一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法及系統(tǒng)，其中，該方法包括：入射光線經(jīng)由一由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成的球形透鏡，射入所述球形透鏡所產(chǎn)生的匹茲萬面上；所述光線經(jīng)過所述匹茲萬面上設(shè)置的傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由耦合在平面電荷耦合元件CCD陣列上的傳像光纖束輸出端射入至所述平面CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。通過采用本發(fā)明公開的方法及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高分辨率的成像效果，且大大降低大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的成本。
【專利說明】一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法與系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及曲面焦平面成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲 面焦平面成像方法與系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 曲面焦平面成像技術(shù)仿照視網(wǎng)膜成像機(jī)理（如圖la所示），入瞳光線經(jīng)過球形透 鏡后匯聚于一個(gè)彎曲的焦平面陣列上。如圖lb所示，在曲面焦平面成像系統(tǒng)中，球形透鏡 1相當(dāng)于晶狀體，光闌2相當(dāng)于瞳孔，而曲面焦平面陣列相當(dāng)于視網(wǎng)膜。該曲面陣列的形狀 與光學(xué)系統(tǒng)的匹茲萬面3匹配，并和理想成像的高斯像面相切。采用曲面焦平面陣列的成 像系統(tǒng)可利用球形透鏡中心處的光闌，將各個(gè)方向的入射光線等效為近軸光，消除了除場(chǎng) 曲之外幾乎所有其他類型的離軸像差（慧差、像散、畸變等），通過簡(jiǎn)單的透鏡系統(tǒng)便可獲 得大視場(chǎng)、高通量和高分辨率的成像能力。
[0003] 而傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)（如圖2所示）采用的焦平面陣列多為平面形狀，受到與視場(chǎng) 相關(guān)的像差制約，此類成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角通常不會(huì)很大，為了獲得大的刈幅寬度普遍采用 多臺(tái)獨(dú)立相機(jī)進(jìn)行視場(chǎng)拼接。若要通過單個(gè)成像系統(tǒng)擴(kuò)大視場(chǎng)，設(shè)計(jì)者必須引入額外的透 鏡。該過程不但復(fù)雜，對(duì)視場(chǎng)的提升空間也較為有限，而且整個(gè)成像系統(tǒng)的體積、質(zhì)量和成 本也隨之增加。過多的透鏡組還會(huì)衰減入射光通量，影響成像效果。此外，受透鏡邊緣的影 響，入射角度越大的光線在焦平面上匯聚的能量也越小，導(dǎo)致成像系統(tǒng)所得圖像邊緣處的 亮度隨視場(chǎng)增大逐漸減小，即"漸暈"現(xiàn)象。
[0004] 曲面焦平面陣列的組成形式是曲面焦平面成像系統(tǒng)的核心組成，也是限制該成像 技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的最大瓶頸。目前主要有如下三種實(shí)現(xiàn)曲面焦平面陣列的實(shí)現(xiàn)方案。
[0005] 第一種實(shí)現(xiàn)曲面焦平面陣列的方法是將多塊平面CCD (電荷耦合元件）拼接在曲 面襯底上，將其擬合成一個(gè)曲面陣列。該方案對(duì)各個(gè)平面CCD的位置和姿態(tài)校正與檢測(cè)精 度要求較高，并且可獲得的焦平面陣列曲率半徑通常比較大，提升視場(chǎng)的空間有限。
[0006] 第二種方案是"單心多級(jí)"式設(shè)計(jì)。"單心"指球形主鏡，"多級(jí)"指數(shù)個(gè)相同的圍 繞主鏡呈輻射狀排列的微相機(jī)，微相機(jī)的光軸與主鏡匹茲萬面垂直。但是，該結(jié)構(gòu)中各個(gè)微 相機(jī)的檢測(cè)和裝配精度要求較高；控制與處理硬件體積龐大笨重且復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的一致 性和穩(wěn)定性差。
[0007] 第三種方案是直接采用球形透鏡配合曲面形狀的焦平面CCD陣列。但是曲面CCD 陣列的制造工藝非常復(fù)雜，成本較高，而且對(duì)成品CCD的檢測(cè)和裝配調(diào)試技術(shù)也提出了苛 刻的要求。此外，固定的曲面形狀也限制了鏡頭的選擇與組合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法與系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、高分辨率的成像效果，且大大降低大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的成本。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法，該方法包括：
