基于同心球二次成像的光学成像系统的制作方法

本实用新型涉及成像光学系统设计领域，特别是基于同心球二次成像的光学成像系统。
背景技术：
：宽视场高分辨率成像一直是现代光电(EO)和红外(IR)成像系统追求的目标。成像系统分辨率需求按照正常人眼视觉分辨率估算，每像素对应的瞬时视场约0.016°(1角分)，以这样的分辨率在水平和竖直两个维度对O(102°)量级视场的场景进行成像，就需要O(108)即上亿量级的成像像素。1亿像素量级的图像传感器虽然已经能够设计并制造，但是其成本较高，技术成熟度还很低。利用成熟的小像素数传感器进行直接拼接也可以获得大规模像素传感器，但拼接实施的技术难度较大，目前只在天文、航天等领域使用。即使大规模像素的图像传感器技术(单块或直接拼接)完全成熟，利用单块或拼接的大规模像素图像传感器配合单个光学系统在大视场下实现像差校正和高质量高分辨率成像，所需要的光学系统在现有技术条件下设计和加工装调也都具有相当的难度。另一方面，如果采用机械扫描的方法进行宽视场高分辨率成像，则完整成像需要的时间长，且帧与帧之间存在时间间隔，因此仅对静态场景有效。对于大范围持续监视等相关应用，要在单次曝光的时间范围内进行大视场成像，且不丢失目标的细节信息，只能采用凝视成像的方法，机械扫描的方法获取高分辨率大视场的方法适用范围受限。视场大小和分辨率之间存在着相互制约的关系，往往需要牺牲一项指标来使另一项达到使用要求，比如鱼眼镜头，虽然可实现超过180°的大视场凝视成像，但是其空间分辨率被相应降低，同时还存在严重的畸变。而通过机械扫描的方法，可将小视场高分辨成像系统的视场扩大，但是这种以扫描方式所获得的图像在帧与帧之间存在着时间间隔，只能应用于静态场景，无法满足有实时性要求的应用场合，因此，现有的动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨的要求。技术实现要素：本实用新型的目的是提供基于同心球二次成像的光学成像系统，用以解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。为了实现光学成像，解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。本实用新型提供一种基于同心球二次成像的光学成像系统，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。有益效果是，通过设置上述的结构，将图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，实现了同时满足宽视场和高分辨的要求，而且与机械扫描不同，采用直接获取整个视场角内的图像，能够用于动态场景。进一步地，为了提高分辨率要求，所述光学成像系统的总像素数为43200×25200，F#为3，工作波段为480nm～650nm。进一步地，为了精准实现上述光学成像系统，所述子孔径相机包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，每一个透镜中以靠近同心球物镜的面作为该透镜的前面，第一透镜的前面和后面曲率半径分别为41.137mm和283.812mm，厚度为4mm，口径为14.4mm；第二透镜为双胶合透镜，第二透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为27.41mm、-28.97mm和66.02mm，厚度为4.5mm，口径为15mm；第三透镜为双胶合透镜，第三透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为161.316mm、8.94mm和-18.07mm，厚度为2.5mm，口径为14mm；第四透镜的前面和后面曲率半径分别为-15.887mm和-87.523mm，厚度为4mm，口径为14mm；第五透镜的前面和后面曲率半径分别为-490.073mm和-19.53mm，厚度为5mm，口径为15mm；第六透镜的前面和后面曲率半径分别为-13.32mm和-39.915mm，厚度为3mm，口径为14mm；第七透镜的前面和后面曲率半径分别为11.072mm和7.15mm，厚度为7.5mm，口径为14mm。进一步地，为了对子孔径相机在球面上的排布进行优化，而且有规律可循，简单方便，易于排布，且弦长率和填充率指标也能满足要求，所述同心球物镜包括五个图像接收面，子孔径相机阵列中的子孔径相机均分为五个部分，每一个部分的子孔径相机分别对应一个图像接收面。