CN215340562U - 基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统。它由物镜系统和中继转像排列系统共两个子系统组成，采用多孔经分视场结构，各孔径通道独立成像，经融合拼接后获得全视场高分辨率图像；物镜系统采用同心对称结构，并引入平面反射镜以折叠光轴，能够在保持系统紧凑的前提下获取超宽视场内像差均匀的中间像。中继转像系统由多个相同的中继转像相机组成，能够对中间像细分并进一步精细校正残余像差。本实用新型充分利用了平面反射镜折叠光轴缩小体积的特点，在实现高分辨率宽视场成像的同时较大的减小了整体体积，拓宽了宽视场高分辨率系统的应用范围。

Description

基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于无人机机载的紧凑型宽视场高分辨率凝视成像系统，特别涉及一种采用级联式、平面反射镜和多孔径分视场结构的成像系统。

背景技术

近年来，随着无人机应用的普及，机载宽视场高分辨率成像技术在精细农业、林业资源调查、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。然而，一方面宽视场和高分辨率光学系统需同时具有大视场和大口径，几何像差随光学系统视场和口径的增大而急剧增加，传统光学系统难以同时兼顾宽视场和高分辨率的成像要求，另一方面众多新型的宽视场高分辨率成像系统因其体积大，质量大等特点难以作为无人机载荷而应用。

在本实用新型作出之前，中国发明专利CN104034420B公开了光谱成像系统，但其成像的分辨率较低，应用于成像系统时，无法达到高分辨率要求。中国实用新型专利CN212515198U公开了引入非球面的新型宽视场高分辨率成像系统，其由前置的且完整的同心球物镜与后置中继转像排列组成，但其体积、质量较大，难以作为无人机载荷。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种具有视场大，分辨率高，结构紧凑，体积较小的，可用于无人机载荷的快速获取大视场内高分辨率图像的凝视型成像系统。

实现本实用新型的技术方案是提供一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，它包括宽视场的物镜系统，两片平面反射镜，多孔经分视场的中继转像系统和CCD探测器；所述的物镜系统为两片同心的球面透镜胶合的半球形透镜组，沿光线入射方向，依次为第一片球面正透镜，第二片球面正透镜，第一片球面正透镜的后表面与第二片球面正透镜的前表面胶合，第二片球面正透镜的后表面为平面，所述的第一平面反射镜的反射面紧贴第二片球面正透镜的后表面，它与光轴的夹角α为30°≤α≤50°；所述的第二平面反射镜在光轴方向上与第一平面反射镜的距离D为80mm≤D≤90mm，第二平面反射镜与光轴夹角β为55°≤β≤75°；系统经折转光轴后得到一个球面中间像，再经中继转像系统成像于CCD探测器上。

本实用新型所述的一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，系统的焦距f为45mm≤f≤55mm；系统的全视场ω为0°≤ω≤120°；系统的总长L为90mm≤L≤110mm。

本实用新型提供的一种紧凑型的大视场凝视成像系统，它包括同心的双胶合物镜系统，两片平面反射镜，分孔径的中继转像系统和CCD探测器。由于采用了同心和分孔径结构的光学成像方法，可以一次性获取较大视场范围内的高质量，高分辨率的图像。本实用新型提供的同心和分孔径结构的成像系统，其中物镜系统采用大视场同心双胶合透镜，其在球面上获得一个只有球差和垂轴色差的大视场中间像，中间像各视场像差相同，因此，利用相同的分孔径中继转像系统对中间像进行残余像差校正，最终使整体系统具有接近衍射极限的成像性能。利用双胶合物镜系统的同心对称结构，并通过位置设置合理的两个平面反射镜折叠系统的光轴，完整保留系统同心特性的同时减小了系统的整体体积与质量。最终使整体系统具有紧凑体积，较小质量的同时能快速地，一次性的获取大视场范围内的高分辨率图像，在无人机航拍领域具有非常重要的应用价值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型是采用同心、分孔径结构的凝视式成像系统，主要由同心物镜系统和分孔径中继转像系统构成，具有视场大，分辨率高，成像质量好，成像速度快，稳定性好等诸多优点。

2.本实用新型提供的凝视型成像系统中引入了两片平面反射镜，通过将两片平面反射镜设置在恰当的位置，使系统的光轴折叠两次，反复利用物镜系统，有效的减少了系统的总质量与总体积。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统的单孔径通道的光路示意图；