[0011] 入射光線經(jīng)由一由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成的球形透鏡，射入所述球形透鏡 所產(chǎn)生的匹茲萬面上；
[0012] 所述光線經(jīng)過所述匹茲萬面上設(shè)置的傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由耦合在平面電荷 耦合元件CCD陣列上的傳像光纖束輸出端射入至所述平面CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。
[0013] 一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0014] 球形透鏡，由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成；
[0015] 匹茲萬面，為所述球形透鏡所產(chǎn)生，入射光線經(jīng)由所述球形透鏡，射入所述匹茲萬 面上；
[0016] 傳像光纖束輸入端，設(shè)置于所述匹茲萬面上；
[0017] 傳像光纖束輸出端，稱合在平面電荷稱合兀件(XD陣列上；
[0018] 所述光線經(jīng)過所述傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由傳像光纖束輸出端射入至所述平面 CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。
[0019] 由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該方法所實(shí)現(xiàn)的曲面焦平面陣列與匹茲 萬面相匹配，能夠大大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，減小系統(tǒng)的體積和重量；并采用膠合的球 形透鏡作為唯一的折射元件，介質(zhì)和空氣界面對(duì)光線的衰減作用被控制在最小值，整個(gè)系 統(tǒng)的透過率大于95%。同時(shí)任意視場(chǎng)的光線幾乎均垂直于球形透鏡的表面入射和出射，最 大程度地減小了"漸暈"對(duì)邊緣視場(chǎng)成像效果的影響；且利用傳像光纖束和平面CCD陣列制 造工藝成熟的優(yōu)勢(shì)，有效降低了技術(shù)成本；同時(shí)，光纖束輸入端面的匹配方便靈活，可根據(jù) 不同成像系統(tǒng)的匹茲萬曲面進(jìn)行調(diào)整；此外，傳像光纖束即是光線的接收器，又是圖像的傳 導(dǎo)通道，因光纖的柔然特性和無源特性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜空間環(huán)境的成像探測(cè)，具有廣泛的適 用性和良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0021] 圖la為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的視網(wǎng)膜成像機(jī)理的示意圖；
[0022] 圖lb為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的曲面焦平面成像系統(tǒng)成像原理的示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明【背景技術(shù)】提供的傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)的示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方 法的流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方 法的示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方 法的示意圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例一提供的基于本發(fā)明所述方案的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0028] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例一提供的基于本發(fā)明所述方案的點(diǎn)列圖；
[0029] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像系 統(tǒng)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031] 實(shí)施例一
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方 法的流程圖。如圖2所示，該方法主要包括如下步驟：
[0033] 步驟31、入射光線經(jīng)由一由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成的球形透鏡，射入所述 球形透鏡所產(chǎn)生的匹茲萬面上。
[0034] 步驟32、所述光線經(jīng)過所述匹茲萬面上設(shè)置的傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由耦合在 平面電荷耦合元件CCD陣列上的傳像光纖束輸出端射入至所述平面CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦 平面成像。
[0035] 其中，所述傳像光纖束輸入端可呈輻射狀排布于所述匹茲萬面上；或者，所述傳像 光纖束輸入端排布于所述匹茲萬面上，且與所述匹茲萬面具有一致的曲面形狀。