进一步地，为了精准实现上述光学成像系统，所述同心球物镜由内外两层球面光学玻璃组成，内层和外层形成五个具有相同的曲率中心的面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面和第五面；第一面的曲率半径为50mm，厚度为22.49mm，口径为96mm；第二面的曲率半径为27.51mm，厚度为27.51mm，口径为54.2mm；第三面的曲率半径为无穷大，厚度为27.51mm，口径为54.2mm；第四面的曲率半径为-27.51mm，厚度为22.49mm，口径为54.2mm；第五面的曲率半径为-50mm，厚度为31.6mm，口径为96mm。进一步地，为了保证子孔径相机处于最优的横向放大倍数区间内，所述同心球物镜的焦距在74mm至92.5mm之间。进一步地，为了使子孔径相机的视场与上述图像接收面匹配，以达到较好的填充率，各子孔径相机中的第一透镜的口径对同心球物镜的球心张角小于或者等于5.71°。进一步地，为了保证视场存在一定重叠的同时减少子孔径相机的个数，各子孔径相机的视场在所述同心球物镜的一次像面上等角度均匀布置。进一步地，为了保证子孔径相机的精准，单个子孔径相机的全视场为9.12°，子孔径相机中的第一透镜在视场中的物理锥角边界为5.71°，图像传感器的短边覆盖的视场角为8.726°。进一步地，为了保证满足填充率的要求，相邻子孔径相机之间的最大夹角为7.71°，最小夹角为6.34°，光学成像系统的弦长率为0.216，填充率值为76.61％。附图说明图1是本实用新型的基于同心球二次成像的光学成像系统的示意图；图2是本实用新型的正二十面体示意图；图3是本实用新型的正二十面体的一个正三角形ABC与正二十面体的外接球O的关系图；图4是本实用新型的同心球物镜的一次像面上的视场示意图；图5是本实用新型的子孔径相机视场在球面上等角排布示意图；图6是本实用新型的子孔径相机视场在整个三角形ABC内的等角均分总视场示意图；图7是本实用新型的子孔径相机视场在整体视场上等角排布示意图；图8是本实用新型的同心球物镜二次成像一阶布局示意图；图9是本实用新型的同心球物镜二次成像光学系统最大尺寸示意图；图10是本实用新型的基于同心球二次成像的光学系统单路设计光路图；图11是本实用新型的基于同心球二次成像的光学系统单路设计第一透镜口径减小的光路图；图12是本实用新型的第一透镜口径减小的子孔径相机场曲和相对畸变曲线图；图13是本实用新型的基于同心球二次成像的光学成像系统的第一种视角的三维模型示意图；图14是本实用新型的基于同心球二次成像的光学成像系统的第二种视角的三维模型示意图。具体实施方式下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。本实用新型提供一种基于同心球二次成像的光学成像系统，如图1所示，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。光学成像系统的总像素数为43200×25200，F#为3，工作波段为480nm～650nm。成像光学系统的设计视场角达到120°×70°，物方角分辨率为50μrad，系统总像素数为43200×25200≈10.88亿。在传感器选型方面，经过对比选择，传感器选择分辨率为4072×3046、像元尺寸为1.85μm的CMOS图像传感器，对应的成像光学系统焦距不小于37mm，如表1所示。表1同心球二次成像方案中的子孔径相机视场要进行拼接才能满足整体宽视场覆盖的要求。为保证拼接后的图像无缝隙出现，需要相邻子孔径相机视场具有足够的重叠率，从而对子孔径相机需要覆盖的视场提出了要求。另一方面，子孔径相机分布在一个与同心球物镜共心的球面上，子孔径相机光学系统之间应无干涉，子孔径相机的圆形孔径对分布球面的覆盖还应具有足够高的填充率。因此，为达到这两方面的目的，需要对子孔径相机阵列在球面上进行排布，一方面在保证相邻视场重叠率足够的同时，降低二次成像镜头需要覆盖的视场要求，从而简化子孔径相机的复杂度，改善整个光学系统的成像质量；另一方面，子孔径相机在球面上经过排布后，其圆形孔径对球面的高填充率可以在保证子孔径相机光学系统之间不干涉的同时尽量增加子孔径相机光学系统的通光口径，减少子孔径相机边缘视场的渐晕，有效利用光能量，从而提高成像质量。利用正二十面体上某一面正三角形的均分点阵作为初始分布，以弦长率和填充率为目标函数，对正三角形内部点阵的微移动量进行数值优化，以此得到二次成像镜头在球面上的中心点坐标。该方法在正三角形均分频率s＝8时得到的弦长率为0.1661，填充率为75.95％，均分频率s＝10时的弦长率为0.1671，填充率为75.80％。由于该方法需要进行数值优化，计算量较大，所得到的二次成像镜头在球面上的中心点坐标位置规律也较为复杂。正二十面体体正三角形均分频率一定时，利用正二十面体正三角形均分点阵的思想，我们采用手动调整的方法，进行子孔径相机中心点位置的确定。采用这种方法得到的二次成像镜头中心点位置有规律可循，简单方便，易于排布，且弦长率和填充率指标也能满足要求。正二十面体是由20个等边三角形所组成的正多面体，共有12个顶点、30条棱、20个面，每5个正三角形共用一个顶点，为共用顶点，如图2所示。