一种宽视场高分辨率光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种宽视场高分辨率光学系统，其包括成像透镜阵列、像感器阵列、信号处理单元、及位于物面与像面一之间的投影物镜一与分割透镜阵列。这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系。像面一被分割透镜阵列分割成分视场阵列，使物面通过成像透镜阵列成像到像感器阵列的感光面，而使像感器阵列采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列以图像处理方式获得宽视场高分辨率计算摄像。像面一为面向物面的凹球面；分割透镜阵列、成像透镜阵列和像感器阵列组成等分视场成像阵列各单元，以像面一的凹球面的球心或相近的投影物镜一中心线上的一点为中心，呈放射状规则性排列。

【技术实现步骤摘要】
一种宽视场高分辨率光学系统
本专利技术涉及一种光学系统，尤其涉及一种宽视场高分辨率光学系统。
技术介绍
宽视场高分辨率光学系统广泛应用于生物医药、航空侦察和地形测绘等领域。但由于视场与分辨率之间存在相互制约的关系，一般不能仅通过一次曝光获得宽幅高分辨图像。高分辨成像时如果要增大幅宽，一般采用机械扫描的方法。然而，扫描获取宽幅图像需要的时间长，而且帧与帧之间存在时间间隔，因此这种方法仅对静态场景有效。对于一些应用，比如大范围持续监视，在获得大视场的同时还要保证不能丢失目标的细节信息，且必须在单次曝光的时间范围内完成，只能采用面阵凝视成像。面阵凝视成像时若要同时获得大视场和高分辨率，像面上的像元数目必须达到10亿级别。而当前在单片像感器上像元数目远远不能达到这个水平，必须进行拼接。像感器拼接技术难度大，并直接增大了温控难度和相机研制难度。此外，从光学设计角度考虑，透镜的分辨力要与10亿像元像感器的分辨率相匹配，在现有的技术水平条件下，设计和加工这种透镜仍然是巨大的技术挑战。如果不同视场位置的像差不同，组成多孔径阵列的光学元件就会各不相同，且数目较多，加工和设计的难度仍然很大。总体来说，在当前的技术条件下，宽视场高分辨率成像主要有三大技术难点：1)当前单片像感器上的像元数目远远不能达到宽视场高分辨率成像要求的10亿数量级；2)从光学设计角度，由于像差的存在，设计和加工与10亿像元像感器的分辨力相匹配的透镜系统是非常困难的；3)由于宽视场高分辨率成像获得的照片的信息量巨大，对图像传输和图像处理都提出了非常高的实时性要求，对当前的技术水平来说，仍然是一大技术难题。专利
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种宽视场高分辨率光学系统，提供了能与10亿像元像感器相匹配的大视场分辨率的投影镜头，并在当前的单片像感器上像元数目远远不能达到这个水平的条件下，通过分割拼接重构等手段，实现了具有10亿像元的大视场分辨率的完整图像的整套解决方案。本专利技术的投影镜头实现了光学系统的球面像差、彗差、像散，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，尤其对轴向色差的二级光谱校正良好，又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。本专利技术应用于生物、遗传、医疗和药物等研究与检测技术的发展，高精度大视场光学检测要求的投影物镜需求日益增强，目前同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种性能的投影物镜的设计和制造十分困难，还少有先例。本专利技术采用以下技术方案实现：一种宽视场高分辨率光学系统，其包括位于物面(P1)与像面一(P2)之间的投影物镜一(PRJ1)，其中，所述大视场高分辨光学系统还包括分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列(P3A)；分割透镜阵列(LA)采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列(PLA)采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列(P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系；分割透镜阵列(LA)位于像面一(P2)的附近，而成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)均位于像面一(P2)远离物面(P1)的一侧；成像透镜阵列(PLA)还位于像面一(P2)与像感器阵列(P3A)之间；物面(P1)通过投影物镜一(PRJ1)成像到像面一(P2)，像面一(P2)为中间像面，像面一(P2)被分割透镜阵列(LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列(PLA)成像到像感器阵列(P3A)的感光面，而使像感器阵列(P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像；其中，像面一(P2)为面向物面(P1)的凹球面；分割透镜阵列(LA)，成像透镜阵列(PLA)和像感器阵列(P3A)组成等分视场成像阵列各单元，以像面一(P2)的凹球面的球心或相近的投影物镜一(PRJ1)中心线上的一点为中心，呈放射状规则性排列；且满足：Sin(αy–αarray)<0.5NA/β，αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2，其中，αy为在像面一(P2)处像高为y的主光线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αarray为分视场成像阵列各单元中心线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αin为像面一(P2)的主光线入射角，NA为物面(P1)数值孔径，β为投影物镜一(PRJ1)的放大倍率，取正值，Lpout为像面一(P2)出瞳距离，Rim像面一(P2)的凹球面的曲率半径。作为上述方案的进一步改进，从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括前透镜群组、分光器件一(BS1)、后透镜群组；所述宽视场高分辨率光学系统还包括分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)，从物面(P1)到一个像面二(P4)，所述前透镜群组、分光器件一(BS1)、分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)依次构成成像系统。进一步地，所述宽视场高分辨率光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还与LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二(P4)处与像面二(P4)平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二(PRJ2)、分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。进一步地，从物面(P1)与像面二(P4)的成像系统的放大倍率小于从物面(P1)与像面一(P2)的投影物镜一(PRJ1)的放大倍率，所述像面二(P4)处设置像感器和信号处理单元构成物面(P1)的摄像系统，所述像面二(P4)处像感器像元数目总和少于像感器阵列(P3A)的像元数目总和。