图2是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统中多孔经中继转像系统细分宽视场中间像并二次成像的原理示意图；

图3是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统的单孔径通道的光学结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统的成像点列图；

图5是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视型成像系统的光学传递函数曲线。

图中，1.物镜系统；2.第一平面反射镜；3.第二平面反射镜；4.球面中间像；5.中继转像系统；6.CCD探测器；7.第一片球面正透镜；8.第二片球面正透镜；9.中继系统第一片球面正透镜；10. 中继系统第二片球面正透镜；11.中继系统第一片非球面负透镜；12. 中继系统第二片非球面负透镜；13.孔径光阑；14.中继系统非球面正透镜；15. 中继系统第三片球面正透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对实用新型技术方案作进一步的具体阐述。

实施例1

本实施例提供一种大视场，高分辨率，折叠同心结构的紧凑型凝视成像系统，工作于可见光波段0.48μm～0.65μm，它的全视场角为120°，系统F数为3。

参见附图1，它是本实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统的单孔径通道的侧视光学结构示意图；沿光线入射方向，依次为物镜系统1，第一平面反射镜2，第二平面反射镜3，球面中间像4，中继转像系统5的一个单元和CCD探测器6；物镜系统1采用同心双胶合透镜设计，具有强的对称性，能获取视场宽、像差均匀的球面中间像4；第一平面反射镜2与光轴的夹角α为45°，第二平面反射镜3与光轴的夹角β为67.5°；第一平面反射镜2与第二平面反射镜3的作用均为折转一次光轴，从而使得全系统的体积缩小，结构紧凑。

参见附图2，它是本实用新型实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统中多孔经中继转像系统细分宽视场中间像并二次成像的原理俯视图，中继转向系统5是有多个单孔径的中继转像相机单元排列组成的多孔经系统，中继转像相机单元对球面中间像4进行视场细分，残余像差矫正并成像在CCD探测器6上，从而得到高分辨率的子图像，通过对不同中级相机单元拍摄的子图像进行图像拼接，最终得到宽视场，高分辨率的图像。

参见附图3，它是本实施例提供的紧凑型宽视场凝视成像系统的单孔径通道的光路示意图，沿光线入射方向，目标物的成像光线经第一片球面正透镜7，第二片球面正透镜8，正向入射物镜系统，由第一平面反射镜2反射，经第二片球面正透镜8，第一片球面正透镜7，逆向再次入射物镜系统，再经第二片平面反射镜3，得到球面中间像4，经中继系统成像于CCD探测器6。中继系统依次为第一片球面正透镜9，中继系统第二片球面正透镜10，中继系统第一片非球面负透镜11，中继系统第二片非球面负透镜12，孔径光阑13，中继系统非球面正透镜14，中继系统第三片球面正透镜15。第一片球面正透镜7的后表面与第二片球面正透镜8的前表面胶合，中继系统第二片球面正透镜10的后表面与中继系统第一片非球面负透镜11的前表面胶合，中继系统第二片非球面负透镜12的后表面与中继系统非球面正透镜14的前表面胶合，孔径光阑13位于该胶合面上。

本实施例提供的紧凑型大视场高分辨率成像系统的焦距为53mm，对应各光学元件的结构参数如下：第一片球面正透镜7的前表面曲率半径为51.63mm，第一片球面正透镜7的后表面和第二片球面正透镜8的前表面半径为28.81mm，第二片球面正透镜8的后表面为平面，并紧贴第一平面反射镜2，第一平面反射镜2与光轴的夹角为45°，第二平面反射镜3与光轴的夹角为67.5°，球面中间像曲率半径为-107.09mm，中继系统第一片球面正透镜9的前表面曲率半径为145.98mm，它的后表面曲率半径为-26.10mm，中继系统第二片球面正透镜10的前表面曲率半径为6.51mm，它的后表面曲率半径为-9.59mm，中继系统第一片非球面负透镜11的前表面曲率半径为-9.59mm，它的后表面曲率半径为5.91mm，中继系统第二片非球面负透镜12的前表面曲率半径为-7.22mm，它的后表面曲率半径为4.14mm，中继系统非球面正透镜14的前表面曲率半径为4.14mm，它的后表面曲率半径为-4.52mm，中继系统第三片球面正透镜15的前表面曲率半径为8.81mm，它的后表面曲率半径为8.35mm。