因此，本实用新型采用的同心球物镜包括五个图像接收面，子孔径相机阵列中的子孔径相机均分为五个部分，每一个部分的子孔径相机分别对应一个图像接收面，一个图像接收面即为一个对应的正三角形。假设正二十面体的一个顶点为A，正三角形ABC为正二十面体的一个面，球O为正二十面体的外接球，A、B、C三点都在球O上，球心O与同心球物镜的球心重合，球面与同心球物镜的一次像面重合，如图3所示。根据正二十面体外接球半径与其边长的关系，可知∠AOB＝∠AOC＝∠BOC＝63.43495°，对∠AOB和∠AOC分别进行10等分，每个等分角度为6.343495°。取等分角度的90％即5.71°作为子孔径相机第一透镜在视场中的物理锥角边界2θ，即2θ＝5.71°，但计算填充率时应仍以6.343495°计算。如图4所示，子孔径相机视场范围边界以2β＝1.6*(2θ)＝9.12°设计，以角分辨率要求和传感器光敏面短边像素数确定传感器短边覆盖的视场角2δ＝3046×50μrad＝8.726°。将总数量为11个子孔径相机视场在球面上沿∠AOB和∠AOC等角度均布，且传感器短边方向平行于AB或AC方向，如图5所示。将∠BOC进行10等分，并在球面上将总数量为11个视场等角度均布，并使子视场内部与传感器长边平行的基准面与OA轴重叠；将∠EOF进行9等分，并在球面上将总数量为10个视场等角度均布，并使子视场内部与传感器长边平行的基准面与OA轴重叠；将∠GOH进行8等分，将总数量为9个视场等角度均布，并使子视场内部与传感器长边平行的基准面与OA轴重叠；如此重复循环直至角度不可再分，如图6所示。可以在此时确认所有子孔径相机视场均重叠，且每三个子孔径相机视场无缝隙出现。将BPQ内部的全部视场(即三角形ABC除AC边以外)以360°/5＝72°角绕OA阵列，阵列数量为5，得到φ120°的整体视场，如图7所示，在这种布局下共用到子孔径相机276个，对于120°×70°视场，可以在上述φ120°视场的布局内，对子孔径相机进行裁减后得到近似矩形的视场，为实现120°×70°视场需221个子孔径相机。在上述分布方法得到的子孔径相机排布结果中，测量相邻子孔径相机之间最大夹角Amax和最小夹角Amin，分别为7.71°和6.34°，可计算出这种分布的弦长率为0.216。以二十面体的一个面为代表进行计，得到这种分布下填充率值为76.61％。由于图像传感器后端电路板的尺寸限制，整个成像光学系统的体积不能无限制减小，以下的仿真计算给出系统光学总长与后段电路横向尺寸的关系。按照同心球二次成像原理，系统由同心球物镜及子孔径相机阵列组成，由于系统图像传感器已经选择为像元尺寸1.85um的CMOS图像传感器，在50urad的角分辨率要求下，系统焦距为f＝37mm，子孔径相机光学系统的横向放大倍数M一般为0.4-0.5。因此，同心球物镜焦距fM＝f/M在74mm至92.5mm之间。在同心球物镜玻璃材料选取为F2(n1,V1)/BK7(n2,V2)组合时，可以得到n1＝1.62,ν1＝36.7,n2＝1.52,ν2＝64.2。同心球物镜焦距一定，由消色差或消赛德尔球差的约束，可以得到外层球半径在43.4mm至54.2mm之间，并且随着同心球物镜焦距增大，外层球半径也随之增大，同心球物镜外层球半径R1与其焦距fM和系统焦距f及横向放大倍率M粗略有以下关系，R1＝0.586*fM＝0.586f/M。如图8所示，假设图像传感器后的电路板最大横向尺寸为X，相邻两个子孔径相机相对同心球物镜球心转过的角度为2α，则在保证电路板之间不发生干涉的情况下，图像传感器(即光学系统焦面)距离同心球物镜球心的距离s最小为smin＝X/(2tanα)因此，系统总长L最小为Lmin＝R1+smin＝0.586f/M+X/(2tanα)。取子孔径相机光学系统的横向放大倍率M＝0.45，每两个相机转过的角度2α＝6.34°，系统焦距f＝37mm，则不同的电路板横向尺寸X对应的系统最小总长如表2所示。从表中可以看出，电路板横向尺寸每增加1mm系统总长需增加9mm左右才能保证电路板之间不发生干涉。表2电路板横向尺寸/mm光学系统最小总长/mm20228.822246.925274.030319.132337.235364.3同时，由于系统具有光机横向尺寸不超过500mm的限制，而光机系统最大横向尺寸取决于最外侧子孔径光学系统焦面之间的距离，如图9所示。两个最外侧子孔径光学系统之间的夹角为2θ，则由几何关系可知最大横向尺寸H＝{X/(2tanα)}*2sinθ＝X*sinθ/tanα，由光机体积限制取H＝500mm,由上述子孔径相机在球面上排列的仿真计算取2α＝6.34°及θ＝63.4°，则可计算得到电路板横向最大尺寸为X＝31mm，为留出余量，光学设计给电路板预留32mm空间，对应的光学总长在337mm左右。