[0036] 當(dāng)所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布于所述匹茲萬面上時(shí)，所述傳像光纖束輸 入端面與入射光線垂直，并和所述匹茲萬面相切；此外，所述傳像光纖束輸入端還可以正六 邊形密集排布或方形排布在所述匹茲萬面上。
[0037] 進(jìn)一步的，如圖4-5所不，分別為基于兩種傳像光纖束輸入端排布方式來實(shí)現(xiàn)大 視場(chǎng)曲面焦平面成像的示意圖。圖4中，所述傳像光纖束輸入端可呈輻射狀排布于所述匹 茲萬面上；具體來說，光學(xué)鏡頭可選擇兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合，組合成一個(gè)球形透鏡1， 傳像光纖束輸入端3呈福射狀排布于球形透鏡1所產(chǎn)生的匹茲萬面2上，而與之對(duì)應(yīng)的光 纖束輸出端4則稱合到平面CCD(電荷稱合兀件）陣列5上。傳像光纖束輸入端面與入射 主光線垂直，并和匹茲萬面3相切，排布方式可為正六邊形密集排布或方形排布。探測(cè)目標(biāo) 的光線經(jīng)球形透鏡1匯聚于匹茲萬面3上并進(jìn)入光纖內(nèi)部，通過光纖的全反射將光學(xué)圖像 導(dǎo)出后，再由平面CCD陣列的光電效應(yīng)生成數(shù)字圖像。
[0038] 圖5中，所述傳像光纖束輸入端排布于所述匹茲萬面上，且與所述匹茲萬面具有 一致的曲面形狀。其他結(jié)構(gòu)與圖4中類似，且附圖標(biāo)記也與圖4類似。采用這種結(jié)構(gòu)亦可保 證主光線能夠垂直入射到光纖內(nèi)部，另外因光纖束輸入端面的面積隨著視場(chǎng)增大而變大， 雖然因此輸出端的圖像分辨率并不均勻，而是從中心到邊緣趨于減??；但是，圖像分辨率的 不均勻性可通過插值或其他方法重構(gòu)來消除。
[0039] 示例性的，本發(fā)明實(shí)施例所述的各個(gè)元件可采用如下參數(shù)，球形透鏡焦距為 100mm，相對(duì)孔徑1/4,視場(chǎng)角122.4° ;傳像光纖束的單纖直徑為12 μ m，數(shù)值孔徑NA = 0.56;平面〇：0陣列的像素尺寸12 4 111\12 4 111，光敏面尺寸24.4臟\24.6臟，采用9片〇? 進(jìn)行像面拼接。成像系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng)角IF0V = 0. 0068°，當(dāng)成像距離為5km時(shí)，空間分辨 率達(dá)0. 6m。
[0040] 此外，各個(gè)元件的詳細(xì)參數(shù)可如表1所示：
[0041] 表面類型曲率半徑mm 厚度mm 材料 1- 標(biāo)準(zhǔn)球 47.89 23.12 BALF50 面____ 2- 標(biāo)準(zhǔn)球 24.79 24.62 LITHOTEC-CAF2 面____ 3-STO °° 24.62 LITHOTEC-CAF2 4- 標(biāo)準(zhǔn)球 -24.79 23.11 BALF50 面____ 5- 標(biāo)準(zhǔn)球 -47 89 52 28 -- 面____ 6 IMA -100.07 - -
[0042] 其中，表面類型中的"1-5"對(duì)應(yīng)于圖4圖與5附圖標(biāo)記1所示的球形透鏡各分鏡 片的表面，其中表面3為孔徑光闌；6-IMA為匹茲萬面，對(duì)應(yīng)于圖4圖與5附圖標(biāo)記2。
[0043] 進(jìn)一步的，還基于本發(fā)明實(shí)施例的方案進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如圖6-圖7 所示。圖6為本采用本發(fā)明實(shí)施例方案的傳遞函數(shù)曲線圖，如圖6所示，在奈奎斯特頻率 (spatial frequency in cycles) 501p/mm處，接近衍射極限，成像質(zhì)量良好；圖7為采用本 發(fā)明實(shí)施例方案的點(diǎn)列圖，如圖7所示，根據(jù)ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算可知，光斑RMS (均方 根）直徑最大為2. 9um，遠(yuǎn)小于探測(cè)器像元尺寸。
[0044] 本發(fā)明實(shí)施例相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] 1)本發(fā)明利用曲面焦平面成像技術(shù)，相比傳統(tǒng)的平面成像系統(tǒng)，能夠提供更大的 視場(chǎng)和更高的分辨率。
[0046] 2)本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的曲面焦平面陣列與匹茲萬面相匹配，能夠大大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)難度，減小系統(tǒng)的體積和重量。
[0047] 3)系統(tǒng)采用膠合的球形透鏡作為唯一的折射元件，介質(zhì)和空氣界面對(duì)光線的衰減 作用被控制在最小值，整個(gè)系統(tǒng)的透過率大于95%。同時(shí)任意視場(chǎng)的光線幾乎均垂直于球 形透鏡的表面入射和出射，最大程度地減小了"漸暈"對(duì)邊緣視場(chǎng)成像效果的影響。
[0048] 4)利用傳像光纖束和平面C⑶陣列制造工藝成熟的優(yōu)勢(shì)，有效降低了技術(shù)成本。
[0049] 5)光纖束輸入端面的匹配方便靈活，可根據(jù)不同成像系統(tǒng)的匹茲萬曲面進(jìn)行調(diào) 整。
