本发明专利技术提出了一种基于棱镜‑光纤耦合的大视场成像装置，用于解决现有光纤耦合成像装置中视场角有限和成本高的技术问题，包括共心球透镜、折射装置、光纤传像束、探测器阵列和图像处理模块；共心球透镜采用四层球透镜组成；折射装置位于共心球透镜的匹兹万像面上，采用包括由同心曲面透镜和多个微棱镜形成的球面结构，其中同心曲面透镜位于球面中点，多个微棱镜以同心曲面透镜为中心，沿球面径向紧密排布成多层圆环；光纤传像束采用锥形结构；折射装置、光纤传像束和探测器依次在共心球透镜的成像主光轴一侧共轴排布，探测器与图像处理模块电性相连。本发明专利技术可用于空间监视、探测告警、空中航拍和城市安全监控等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学成像
，涉及一种大视场成像装置，具体涉及一种基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，可用于空间监视、探测告警、空中航拍和城市安全监控等领域。
技术介绍
视场角和分辨率是光学成像系统至关重要的性能指标，但视场角和分辨率之间是相互制约的关系。短焦成像系统具有大视场成像能力，长焦成像系统能够拍摄高分辨图像，但传统相机无法同时兼顾大视场和高分辨率的成像要求。为解决这一问题，现有的大视场高分辨率成像系统主要有小视场扫描成像系统、鱼眼透镜成像系统、环带凝视全景成像系统、折反射大视场成像系统和多相机阵列成像系统。上述的几种成像机制都有其各自的缺陷所在：小视场高分辨率扫描成像需要复杂的光机扫描结构，系统实时性较差；鱼眼透镜像面边缘处畸变较大，信息损失严重；环带凝视成像系统受杂散光影响较大且存在中心盲区；折反射大视场成像系统的光机结构复杂，系统庞杂。随着计算成像的发展，新型大视场高分辨率成像技术日益成熟，其成像方法主要分为三类：结合球面探测器的共心球透镜成像方法；结合微相机阵列的共心球透镜成像方法；基于圆柱光纤传像束的共心球透镜成像方法。其中，结合球面探测器的共心球透镜成像方法以共心球透镜为主镜，获得和共心球透镜共心的匹兹万像面，然后直接采用球面探测器匹配共心球透镜的匹兹万像面，对球面探测器采集到的图像进行处理。相比于其它曲面或平面探测器，球面探测器可以有效减少图像处理中的误差。但是球面探测器阵列的制造工艺非常复杂，成品率较低，成本较高。结合微相机阵列的共心球透镜成像方法采用二次成像的方式，首先以共心球透镜为主镜，利用其旋转对称特性获取各个视场分辨率一致的图像，在一次像面处实现大视场成像，然后利用多个相同的微相机围绕主镜呈辐射状排列，微相机阵列进一步校正视场中所有位置的像差，同时微相机阵列将子视场的球面一次像
面转换为平面二次像面，并使相邻子视场之间存在重叠，最后通过平面探测器拼接实现大视场成像，降低了探测器的成本。但是该方法微相机阵列体积过大，且控制与处理硬件质量笨重，整个系统可行性差。基于圆柱光纤传像束的共心球透镜成像方法，采用圆柱光纤传像束与共心球透镜相结合的结构设计，首先利用共心球透镜的旋转对称特性校正场相关的像差，在匹兹万像面处获取一致分辨率的图像，其次将圆柱光纤传像束的入射面与匹兹万像面相匹配，出射端与平面探测器相匹配，实现曲面焦平面成像。这种方法不仅可以获得大视场高分辨图像，而且可以减小系统体积、降低系统质量，使系统具有可携带性。但该成像系统受限于光纤传像束的全反射条件，系统成像视场角有限，而且需要多片探测器拼接实现大视场成像，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，用于解决现有光纤耦合成像装置中存在的视场角有限和探测器阵列大导致成本过高的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，包括：共心球透镜1，用于采集光信号，形成一次像面；光纤传像束3，用于将形成的一次像面转换为平面像面并输出；探测器阵列4，用于将接收到平面像面转换为电信号；图像处理模块5，用于对接收到的电信号进行重建；光纤传像束3和探测器阵列4依次设置在共心球透镜1的成像侧，且光纤传像束3中心轴线和探测器阵列4的中心位于共心球透镜1的主光轴上，探测器阵列4与图像处理模块5电性相连；在共心球透镜1和光纤传像束3之间的共心球透镜1形成的匹兹万像面上设置有折射装置2，该折射装置2采用包括由同心曲面透镜21和多个微棱镜22排列形成的球面结构，该球面结构曲率方向与匹兹万像面曲率方向一致，折射装置2出射端与光纤传像束3的入射端相连；光纤传像束3采用锥形结构，其入射端端面尺寸大于出射端尺寸。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，共心球透镜1采用由四层球透镜组成的共心结构。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，四层球透镜，由两个外层透镜
和两个内层透镜组成，其中两个内层透镜采用低折射率材料，两个外层透镜均采用高折射率的材料。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，同心曲面透镜21的中心位于共心球透镜1的主光轴上。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，同心曲面透镜21出射面和共心球透镜1的匹兹万像面曲率一致。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，球面结构中同心曲面透镜21位于球面的中点，多个微棱镜22以同心曲面透镜21为中心，沿球面径向紧密排布成多层圆环，每层圆环中的微棱镜22输入面与释放面形成的夹角相同。