按照上述等角分布的子孔径相机排布方法，单个子孔径相机的设计视场角为2β＝9.12°，子孔径相机的第一透镜对同心球透镜的张角最大为2θ＝5.71°。根据系统体积要求及仿真计算，光学总长337mm，每两路子孔径相机光学系统的中心间距32mm。同时外部同心球透镜由于矢高较高，为了保证光学加工可行，同心球透镜的外层球光学玻璃材料需要选择具有足够厚度胚料的光学玻璃材料。同心球物镜选择双层设计，子孔径相机光学系统的缩放倍率定为0.5左右，进行光学系统设计，得到如图10所示的光路。此时，子孔径相机光学系统的第一透镜是完整的。由于子孔径相机光学系统分布在球面上，第一透镜的物理直径受到限制，为了能够在球面上分布时子孔径光学系统之间无干涉，取第一透镜口径对球心张角小于5.71°，同时保证子孔径视场内相对照度尽量均匀，第一透镜通光口径减小后的光路图如图11所示，图中红色虚线是对同心球物镜张角为5.71°的包络线。合理选择第一透镜通光口径后，子孔径相机在球面上布局就有了足够的空间，但相应的边缘视场光线会在第一透镜上发生渐晕，从而使边缘视场的MTF产生分裂下降。虽然由于子孔径相机第一透镜的通光口径减小引起了边缘视场的照度下降和MTF曲线分裂及像质下降，但是由于相邻子孔径相机视场重叠，子孔径相机光学系统第一透镜张角以外的视场可以在相邻的子孔径相机内以更高的像质成像，因此成像系统的像质并未实质性下降。此时，单个子孔径相机全视场9.12°，具有桶形畸变，最大相对畸变为-1.66％，如图12所示。在结构设计软件中测量中光轴的空间角度，输入光学设计软件中进行建模，将正二十面体一个正三角形上分布的子孔径相机的成像及渐晕情况进行仿真验证，并对电子学硬件在空间中的分布情况以及一次像面上的情况对进行确认。如图13和图14所示，按照结构软件中光轴的空间角度建模的同心球二次成像系统中，焦面上30mm直径圆在这种排布下无干涉。按照上述设计思路得到的光学系统详细参数如表3所示，子孔径相机包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，每一个透镜中以靠近同心球物镜的面作为该透镜的前面，第一透镜的前面和后面曲率半径分别为41.137mm和283.812mm，厚度为4mm，材料为H-Z52A，口径为14.4mm；第二透镜为双胶合透镜，第二透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为27.41mm、-28.97mm和66.02mm，厚度为4.5mm，材料分别为H-BAK8和H-ZLAF75A，口径为15mm；第三透镜为双胶合透镜，第三透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为161.316mm、8.94mm和-18.07mm，厚度为2.5mm，材料为H-Z52A和H-LAF50B，口径为14mm；第四透镜的前面和后面曲率半径分别为-15.887mm和-87.523mm，厚度为4mm，材料为H-Z52A，口径为14mm；第五透镜的前面和后面曲率半径分别为-490.073mm和-19.53mm，厚度为5mm，材料为H-ZF88，口径为15mm；第六透镜的前面和后面曲率半径分别为-13.32mm和-39.915mm，厚度为3mm，材料为H-F4，口径为14mm；第七透镜的前面和后面曲率半径分别为11.072mm和7.15mm，厚度为7.5mm，材料为H-ZF88，口径为14mm。本实用新型所采用的材料均为无色光学玻璃，无色光学玻璃的材料组成比较复杂，并非单一分子式能说明其真实材料，一般都用各光学玻璃生产商的玻璃牌号来代表光学玻璃材料。本实用新型的光学玻璃均采用成都光明生产的无色光学玻璃，指定所采用的牌号即相当于指定了光学透镜所采用的材料，这在光学设计领域属于周知的内容。同心球物镜由内外两层球面光学玻璃组成，内层和外层形成五个具有相同的曲率中心的面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面和第五面；第一面的曲率半径为50mm，厚度为22.49mm，材料为H-F4，口径为96mm；第二面的曲率半径为27.51mm，厚度为27.51mm，材料为H-K9L，口径为54.2mm；第三面的曲率半径为无穷大，厚度为27.51mm，材料为H-K9L，口径为54.2mm；第四面的曲率半径为-27.51mm，厚度为22.49mm，材料为H-F4，口径为54.2mm；第五面的曲率半径为-50mm，厚度为31.6mm，口径为96mm。表3以上给出了本实用新型涉及的具体实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本实用新型中的相应技术手段基本相同、实现的实用新型目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本实用新型的保护范围内。当前第1页1 2 3