一種基于傳像光纖束的大視場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)由一由兩組對稱的透鏡進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)實現(xiàn)了大視場、高分辨率的成像效果，且大大降低大視場成像系統(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)膜成像機理（如圖la所示），入瞳光線經(jīng)過球形透 鏡后匯聚于一個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，將各個方向的入射光線等效為近軸光，消除了除場 曲之外幾乎所有其他類型的離軸像差（慧差、像散、畸變等），通過簡單的透鏡系統(tǒng)便可獲 得大視場、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 相關(guān)的像差制約，此類成像系統(tǒng)的視場角通常不會很大，為了獲得大的刈幅寬度普遍采用 多臺獨立相機進行視場拼接。若要通過單個成像系統(tǒng)擴大視場，設(shè)計者必須引入額外的透 鏡。該過程不但復(fù)雜，對視場的提升空間也較為有限，而且整個成像系統(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現(xiàn)曲面焦平面陣列的實現(xiàn)方案。
[0005] 第一種實現(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，將其擬合成一個曲面陣列。該方案對各個平面CCD的位置和姿態(tài)校正與檢測精 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，提升視場的空間有限。
[0006] 第二種方案是"單心多級"式設(shè)計。"單心"指球形主鏡，"多級"指數(shù)個相同的圍 繞主鏡呈輻射狀排列的微相機，微相機的光軸與主鏡匹茲萬面垂直。但是，該結(jié)構(gòu)中各個微 相機的檢測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，而且對成品CCD的檢測和裝配調(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曲面焦平面成像方法與系統(tǒng)， 實現(xiàn)了大視場、高分辨率的成像效果，且大大降低大視場成像系統(tǒng)的成本。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0010] 一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像方法，該方法包括：
[0011] 入射光線經(jīng)由一由兩組對稱的透鏡進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，實現(xiàn)曲面焦平面成像。
[0013] 一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0014] 球形透鏡，由兩組對稱的透鏡進行膠合組成；
[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，該方法所實現(xiàn)的曲面焦平面陣列與匹茲 萬面相匹配，能夠大大簡化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計難度，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)和空氣界面對光線的衰減作用被控制在最小值，整個系 統(tǒng)的透過率大于95%。同時任意視場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"對邊緣視場成像效果的影響；且利用傳像光纖束和平面CCD陣列制 造工藝成熟的優(yōu)勢，有效降低了技術(shù)成本；同時，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，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)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 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)明實施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像方 法的流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像方 法的示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明實施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像方 法的示意圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明實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)明實施例一提供的基于本發(fā)明所述方案的點列圖；
[0029] 圖8為本發(fā)明實施例二提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像系 統(tǒng)的示意圖。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒?發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0031] 實施例一
[0032] 圖3為本發(fā)明實施例一提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像方 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)由一由兩組對稱的透鏡進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，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現(xiàn)大 視場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)鏡頭可選擇兩組對稱的透鏡進行膠合，組合成一個球形透鏡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。探測目標(biāo) 的光線經(jīng)球形透鏡1匯聚于匹茲萬面3上并進入光纖內(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)明實施例所述的各個元件可采用如下參數(shù)，球形透鏡焦距為 100mm，相對孔徑1/4,視場角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? 進行像面拼接。成像系統(tǒng)的瞬時視場角IF0V = 0. 0068°，當(dāng)成像距離為5km時，空間分辨 率達0. 6m。
[0040] 此外，各個元件的詳細參數(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)準球 47.89 23.12 BALF50 面____ 2- 標(biāo)準球 24.79 24.62 LITHOTEC-CAF2 面____ 3-STO °° 24.62 LITHOTEC-CAF2 4- 標(biāo)準球 -24.79 23.11 BALF50 面____ 5- 標(biāo)準球 -47 89 52 28 -- 面____ 6 IMA -100.07 - -
[0042] 其中，表面類型中的"1-5"對應(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，對應(yīng)于圖4圖與5附圖標(biāo)記2。
[0043] 進一步的，還基于本發(fā)明實施例的方案進行了模擬驗證。驗證結(jié)果如圖6-圖7 所示。圖6為本采用本發(fā)明實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)明實施例方案的點列圖，如圖7所示，根據(jù)ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件計算可知，光斑RMS (均方 根）直徑最大為2. 9um，遠小于探測器像元尺寸。
[0044] 本發(fā)明實施例相對于現(xiàn)有技術(shù)而言主要具有如下優(yōu)點：
[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 視場和更高的分辨率。
[0046] 2)本發(fā)明所實現(xiàn)的曲面焦平面陣列與匹茲萬面相匹配，能夠大大簡化光學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計難度，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)和空氣界面對光線的衰減 作用被控制在最小值，整個系統(tǒng)的透過率大于95%。同時任意視場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"對邊緣視場成像效果的影響。
[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，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，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。
[0051] 實施例二
[0052] 圖8為本發(fā)明實施例二提供的一種基于傳像光纖束的大視場曲面焦平面成像系 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，由兩組對稱的透鏡進行膠合組成；
[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，實現(xiàn)曲面焦平面成像。
[0058] 進一步的，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)中包含的各個功能模塊所實現(xiàn)的功能的具體實現(xiàn)方式在前 面的各個實施例中已經(jīng)有詳細描述，故在這里不再贅述。
[0063] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 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)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范 圍為準。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于傳像光纖束的大視場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)由一由兩組對稱的透鏡進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，由兩組對稱的透鏡進行膠合組成； 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】G02B6/06GK104155758SQ201410416100
【公開日】2014年11月19日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)院光電研究院