作为上述方案的进一步改进，所述宽视场高分辨率光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个LED光源的不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。进一步地，所述宽视场高分辨率光学系统包括所述照明系统一时，所述照明系统一通过分时选择和切换不同的LED光源的开关与强弱的方式，来改变照明光的光谱；所述信号处理单元分别采集不同光谱的照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽视场高分辨率光学系统，其包括位于物面(P1)与像面一(P2)之间的投影物镜一(PRJ1)，其特征在于：所述大视场高分辨光学系统还包括分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列(P3A)；分割透镜阵列(LA)采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列(PLA)采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列(P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系；分割透镜阵列(LA)位于像面一(P2)的附近，而成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)均位于像面一(P2)远离物面(P1)的一侧；成像透镜阵列(PLA)还位于像面一(P2)与像感器阵列(P3A)之间；物面(P1)通过投影物镜一(PRJ1)成像到像面一(P2)，像面一(P2)为中间像面，像面一(P2)被分割透镜阵列(LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列(PLA)成像到像感器阵列(P3A)的感光面，而使像感器阵列(P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像；其中，像面一(P2)为面向物面(P1)的凹球面；分割透镜阵列(LA)，成像透镜阵列(PLA)和像感器阵列(P3A)组成等分视场成像阵列各单元，以像面一(P2)的凹球面的球心或相近的投影物镜一(PRJ1)中心线上的一点为中心，呈放射状规则性排列；且满足：Sin(αy–αarray)<0.5NA/β，αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2，其中，αy为在像面一(P2)处像高为y的主光线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αarray为分视场成像阵列各单元中心线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αin为像面一(P2)的主光线入射角，NA为物面(P1)数值孔径，β为投影物镜一(PRJ1)的放大倍率，取正值，Lpout为像面一(P2)出瞳距离，Rim像面一(P2)的凹球面的曲率半径。...

【技术特征摘要】
1.一种宽视场高分辨率光学系统，其包括位于物面(P1)与像面一(P2)之间的投影物镜一(PRJ1)，其特征在于：所述宽视场高分辨率光学系统还包括分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(RLA)、像感器阵列(P3A)、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列(P3A)；分割透镜阵列(LA)采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列(RLA)采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列(P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系；分割透镜阵列(LA)位于像面一(P2)的附近，而成像透镜阵列(RLA)、像感器阵列(P3A)均位于像面一(P2)远离物面(P1)的一侧；成像透镜阵列(RLA)还位于像面一(P2)与像感器阵列(P3A)之间；物面(P1)通过投影物镜一(PRJ1)成像到像面一(P2)，像面一(P2)为中间像面，像面一(P2)被分割透镜阵列(LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列(RLA)成像到像感器阵列(P3A)的感光面，而使像感器阵列(P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像；其中，像面一(P2)为面向物面(P1)的凹球面；分割透镜阵列(LA)，成像透镜阵列(RLA)和像感器阵列(P3A)组成等分视场成像阵列各单元，以像面一(P2)的凹球面的球心或相近的投影物镜一(PRJ1)中心线上的一点为中心，呈放射状规则性排列；且满足：Sin(αy–αarray)<0.5NA/β，αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2，其中，αy为在像面一(P2)处像高为y的主光线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αarray为分视场成像阵列各单元中心线与投影物镜一(PRJ1)中心线的夹角，αin为像面一(P2)的主光线入射角，NA为物面(P1)数值孔径，β为投影物镜一(PRJ1)的放大倍率，取正值，Lpout为像面一(P2)出瞳距离，Rim像面一(P2)的凹球面的曲率半径。2.如权利要求1所述的宽视场高分辨率光学系统，其特征在于：从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括前透镜群组、分光器件一(BS1)、后透镜群组；所述宽视场高分辨率光学系统还包括分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)，从物面(P1)到一个像面二(P4)，所述前透镜群组、分光器件一(BS1)、分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)依次构成成像系统。3.如权利要求2所述的宽视场高分辨率光学系统，其特征在于：所述宽视场高分辨率光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还与LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二(P4)处与像面二(P4)平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二(PRJ2)、分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。4.如权利要求3所述的宽视场高分辨率光学系统，其特征在于：从物面(P1)与像面二(P4)的成像系统的放大倍率小于从物面(P1)与像面一(P2)的投影物镜一(PRJ1)的放大倍率，所述像面二(P4)处设置像感器和信号处理单元构成物面(P1)的摄像系统，所述像面二(P4)处像感器像元数目总和少于像感器阵列(P3A)的像元数目总和。5.如权利要求2所述的宽视场高分辨率光学系统，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，
申请(专利权)人：张家港中贺自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32