基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，包括：选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。本发明专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，采用不同的小相机校正主物镜不同视场的残余像差，从而减轻主物镜设计的压力，使多尺度结构中的主物镜多样化，同时，降低了整个光学设计的难度和系统的加工装调难度。

The method and optical system of the correction of the aberrations in different apertures based on the multi-scale imaging system

【技术实现步骤摘要】
基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统
本专利技术属于光学成像
，具体涉及一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统。
技术介绍
随着光学成像技术的不断发展，大视场高分辨率成像技术也得到了飞快的发展。其中，基于共心球透镜结构的多尺度成像系统由于解决了大视场和高分辨率相互制约的问题，满足了人们对大成像场景高数据量信息捕获的迫切需求而被广泛应用。请参见图1，图1是现有技术提供的一种基于共心球透镜结构的多尺度成像系统结构示意图，其由共心球主物镜和次级小相机阵列级联而成，其结构根据有无中间像面分为开普勒式和伽利略式两种形式，图1中(a)为基于共心球透镜的开普勒式多尺度成像系统结构，(b)为基于共心球透镜的伽利略式多尺度成像系统结构。但在实际应用中，球透镜由于材料的限制无法实现更长的焦距，并且由于胶合结构的限制，共心球透镜无法应用在红外波段中。目前，针对球透镜在实现多尺度成像所存在的焦距短的问题，现有技术中的一种方案是将共心球透镜用类双高斯结构来代替，从而实现了更长的焦距。请参见图2，图2是现有技术提供的一种基于类双高斯结构的多尺度成像系统结构示意图。然而，由于类双高斯结构不具有共心球透镜所独有的旋转对称性，因此在各个成像视场其像差特性不同，故在相同小相机的情况下，类双高斯物镜的设计难度大大提升，同时增加了整个光学设计的难度以及系统的加工制造难度。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，包括：选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。在本专利技术的一个实施例中，所述选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机，包括：选取结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜，并对其进行优化设计，得到优化后的主物镜；选取合适的小相机初始结构并对其进行优化得到优化后的小相机。在本专利技术的一个实施例中，将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统，包括：调整所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机之间的距离以确定最优的光阑位置；保持所述优化后的主物镜结构参数不变，对所述优化后的小相机结构进行优化设计直至所述中心视场的MTF像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的中心视场子系统。在本专利技术的一个实施例中，当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正，包括：在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统；保持所述优化后的主物镜结构参数不变，通过对所述小相机阵列中的每一个小相机进行进一步的优化设计直至所述非中心视场子系统的MTF像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的非中心视场子系统，以完成分孔径像差校正。在本专利技术的一个实施例中，在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统包括：在所述中心视场子系统的基础上，以所述优化后的小相机为参考，将所述优化后的主物镜以物镜第一面的面顶点为轴旋转不同的角度；将旋转后的所述优化后的主物镜在Y方向进行偏移，得到所述小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统。在本专利技术的一个实施例中，所述小相机阵列为圆环式排布的相机阵列，其中相邻两个小相机之间的距离为h＝2Lsin(θ/2)，其中，L表示小相机第一个面距球心的距离，θ表示相邻两个小相机之间的夹角。在本专利技术的一个实施例中，所述优化的主物镜在Y方向的偏移量为：Y＝Msinθ；其中，M为主物镜第一面到小相机包络面球心的距离。本专利技术的另一个实施例还提供了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统，包括：主物镜和小相机阵列，其中，所述小相机阵列中所有小相机的轴线相交于一点，且使相邻两个小相机封装之后不发生碰撞。在本专利技术的一个实施例中，所述小相机阵列中的所有小相机的轴线相交于所述主物镜的中心位置。在本专利技术的一个实施例中，所述主物镜为结构完全对称的双高斯物镜。本专利技术的有益效果：1、本专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，采用多个不同的小相机校正主物镜不同视场的残余像差，从而减轻主物镜设计的压力，使多尺度结构中的主物镜多样化，同时，降低了整个光学设计的难度和系统的加工装调难度；2、本专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法采用相对坐标转换的方式来设计优化与主物镜非共轴的小相机结构，相比现有设计中以主物镜为参考旋转偏移小相机导致的旋转偏移量计算过于复杂，本专利技术的计算方法简单，可行性高；3、本专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统其小相机阵列采用圆环方式排布，可以简化系统设计的复杂度；4、本专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统可适用于不同结构的主物镜，突破了胶合结构的主物镜对其在红外成像领域应用的限制；5、本专利技术提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法可突破共心球透镜结构的可选材料尺寸对系统焦距的限制，使物镜结构多样化，从而实现更长焦距。以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1是现有技术提供的一种基于共心球透镜结构的多尺度成像系统结构示意图；图2是现有技术提供的一种基于类双高斯结构的多尺度成像系统结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法流程示意图；图4是本专利技术实施例提供的小相机阵列圆环排布方式示意图；图5是本专利技术实施例提供的小相机拼接方案示意图；图6是本专利技术实施例提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统结构框图；图7是本专利技术实施例提供的基于双高斯物镜的多尺度成像系统的整体结构示意图；图8a是本专利技术实施例提供的双高斯物镜结构示意图；图8b是本专利技术实施例提供的优化后的双高斯物镜结构的MTF像质评价曲线；图9是本专利技术实施例提供的优化后的小相机结构示意图；图10a是本专利技术实施例提供的优化后的中心视场子系统结构示意图；...

【技术保护点】
1.一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，其特征在于，包括：/n选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；/n将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；/n当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，其特征在于，包括：
选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；
将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；
当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。


2.根据权利要求1所述的分孔径像差校正光学系统，其特征在于，所述选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机，包括：
选取结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜，并对其进行优化设计，得到优化后的主物镜；
选取合适的小相机初始结构并对其进行优化得到优化后的小相机。


3.根据权利要求1所述的分孔径像差校正光学系统，其特征在于，将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统，包括：
调整所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机之间的距离以确定最优的光阑位置；
保持所述优化后的主物镜结构参数不变，对所述优化后的小相机结构进行优化设计直至所述中心视场的MTF像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的中心视场子系统。


4.根据权利要求1所述的分孔径像差校正光学系统，其特征在于，当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正，包括：
在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统；
保持所述优化后的主物镜结构参数不变...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，刘佳维，邵晓鹏，段景博，杨思原，冯位欣，
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