[0050] 6)傳像光纖束既是光線的接收器，又是圖像的傳導(dǎo)通道。因光纖的柔然特性和無 源特性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜空間環(huán)境的成像探測(cè)，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。
[0051] 實(shí)施例二
[0052] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像系 統(tǒng)的示意圖。如圖8所示，該系統(tǒng)主要包括：
[0053] 球形透鏡81，由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成；
[0054] 匹茲萬面82,為所述球形透鏡所產(chǎn)生，入射光線經(jīng)由所述球形透鏡，射入所述匹茲 萬面上；
[0055] 傳像光纖束輸入端83,設(shè)置于所述匹茲萬面上；
[0056] 傳像光纖束輸出端84,稱合在平面電荷稱合兀件(XD陣列85上；
[0057] 所述光線經(jīng)過所述傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由傳像光纖束輸出端射入至所述平面 CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。
[0058] 進(jìn)一步的，所述傳像光纖束輸入端83,設(shè)置于所述匹茲萬面82上包括：所述傳像 光纖束輸入端83呈福射狀排布于所述匹茲萬面82上；或者，所述傳像光纖束輸入端83排 布于所述匹茲萬面82上，且與所述匹茲萬面82具有一致的曲面形狀。
[0059] 進(jìn)一步的，所述傳像光纖束輸入端83呈輻射狀排布于所述匹茲萬面82上包括：
[0060] 所述傳像光纖束輸入端面與入射光線垂直，并和該匹茲萬面相切。
[0061] 進(jìn)一步的，所述傳像光纖束輸入端83呈輻射狀排布于所述匹茲萬面82上包括：以 正六邊形密集排布或方形排布。
[0062] 需要說明的是，上系統(tǒng)中包含的各個(gè)功能模塊所實(shí)現(xiàn)的功能的具體實(shí)現(xiàn)方式在前 面的各個(gè)實(shí)施例中已經(jīng)有詳細(xì)描述，故在這里不再贅述。
[0063] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像方法，其特征在于，該方法包括： 入射光線經(jīng)由一由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成的球形透鏡，射入所述球形透鏡所產(chǎn) 生的匹茲萬面上； 所述光線經(jīng)過所述匹茲萬面上設(shè)置的傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由耦合在平面電荷耦合 元件CCD陣列上的傳像光纖束輸出端射入至所述平面CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述匹茲萬面上設(shè)置的傳像光纖束輸入 端包括： 所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布于所述匹茲萬面上； 或者，所述傳像光纖束輸入端排布于所述匹茲萬面上，且與所述匹茲萬面具有一致的 曲面形狀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布于 所述匹茲萬面上包括： 所述傳像光纖束輸入端面與入射光線垂直，并和所述匹茲萬面相切。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布 于所述匹茲萬面上包括：以正六邊形密集排布或方形排布。
5. -種基于傳像光纖束的大視場(chǎng)曲面焦平面成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括： 球形透鏡，由兩組對(duì)稱的透鏡進(jìn)行膠合組成； 匹茲萬面，為所述球形透鏡所產(chǎn)生，入射光線經(jīng)由所述球形透鏡，射入所述匹茲萬面 上； 傳像光纖束輸入端，設(shè)置于所述匹茲萬面上； 傳像光纖束輸出端，稱合在平面電荷稱合兀件CCD陣列上； 所述光線經(jīng)過所述傳像光纖束輸入端后，經(jīng)由傳像光纖束輸出端射入至所述平面(XD 陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳像光纖束輸入端，設(shè)置于所述匹茲 萬面上包括： 所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布于所述匹茲萬面上； 或者，所述傳像光纖束輸入端排布于所述匹茲萬面上，且與所述匹茲萬面具有一致的 曲面形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布于 所述匹茲萬面上包括： 所述傳像光纖束輸入端面與入射光線垂直，并和該匹茲萬面相切。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳像光纖束輸入端呈輻射狀排布 于所述匹茲萬面上包括：以正六邊形密集排布或方形排布。
【文檔編號(hào)】G02B6/06GK104155758SQ201410416100
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】相里斌, 袁艷, 柳青, 周錦松, 方煜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院