第一片球面正透镜7,第二片球面正透镜8，中继系统第一片球面正透镜9，中继系统第二片球面正透镜10，中继系统第一片非球面负透镜11，中继系统第二片非球面负透镜12，中继系统非球面正透镜14，中继系统第三片球面正透镜15的材料折射率依次为：1.81,1.51, 1.70, 1.51, 1.61, 1.61, 1.51, 1.85。

第一片球面正透镜7,第二片球面正透镜8，中继系统第一片球面正透镜9，中继系统第二片球面正透镜10，中继系统第一片非球面负透镜11，中继系统第二片非球面负透镜12，中继系统非球面正透镜14，中继系统第三片球面正透镜15的厚度依次为22.82mm，28.81mm，9.51mm，7.96mm，0.76mm，2.47mm，2.67mm，8.72mm。

第一片球面正透镜7的后表面到第二平面反射镜3的距离为33.25mm，第二平面反射镜3到球面中间像4的距离为22.21mm，球面中间像4到中继系统第一片正透镜9前表面距离为27.91mm，中继系统第一片正透镜9后表面到中继系统第二片正透镜10前表面距离为5.62mm，中继系统第一片非球面负透镜11后表面到中继系统第二片非球面负透镜12前表面距离为0.91mm，中继系统非球面正透镜14后表面到中继系统第三片球正透镜15前表面距离为2.46mm，中继系统第三片球面正透镜15后表面到CCD探测器6的距离为3.90mm。

中继系统第一片非球面负透镜11的后表面为第一偶次非球面，其圆锥系数k1=-0.482，高阶项系数a2，a4，a6，a8，a10分别为0，0.003563，0.0005137，-0.00006217，0.000017；中继系统第二片非球面负透镜12与中继系统非球面正透镜14的胶合面即光阑面13，为第二偶次非球面，其圆锥系数k2=1.874，高阶项系数b2，b4，b6，b8，b10分别为0，-0.005564，-0.002067，0.0004228，-0.00006511。

采用本实施例提供的基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统的成像方法，步骤如下：

1.利用第一平面反射镜，目标物的成像光线正向、逆向两次通过半球形的物镜系统，再经第二平面反射镜折转光轴后，获得一个大视场目标物的带有均匀像差的球面中间像；

2.得到的球面中间像经多孔经分视场的中继转像系统，对含有剩余像差的中间像面进一步校正残余像差并完成二次成像，在探测器上获得高分辨率的子图像；

3.通过对相邻孔径小视场的子图像进行拼接处理，得到大视场范围内的高分辨率图像。

参见附图4，它是本实施例提供的紧凑型大视场高分辨率凝视成像系统的像面光线追迹点列图，图中的黑色圆圈代表艾里斑，像面聚焦光斑尺寸与艾里斑大小接近。可见，本实施例提供的成像系统，在整个像面上的光斑聚焦特性接近衍射极限性能。

参见附图5，它是本实施例提供的紧凑型大视场高分辨率凝视成像系统的光学传递函数曲线，横坐标为空间频率，纵坐标是传递函数值，由图可见，系统在探测器奈奎斯特频率250lp/mm 处，传递函数值在0.4附近，并且接近衍射极限曲线。因此，本实施例提供的成像系统，满足接近衍射极限的高分辨率成像特性。

Claims (4)

1.一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，其特征在于：它包括宽视场的物镜系统，两片平面反射镜，多孔经分视场的中继转像系统和CCD探测器；所述的物镜系统（1）为两片同心的球面透镜胶合的半球形透镜组，沿光线入射方向，依次为第一片球面正透镜（7），第二片球面正透镜（8），第一片球面正透镜的后表面与第二片球面正透镜的前表面胶合，第二片球面正透镜的后表面为平面，第一平面反射镜（2）的反射面紧贴第二片球面正透镜（8）的后表面，它与光轴的夹角α为30°≤α≤50°；第二平面反射镜在光轴方向上与第一平面反射镜（2）距离D为80mm≤D≤90mm，第二平面反射镜（3）与光轴夹角β为55°≤β≤75°；系统经折转光轴后得到一个大视场目标物均匀像差的球面中间像（4），再经中继转像系统（5）成像于CCD探测器（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，其特征在于：系统的焦距f为45mm≤f≤55mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，其特征在于：系统的全视场ω为0°≤ω≤120°。

4.根据权利要求1所述的一种基于折叠同心结构的紧凑型宽视场凝视成像系统，其特征在于系统的总长L为90mm≤L≤110mm。

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