CN111190285A - 多孔径单探测器光学成像*** - Google Patents

多孔径单探测器光学成像*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔径单探测器光学成像***，所述光学***由一个中心光学成像***和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像***组成，中心光学成像***为旋转对称***，光轴与***中心轴重合，两个旁侧光学成像***位于中心光学成像***的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像***光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像***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***和旁侧光学成像***成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。应用右旁侧光学成像***对右侧视场内目标成像，应用左旁侧光学成像***对左侧视场内目标成像，所成的两副像与中心光学成像***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***可实现大视场、大相对孔径下的目标信息采集，可用于可见光及微光夜视成像领域。

Description

多孔径单探测器光学成像***
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***。
背景技术
多孔径成像***是仿生昆虫复眼而设计制造的一种新型多光轴成像***，相比于传统的单孔径单光轴成像***，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***，多为多孔径多探测器的构成方式，造价高昂且***庞大，而多孔径单探测器的构成方式更利于多孔径***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***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***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。***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***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***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***，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***的右旁侧光学成像***对右侧视场内目标成像，应用左旁侧光学成像***对左侧视场内目标成像，所成的两副像与中心光学成像***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***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***，光学***由一个中心光学成像***和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像***组成，中心光学成像***为旋转对称***，光轴与***中心轴重合，两个旁侧光学成像***位于中心光学成像***的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像***光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像***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***和旁侧光学成像***成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。
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，根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，其特征在于：
所述旁侧光学成像***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***与中心光学成像***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***含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。
作为本发明的一种优选技术方案，所述中心光学成像***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，***总长为34.17mm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述中心光学成像***有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，***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。
作为本发明的一种优选技术方案，所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像***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，***垂直于探测器方向上的总长为25.62mm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述右旁侧光学成像***有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，***F#＝2，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。
作为本发明的一种优选技术方案，所述左旁侧光学成像***有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，***F#＝2，视场为(+10°～+30°)×±10°，在特征频率77lp/mm处的中心视场MTF大于0.3。
本发明中，多孔径单探测器光学成像***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***和旁侧光学成像***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***和旁侧光学成像***采用不同的结构形式。本发明中，所述中心光学成像***为轴对称成像***，接收视场为±10°×±10°。本发明中，所述旁侧光学成像***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***中，目标发出的可见光或微光信息经过各个光学成像***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***所成的两副像与中心光学成像***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***分割视场的结构实现方案和两套光学***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：
能够用于可见光至近红外波段0.48μm＜λ＜0.863μm的无穷远目标；
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***和旁侧光学成像***。
旁侧光学成像***使用棱镜来偏折光轴，不影响***的轴对称性。
***整体成像质量较好，设计结果达到使用要求；
***尺寸合理，便于后续的机械结构设计，具有一定的可行性。
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***立体结构示意图；
图2为多孔径单探测器光学成像***结构示意图；
图3为多孔径单探测器光学成像***各分立***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***孔径分布示意图；
图5为多孔径单探测器光学成像***中心光学***结构图；
图6为多孔径单探测器光学成像***旁侧光学***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1-2所示，本发明提供的多孔径单探测器光学成像***由一个中心光学成像***1和二个旁侧光学成像***2组成，中心光学成像***1为旋转对称***，光轴与***中心轴重合，二个旁侧光学成像***2物方光轴与***中心轴分别成+20°和-20°夹角，像方光轴与***中心轴平行且相对***中心轴分别有±11.24mm的水平偏移。三个光学***的像平面重合。
上述***中，各分立***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***1所成的图像区域，外侧两个矩形为旁侧光学成像***2所成的图像区域，各分立***像面有所重合，在实际使用过程中需要在***内部添加遮挡以将各像面分隔。
上述***中，各分立***孔径大小及分布如图4所示，中心圆为中心光学成像***1孔径，外侧二个圆为旁侧光学成像***2孔径。
上述***中，中心光学成像***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***1结构简单经济，成像质量达到使用要求。
上述***中，中心光学成像***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***光阑位于球面镜1-2后，球面镜1-1口径即该***最大口径为14.77mm，***总长34.17mm。
上述***中，旁侧光学成像***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***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***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***光阑位于双胶合球面镜组2-2后，球面镜2-1口径即该***最大口径为16.46mm，***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***和旁侧光学成像***均属于大相对孔径、中等视场的光学***。中心光学成像***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***构型为三片型，通过将其中一片镜组***为双胶合镜组，可减小***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，***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 (10)

1.多孔径单探测器光学成像***，其特征在于光学***由一个中心光学成像***和两个拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像***组成，中心光学成像***为旋转对称***，光轴与***中心轴重合，两个旁侧光学成像***位于中心光学成像***的水平两侧，从水平面上看，两个旁侧光学成像***光轴利用棱镜偏折装置与中心光学成像***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***和旁侧光学成像***成像于同一探测器像平面内不同坐标点上。
2.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，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***，其特征在于所述中心光学成像***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***，其特征在于所述旁侧光学成像***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***，其特征在于所述旁侧光学成像***与中心光学成像***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***，其特征在于所述旁侧光学成像***含有只偏折光轴而不影响成像方向的光轴偏折装置。
7.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，其特征在于所述中心光学成像***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，***总长为34.17mm。
8.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，其特征在于所述中心光学成像***有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，***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。
9.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，其特征在于所述拥有镜像对称光学结构的旁侧光学成像***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，***垂直于探测器方向上的总长为25.62mm。
10.根据权利要求1所述的多孔径单探测器光学成像***，其特征在于所述右旁侧光学成像***有效焦距f′＝25mm，入瞳直径φ＝12.5mm，***F#＝2，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。
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