基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置的制造方法
【专利摘要】本发明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。本发明可用于空间监视、探测告警、空中航拍和城市安全监控等。
【专利说明】
基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置
技术领域
[0001 ]本发明属于光学成像技术领域，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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
【发明内容】
[0007]本发明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。
[0008]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0009]—种基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，包括:共心球透镜I，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I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I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I和光纤传像束3之间的共心球透镜I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。
[0010]上述基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，共心球透镜I采用由四层球透镜组成的共心结构。
[0011]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。
[0012]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I的主光轴上。
[0013]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I的匹兹万像面曲率一致。
[0014]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。
[0015]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I视场角大小确定。
[0016]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。
[0017]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0018]I)本发明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。
[0019]2)本发明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。
[0020]3)本发明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】
[0021 ]图1是本发明的整体结构示意图；
[0022]图2是本发明的折射装置结构示意图；
[0023]图3是本发明不同视场下多个微棱镜仿真图；
[0024]图4是本发明不同视场下探测器接收能量图；
[0025]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】
[0026]以下结合附图和实施例，对本发明作进一步描述。
[0027]参照图1，是本发明的系统结构示意图，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I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I的主光轴上，探测器阵列4与图像处理模块5电性相连；
[0028]共心球透镜I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I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-ZKlOL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I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I成像质量良好。
[0029]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I的匹兹万像面上，球面曲率方向与匹兹万像面曲率方向一致，且与共心球透镜I共心；利用光纤传像束3芯层和包层的折射率，通过全反射条件计算锥形光纤面板的中心视场，在中心视场内，光线在光纤中的传输满足全反射条件，不需要增加微棱镜阵列调整光线的聚焦方向。为保持全视场光程相等，在锥形光纤面板输入端模压成型同心曲面透镜21。在中部视场和边缘视场内，根据棱镜折射原理和光纤全反射条件，计算出多个微棱镜22输入面的倾斜角度，利用微棱镜22改变光路的聚焦方向，使边缘视场光线满足全反射条件耦合入光纤，从而增大锥形光纤束的有效视场角；同心曲面透镜21和多个微棱镜22采用光刻胶材料SU-8在光纤传像束3输入端模压成型，形成输入面和释放面两个表面，厚度在微米量级。
[0030]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。输入端与匹兹万像面相匹配，将匹兹万像面出射的光束耦合入光纤进行传输，输出端通过光学耦合剂与平面探测器阵列相接，将曲面像面转换为平面像面。光纤传像束3的输入端与输出端直径比为2:1，将出射光束口径缩小为入射光束口径的二分之一，缩小图像尺寸从而避免多片探测器拼接使用，减小探测器阵列尺寸，降低成本。
[0031]探测器阵列4采用CCD或CMOS，该探测器阵列4与共心球透镜I的中心光路垂直，探测器阵列4的中心在共心球透镜I的中心光路上;探测器阵列4接收校正后的光信号，实时传输到图像处理模块5。
[0032]图像处理模块5将局部统计增强方法与减去背景法相结合，校正图像亮度的不均匀性，提高分辨率。在局部统计增强方法中，首先定义一个适当大小的局部移动子块，计算采集图像全局和局部灰度的平均值和方差，分辨图像的亮暗区域并确定需要增强的候选点。对满足局部增强条件的点简单的乘以一个固定的常数，使其亮度增加，而对其余的点在以每个像素点为中心的子块上进行灰度拉伸运算，得到亮度增强图像。在减去背景法中，运用邻域操作方法和双线性插值方法得到和原始图像大小相同的背景估计图像。最后用亮度增强图像减去背景估计图像，提高图像的目视解译能力。
[0033]参照图2，是本发明的折射装置结构示意图。折射装置在该球面结构中，同心曲面透镜21位于球面的中点且中心位于共心球透镜I的主光轴上，前后表面均与共心球透镜I的匹兹万像面曲率一致。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，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依共心球透镜I视场角呈非线性变化。中部视场微棱镜输入面与光纤轴线的夹角范围为90°-180°，边缘视场微棱镜输入面与光纤轴线的夹角范围为0°-90°;多个微棱镜22的释放面均与光纤传像束3中心轴线平行。
[0034]以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
[0035]1、仿真条件
[0036]在用P-W法计算初始结构的基础上，采用ZEMAX光学设计软件，针对不同的视场角设计优化相应的多个微棱镜参数，优化整个系统，模拟成像效果。
[0037]2、仿真内容
[0038]在ZEMAX非序列模式下，对本发明不同视场下多个微棱镜、不同视场下探测器接收的能量和现有技术不同视场下探测器接收的能量分别进行仿真，其仿真结果如图3、图4和图5所示。
[0039]参照图3，是本发明不同视场下多个微棱镜仿真图:图3(a)、图3(b)和图3(c)分别表示中心视场、中部视场视场和边缘视场的光纤输入端局部仿真图，光线入射到输入面后，被微棱镜折射，在光纤束中按照全反射条件进行传输。把序列模式中共心主透镜的结构参数导入非序列模式中，设置合适的光纤束参数，选取光纤束芯层折射率为1.81，包层的折射率为1.48。针对不同的视场角分别完成对同心曲面透镜和微棱镜阵列的优化设计。图3(a)中光线经过同心曲面透镜后在光纤束中按照全反射条件进行传输;图3(b)中部视场微棱镜输入面与光纤轴线的夹角范围为90°-180°，图3(c)中边缘视场微棱镜输入面与光纤轴线的夹角满足0° -90°。
[0040]参照图4，是本发明不同视场下探测器接收能量图:分析光斑特征可见，在中心视场中，探测器接收到的光斑形状近似圆形对称分布;在中部视场中，探测器接收到的光斑形状为上下对称的扇形，边缘视场中，探测器接收到的光斑形状近似圆形对称分布;半视场角74°时仍可见明显光斑。
[0041]参照图5，是现有技术不同视场下探测器接收能量图。分析光斑特征可见，在中心视场中，探测器接收到的光斑形状近似圆形对称分布，边缘视场中，光斑图像已不可见;半视场角36°时，探测器上收到的光能量已大幅减弱，对比图4，微棱镜校正的成像系统的光能量耦合效率明显优于无棱镜系统的光能量耦合效率。
[0042]从图4和图5中可见，经过折射装置校正后，探测器上接收的光能量明显提高，半视场角大小由36°提高到74°。多个微棱镜有效提高了中部视场和边缘视场的能量耦合效率。本发明的基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置可以把有效视场角从70°增至120°左右。综上，本发明具有优良的光学成像性能。
[0043]本发明说明书中未详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
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(I)，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(I)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(I)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(I)和光纤传像束(3)之间的共心球透镜(I)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(I)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-光纤耦合的大视场成像装置，其特征在于:所述四层球透镜，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。4.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:所述同心曲面透镜(21)的中心位于共心球透镜(I)的主光轴上。5.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:所述同心曲面透镜(21)出射面和共心球透镜(I)的匹兹万像面曲率一致。6.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:所述球面结构，其中同心曲面透镜(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。7.根据权利要求6所述的基于棱镜-光纤耦合的大视场成像装置，其特征在于:所述多层圆环，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(I)视场角大小确定。8.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:所述球面结构，其中多个微棱镜(22)的释放面均与光纤传像束(3)中心轴线平行。
【文档编号】G02B17/08GK105892048SQ201610283650
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】刘杰涛, 王娇阳, 杨莹, 邵晓鹏, 许洁, 张扬
【申请人】西安电子科技大学