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，多层圆环中不同圆环中微棱镜22的输入面与释放面形成的夹角，根据共心球透镜1视场角大小确定。上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，球面结构中多个微棱镜22的释放面均与光纤传像束3中心轴线平行。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：1)本专利技术由于在共心球透镜与光纤传像束之间的主光轴上设置有折射装置，用于调整入射光束的聚焦方向，使边缘视场原本不能耦合入光纤的光线满足全反射条件，与现有技术相比，增强了光能量耦合效率，拓宽了视场角。2)本专利技术由于折射装置采用包括由同心曲面透镜和多个微棱镜排列形成的球面结构，同心曲面透镜的中心位于共心球透镜的主光轴上且出射面和匹兹万像面曲率一致，实现了全视场光程相等，与现有技术相比，减小了波像差，保证大视场下成像质量。3)本专利技术由于光纤传像束采用锥形结构，其入射端端面尺寸大于出射端尺寸，且入射端与折射装置出射端相连，实现了将共心球透镜形成的匹兹万像面转换为平面，并实现了图像缩倍，减小了探测器阵列尺寸，与现有技术采用的圆柱形结构相比，降低了成本。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术的折射装置结构示意图；图3是本专利技术不同视场下多个微棱镜仿真图；图4是本专利技术不同视场下探测器接收能量图；图5是现有技术不同视场下探测器接收能量图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本专利技术作进一步描述。参照图1，是本专利技术的系统结构示意图，包括共心球透镜1、折射装置2、光纤传像束3、探测器阵列4和图像处理模块5；折射装置2、光纤传像束3和探测器阵列4依次设置在共心球透镜1的成像侧，且折射装置2和光纤传像束3中心轴线与探测器阵列4的中心位于共心球透镜1的主光轴上，探测器阵列4与图像处理模块5电性相连；共心球透镜1采用由四层球透镜组成的共心结构，用于接收场景的光能量辐射；共心球透镜1的旋转对称性结构设计可以实现180°内的大视场成像，所有透镜曲面共用一个中心，像面也是和球心共心的球面。共心球透镜没有严格定义的光轴，像差与视场角无关。可校正轴外像差，如：彗差、像散及轴向色差等像差；四层球透镜，由两个外层透镜和两个内层透镜组成，其中两个内层透镜采用成都光明玻璃库中H-ZK10L材料，折射率低，两个外层透镜采用H-LAF4材料，折射率高，该设计方式可达到消色差效果，在成像像差最大孔径0.707处有效校正F光和C光的色差；共心球透镜1有效提高成像分辨率。入射光线在折射装置2处形成一次像面，共心球透镜1成像质量良好。折射装置2采用包括由同心曲面透镜21和多个微棱镜22排列形成的球面结构，该球面结构位于共心球透镜1的匹兹万像面上，球面曲率方向与匹兹万像面曲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于棱镜‑光纤耦合的大视场成像装置，包括：共心球透镜(1)，用于采集光信号，形成一次像面；光纤传像束(3)，用于将形成的一次像面转换为平面像面并输出；探测器阵列(4)，用于将接收到平面像面转换为电信号；图像处理模块(5)，用于对接收到的电信号进行重建；所述光纤传像束(3)和探测器阵列(4)依次设置在共心球透镜(1)的成像侧，且光纤传像束(3)中心轴线和探测器阵列(4)的中心位于共心球透镜(1)的主光轴上，探测器阵列(4)与图像处理模块(5)电性相连；其特征在于：在所述共心球透镜(1)和光纤传像束(3)之间的共心球透镜(1)形成的匹兹万像面上设置有折射装置(2)，该折射装置(2)采用包括由同心曲面透镜(21)和多个微棱镜(22)排列形成的球面结构，该球面结构曲率方向与所述匹兹万像面曲率方向一致，所述折射装置(2)出射端与光纤传像束(3)的入射端相连；所述光纤传像束(3)采用锥形结构，其入射端端面尺寸大于出射端尺寸。
【技术特征摘要】
1.一种基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，包括：共心球透镜(1)，用于采集光信号，形成一次像面；光纤传像束(3)，用于将形成的一次像面转换为平面像面并输出；探测器阵列(4)，用于将接收到平面像面转换为电信号；图像处理模块(5)，用于对接收到的电信号进行重建；所述光纤传像束(3)和探测器阵列(4)依次设置在共心球透镜(1)的成像侧，且光纤传像束(3)中心轴线和探测器阵列(4)的中心位于共心球透镜(1)的主光轴上，探测器阵列(4)与图像处理模块(5)电性相连；其特征在于：在所述共心球透镜(1)和光纤传像束(3)之间的共心球透镜(1)形成的匹兹万像面上设置有折射装置(2)，该折射装置(2)采用包括由同心曲面透镜(21)和多个微棱镜(22)排列形成的球面结构，该球面结构曲率方向与所述匹兹万像面曲率方向一致，所述折射装置(2)出射端与光纤传像束(3)的入射端相连；所述光纤传像束(3)采用锥形结构，其入射端端面尺寸大于出射端尺寸。2.根据权利要求1所述的基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，其特征在于：所述共心球透镜(1)采用由四层球透镜组成的共心结构。3.根据权利要求2所述的基于棱镜-光纤耦合的大...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰涛，王娇阳，杨莹，邵晓鹏，许洁，张扬，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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