一種寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、航空偵察和地形測(cè)繪等領(lǐng)域。但 由于視場(chǎng)與分辨率之間存在相互制約的關(guān)系，一般不能僅通過一次曝光獲得寬幅高分辨圖 像。高分辨成像時(shí)如果要增大幅寬，一般采用機(jī)械掃描的方法。然而，掃描獲取寬幅圖像需 要的時(shí)間長(zhǎng)，而且?guī)c幀之間存在時(shí)間間隔，因此這種方法僅對(duì)靜態(tài)場(chǎng)景有效。對(duì)于一些應(yīng) 用，比如大范圍持續(xù)監(jiān)視，在獲得大視場(chǎng)的同時(shí)還要保證不能丟失目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息，且必須 在單次曝光的時(shí)間范圍內(nèi)完成，只能采用面陣凝視成像。面陣凝視成像時(shí)若要同時(shí)獲得大 視場(chǎng)和高分辨率，像面上的像元數(shù)目必須達(dá)到10億級(jí)別。而當(dāng)前在單片像感器上像元數(shù)目 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個(gè)水平，必須進(jìn)行拼接。像感器拼接技術(shù)難度大，并直接增大了溫控難度和 相機(jī)研制難度。此外，從光學(xué)設(shè)計(jì)角度考慮，透鏡的分辨力要與10億像元像感器的分辨率 相匹配，在現(xiàn)有的技術(shù)水平條件下，設(shè)計(jì)和加工這種透鏡仍然是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果不同 視場(chǎng)位置的像差不同，組成多孔徑陣列的光學(xué)元件就會(huì)各不相同，且數(shù)目較多，加工和設(shè)計(jì) 的難度仍然很大。
[0003] 總體來說，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，寬視場(chǎng)高分辨率成像主要有三大技術(shù)難點(diǎn)：1) 當(dāng)前單片像感器上的像元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到寬視場(chǎng)高分辨率成像要求的10億數(shù)量級(jí)；2) 從光學(xué)設(shè)計(jì)角度，由于像差的存在，設(shè)計(jì)和加工與10億像元像感器的分辨力相匹配的透鏡 系統(tǒng)是非常困難的；3)由于寬視場(chǎng)高分辨率成像獲得的照片的信息量巨大，對(duì)圖像傳輸和 圖像處理都提出了非常高的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)當(dāng)前的技術(shù)水平來說，仍然是一大技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)，提 供了能與10億像元像感器相匹配的大視場(chǎng)分辨率的投影鏡頭，并在當(dāng)前的單片像感器上 像元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到這個(gè)水平的條件下，通過分割拼接重構(gòu)等手段，實(shí)現(xiàn)了具有10億像 元的大視場(chǎng)分辨率的完整圖像的整套解決方案。本發(fā)明的投影鏡頭實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的球面 像差、彗差、像散，軸向色像差和倍率色像差等各項(xiàng)像差都得到良好校正，尤其對(duì)軸向色差 的二級(jí)光譜校正良好，又可以降低鏡頭的加工，測(cè)試和裝校的難度和成本。本發(fā)明應(yīng)用于生 物、遺傳、醫(yī)療和藥物等研宄與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，高精度大視場(chǎng)光學(xué)檢測(cè)要求的投影物鏡需 求日益增強(qiáng)，目前同時(shí)具有寬光譜、高分辨、大視場(chǎng)3種性能的投影物鏡的設(shè)計(jì)和制造十分 困難，還少有先例。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)，其包括位于物面 (Pl)與像面一（P2)之間的投影物鏡一（PRJl)，其中，所述大視場(chǎng)高分辨光學(xué)系統(tǒng)還包括分 割透鏡陣列（LA)、成像透鏡陣列（PLA)、像感器陣列（P3A)、信號(hào)處理單元，所述信號(hào)處理單 元電性連接于像感器陣列（P3A);
[0006] 分割透鏡陣列（LA)米用若干分割透鏡陣列式布局，成像透鏡陣列（PLA)米用若干 成像透鏡陣列式布局，像感器陣列（P3A)采用若干像感器陣列式布局，這三個(gè)陣列中的每 個(gè)單元為相互對(duì)應(yīng)的一對(duì)一的映射關(guān)系；
[0007] 分割透鏡陣列（LA)位于像面一（P2)的附近，而成像透鏡陣列（PLA)、像感器陣列 (P3A)均位于像面一（P2)遠(yuǎn)離物面（Pl)的一側(cè)；成像透鏡陣列（PLA)還位于像面一（P2) 與像感器陣列（P3A)之間；
[0008] 物面（Pl)通過投影物鏡一（PRJl)成像到像面一（P2)，像面一（P2)為中間像面， 像面一（P2)被分割透鏡陣列（LA)分割成分視場(chǎng)陣列，再通過成像透鏡陣列（PLA)成像到 像感器陣列（P3A)的感光面，而使像感器陣列（P3A)采集到圖像信息陣列，所述信號(hào)處理單 元將所述圖像信息陣列通過圖像處理方式獲得物面（Pl)的寬視場(chǎng)高分辨率計(jì)算攝像；
