应用，还需要充分考虑现有的硬件和器件水平来设计方案。

大视场、大相对孔径的光学系统常采用的结构型式是双高斯型。镜组的光学元件以光阑为中心，形成近乎对称的结构布局，可以使轴外像差得到较好的校正。系统利用多孔径的构型分割视场后，可考虑采用匹兹伐型物镜或三分离式物镜。匹兹伐型物镜适合大相对孔径但中等或小视场的情况，结构简单经济。三分离物镜是一种结构最简单的照相物镜，对其进行复杂化，把前、后两个正透镜中的一个分成两个，可提高系统的相对孔径。另一类复杂化形式是将前、后两个正透镜中的一个或两个用双胶合透镜组代替，可在提高系统相对孔径和视场的同时改善边缘视场的成像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构相对简单且实现手段相对成熟的多孔径单探测器光学成像系统，为研究多孔径单探测器光学成像设备提供可投入实际应用的可行性支持。应用本系统的右旁侧光学成像系统对右侧视场内目标成像，应用左旁侧光学成像系统对左侧视场内目标成像，所成的两副像与中心光学成像系统所成的像经后续图像处理后拼接可获得水平大视场图像。本系统可实现大视场、大相对孔径下的目标信息采集。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种多孔径单探测器光学成像系统，光学系统由一个中心光学成像系统和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定的向外侧发散的水平夹角，目标发出的不同角度的平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上；

所述中心光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二球面镜、第三球面镜和第四球面镜构成，光阑位于第二球面镜之后；透镜材料依次为H-LAK5A，ZF6，H-LAK5A，H-QF50A；第一球面镜口径为14.77mm，系统总长为34.17mm；

所述中心光学成像系统有效焦距f′＝25mm，入瞳直径

系统F#＝2，视场为±10°×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.5；

所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二胶合镜、第三球面镜和光轴偏折棱镜构成，光阑位于第二胶合镜后；透镜及棱镜材料依次为H-LAK53、H-ZLAF90、ZF4、H-LAK61、H-K9L；第一球面镜口径为16.46mm，系统垂直于探测器方向上的总长为25.62mm；

所述旁侧光学成像系统有效焦距f′＝25mm，入瞳直径

系统F#＝2，右旁侧光学成像系统视场为(-10°～-30°)×±10°，左旁侧光学成像系统视场为(+10°～+30°)×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.3；

所述多孔径单探测器光学成像系统整体尺寸在70mm×35mm×22mm范围内。

作为本发明的一种优选技术方案，所述目标位于无穷远处，且目标发出的光线波长范围覆盖可见光及近红外波长范围。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旁侧光学成像系统的水平接收角度分别为+10°～+30°及-10°～-30°，垂直接收角度均为±10°。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旁侧光学成像系统与中心光学成像系统光轴间水平夹角分别为±20°。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旁侧光学成像系统含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。

本发明中，多孔径单探测器光学成像系统仿照并列型复眼分割视场成像的形式，接收从无穷远处不同角度入射的平行光，分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。同时仿照人眼中心高分辨率，边缘低分辨率的特点，中心光学成像系统和旁侧光学成像系统采用不同的结构形式。本发明中，所述中心光学成像系统为轴对称成像系统，接收视场为±10°×±10°。本发明中，所述旁侧光学成像系统接收视场分别为(-10°～-30°)×±10°及(+10°～+30°)×±10°，设计中利用棱镜偏折光轴。

本发明提供的多孔径单探测器光学成像系统中，目标发出的可见光或微光信息经过各个光学成像系统后在同一探测器像面不同区域成分立的三幅目标图像，旁侧光学系统所成的两副像与中心光学成像系统所成的像经过后续图像处理后拼接获得水平大视场图像，主要用于位于无穷远处的可见光或微光目标，其核心设计为成像系统分割视场的结构实现方案和两套光学系统的简化，以能够在较为简单的光学结构下获得足够的视场和良好的成像结果，继而用于后续图像处理以拼接得到大视场图像。相比于现有技术，具体有如下优点：

1)能够用于可见光至近红外波段0.48μm＜λ＜0.863μm的无穷远目标。

2)能够获得水平全视场达60°的物方信息，在此要求下，分别采用结构简单的匹兹伐型物镜和三分离式物镜来构成中心光学成像系统和旁侧光学成像系统。

3)旁侧光学成像系统使用棱镜来偏折光轴，不影响系统的轴对称性。

4)系统整体成像质量较好，设计结果达到使用要求。

5)系统尺寸合理，便于后续的机械结构设计，具有一定的可行性。

6)能够获得用于后续图像处理所需的目标信息，以达到拼接形成大视场图像的要求。

附图说明

图1为多孔径单探测器光学成像系统立体结构示意图；

图2为多孔径单探测器光学成像系统结构示意图；

图3为多孔径单探测器光学成像系统各分立系统所成像面大小及分布示意图；

图4为多孔径单探测器光学成像系统孔径分布示意图；

图5为多孔径单探测器光学成像系统中心光学系统结构图；

图6为多孔径单探测器光学成像系统旁侧光学系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

如图1-图2所示，本发明提供的多孔径单探测器光学成像系统由一个中心光学成像系统1和二个旁侧光学成像系统2组成，中心光学成像系统1为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，二个旁侧光学成像系统2物方光轴与系统中心轴分别成+20°和-20°夹角，像方光轴与系统中心轴平行且相对系统中心轴分别有±11.24mm的水平偏移。三个光学系统的像平面重合。