[0009] 其中，像面一（P2)為面向物面（Pl)的凹球面；分割透鏡陣列（LA)，成像透鏡陣 列（PLA)和像感器陣列（P3A)組成等分視場(chǎng)成像陣列各單元，以像面一（P2)的凹球面的 球心或相近的投影物鏡一（PRJl)中心線上的一點(diǎn)為中心，呈放射狀規(guī)則性排列；且滿足： Sin ( a y - a array)〈0· 5NA/ β，a in〈NA/ β，0· 8〈Lpout/Rim〈l. 2,其中，ay 為在像面一 (P2)處像高為y的主光線與投影物鏡一（PRJl)中心線的夾角，a array為分視場(chǎng)成像陣列 各單元中心線與投影物鏡一（PRJl)中心線的夾角，a in為像面一（P2)的主光線入射角，NA 為物面（Pl)數(shù)值孔徑，β為投影物鏡一（PRJl)的放大倍率，取正值，Lpout為像面一（P2) 出瞳距離，Rim像面一（Ρ2)的凹球面的曲率半徑。
[0010] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，從物面（PD到像面一（Ρ2)，投影物鏡一（PRJl)依次 包括前透鏡群組、分光器件一（BSl)、后透鏡群組；所述寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)還包括分 光器件二（BS2)、投影物鏡二（PRJ2)，從物面（Pl)到一個(gè)像面二（Ρ4)，所述前透鏡群組、分 光器件一（BSl)、分光器件二（BS2)、投影物鏡二（PRJ2)依次構(gòu)成成像系統(tǒng)。
[0011] 進(jìn)一步地，所述寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)還包括照明系統(tǒng)一、照明系統(tǒng)二中的至 少一者，以對(duì)物面（Pl)提供照明；
[0012] 所述照明系統(tǒng)一含有多個(gè)波長(zhǎng)不同的LED光源的至少一個(gè)LED陣列光源、與所述 至少一個(gè)LED陣列光源相對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)LED光源聚光透鏡、與所述至少一個(gè)LED光源聚 光透鏡相對(duì)應(yīng)的且還與LED光源波長(zhǎng)相關(guān)的至少一個(gè)2向分色器件；所述LED陣列光源將 多個(gè)不同波長(zhǎng)的LED光源的多個(gè)不同光譜能量依次通過相應(yīng)的光源聚光透鏡與相應(yīng)的2向 分色器件匯集到相近位置和相近方向，并依次通過分光器件二（BS2)、分光器件一（BSl)、 所述前透鏡群組最終投射到物面（Pl);
[0013] 所述照明系統(tǒng)二采用激光照明，所述照明系統(tǒng)二的激光波面在像面二（P4)處與 像面二（P4)平行或偏向一個(gè)角度，再依次通過投影物鏡二（PRJ2)、分光器件二（BS2)、分光 器件一（BSl)、所述前透鏡群組最終投射到物面（Pl)。
[0014] 進(jìn)一步地，從物面（Pl)與像面二（P4)的成像系統(tǒng)的放大倍率小于從物面（Pl)與 像面一（P2)的投影物鏡一（PRJl)的放大倍率，所述像面二（P4)處設(shè)置像感器和信號(hào)處理 單元構(gòu)成物面（Pl)的攝像系統(tǒng)，所述像面二（P4)處像感器像元數(shù)目總和少于像感器陣列 (P3A)的像元數(shù)目總和。
[0015] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)還包括照明系統(tǒng)一、 照明系統(tǒng)二中的至少一者，以對(duì)物面（Pl)提供照明；
[0016] 所述照明系統(tǒng)一含有多個(gè)波長(zhǎng)不同的LED光源的至少一個(gè)LED陣列光源、與所述 至少一個(gè)LED陣列光源相對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)LED光源聚光透鏡、與所述至少一個(gè)LED光源聚 光透鏡相對(duì)應(yīng)的且還LED光源波長(zhǎng)相關(guān)的至少一個(gè)2向分色器件；所述LED陣列光源將多 個(gè)LED光源的不同光譜能量依次通過相應(yīng)的光源聚光透鏡與2向分色器件匯集到相近位置 和相近方向，并依次通過分光器件一（BSl)、所述前透鏡群組最終投射到物面（Pl);
[0017] 所述照明系統(tǒng)二采用激光照明，所述照明系統(tǒng)二依次通過分光器件一（BSl)、所述 前透鏡群組最終投射到物面（Pl)。
[0018] 進(jìn)一步地，所述寬視場(chǎng)高分辨率光學(xué)系統(tǒng)包括所述照明系統(tǒng)一時(shí)，所述照明系統(tǒng) 一通過分時(shí)選擇和切換不同的LED光源的開關(guān)與強(qiáng)弱的方式，來改變照明光的光譜；所述 信號(hào)處理單元分別采集不同光譜的照明光時(shí)的像感器陣列（P3A)的圖像信息陣列，再通過 圖像處理方式獲得物面（Pl)的寬視場(chǎng)高分辨率計(jì)算攝像。
[0019] 作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，從物面（Pl)到像面一（P2)，投影物鏡一（PRJl)依次 包括第一鏡組（Gl)、分光器件一（BSl)、第二鏡組（G2)、第三鏡組（G3);
[0020] 在第二鏡組（G2)中，滿足關(guān)