上述系统中，各分立系统所成像面大小及分布如图3所示，中心矩形为目标通过中心光学成像系统1所成的图像区域，外侧两个矩形为旁侧光学成像系统2所成的图像区域，各分立系统像面有所重合，在实际使用过程中需要在系统内部添加遮挡以将各像面分隔。

上述系统中，各分立系统孔径大小及分布如图4所示，中心圆为中心光学成像系统1孔径，外侧二个圆为旁侧光学成像系统2孔径。

上述系统中，中心光学成像系统1结构图如图5所示，采用匹兹伐型球面镜构成，光线依次通过第一球面镜1-1、第二球面镜1-2、第三球面镜1-3和第四球面镜1-4。球面镜1-1和球面镜1-3使用同种材料，为CDGM库下H-LAK5A材料，球面镜1-2使用CDGM库下ZF6材料，球面镜1-4使用CDGM库下H-QF50A材料。此中心光学成像系统1结构简单经济，成像质量达到使用要求。

上述系统中，中心光学成像系统F#为2，有效焦距f′＝25mm，视场为±10°×±10°，经过设计容易获得空间频率50lp/mm下中心视场MTF大于0.7且空间频率77lp/mm下中心视场MTF大于0.5的像质结果，满足像增强器或像元尺寸6.5μm×6.5μm探测器的匹配要求。中心光学成像系统光阑位于球面镜1-2后，球面镜1-1口径即该系统最大口径为14.77mm，系统总长34.17mm。

上述系统中，旁侧光学成像系统2结构如图6所示，采用简单的三片式球面镜构成，并采用棱镜折转光轴，光线依次通过球面镜2-1、双胶合球面镜组2-2、球面镜2-3和棱镜2-4。球面镜2-1采用CDGM库下H-LAK53材料，双胶合球面镜组2-2由CDGM库下的H-ZLAF90和ZF4材料组成，球面镜2-3和棱镜2-4的材料依次为CDGM库下的H-LAK61和H-K9L。旁侧光学成像系统F#为2，有效焦距f′＝25mm，视场分别为(+10°～+30°)×±10°及(-10°～-30°)×±10°。经过设计容易获得空间频率50lp/mm下中心视场MTF大于0.4且空间频率77lp/mm下中心视场MTF大于0.3的像质结果，满足像增强器或像元尺寸6.5μm×6.5μm探测器的匹配要求，与中心光学成像系统的像质区别，也符合中心高分辨率，边缘低分辨率的仿人眼要求。旁侧光学成像系统光阑位于双胶合球面镜组2-2后，球面镜2-1口径即该系统最大口径为16.46mm，系统沿垂直于探测器方向上的总长为25.62mm。

本发明中，所述中心光学成像系统和旁侧光学成像系统均属于大相对孔径、中等视场的光学系统。中心光学成像系统构型为匹兹伐型，分为前后两个镜组，靠近物方的前镜组由第一球面镜1-1和第二球面镜1-2组成，后镜组由第三球面镜1-3和第四球面镜1-4组成，两镜组皆为正透镜组，两组之间有较大的空气间隔，光阑位于两镜组之间，该构型适合大相对孔径、中等视场的情况。旁侧光学成像系统构型为三片型，通过将其中一片镜组分裂为双胶合镜组，可减小系统可承担的F#。本发明以成像质量、简化结构和布局合理为出发点，结合中心高分辨率，边缘低分辨率的仿人眼特点，得到比较合适的设计结果，系统整体尺寸控制在70mm×35mm×22mm范围内。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述多孔径单探测器光学成像系统由一个中心光学成像系统和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统组成，中心光学成像系统为旋转对称系统，光轴与系统中心轴重合，两个旁侧光学成像系统位于中心光学成像系统的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像系统光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像系统光轴存在一定的向外侧发散的水平夹角，目标发出的不同角度的平行光分别通过中心光学成像系统和旁侧光学成像系统成像于同一探测器像平面内不同坐标点上；

所述中心光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二球面镜、第三球面镜和第四球面镜构成，光阑位于第二球面镜之后；透镜材料依次为H-LAK5A，ZF6，H-LAK5A，H-QF50A；第一球面镜口径为14.77mm，系统总长为34.17mm；

所述中心光学成像系统有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，系统F#＝2，视场为±10°×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.5；

所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像系统由沿光线传播方向依次排列的第一球面镜、第二胶合镜、第三球面镜和光轴偏折棱镜构成，光阑位于第二胶合镜后；透镜及棱镜材料依次为H-LAK53、H-ZLAF90、ZF4、H-LAK61、H-K9L；第一球面镜口径为16.46mm，系统垂直于探测器方向上的总长为25.62mm；

所述旁侧光学成像系统有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，系统F#＝2，右旁侧光学成像系统视场为(-10°～-30°)×±10°，左旁侧光学成像系统视场为(+10°～+30°)×±10°，所用探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.3；

所述多孔径单探测器光学成像系统整体尺寸在70mm×35mm×22mm范围内。

2.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述目标位于无穷远处，且目标发出的光线波长范围覆盖可见光及近红外波长范围。

3.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述中心光学成像系统的接收角度为±10°×±10°。

4.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统的水平接收角度分别为+10°～+30°及-10°～-30°，垂直接收角度均为±10°。

5.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统与中心光学成像系统光轴间水平夹角分别为±20°。

6.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像系统，其特征在于，所述旁侧光学成像系统含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。

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