专利名称：直视型微光立体成像夜视仪的制作方法
技术领域：
本发明属于成像技术领域，尤其是涉及一种直视型微光立体成像夜视仪，可用于夜视、医学成像、水下成像、暗室测量等领域。
背景技术：
直视微光成像系统是一种利用光增强技术的光电成像系统。它可以大大改善人眼在微弱光下的视觉性能。由于系统可以在极低照度下(10_61χ I(T1Ix)完全“被动”式工作，因而在夜视、医学成像、水下成像、光子成像等领域得到迅速发展和广泛应用。传统直视型微光成像系统主要由物镜光学系统、微光像增强器、目镜系统等三部分组成，如图1所示，其工作原理是微弱光照射下的景物辐射特性，通过单孔径光学系统11会聚在微光像增强器12的光电阴极面上，通过光电阴极的光电子转换、电子倍增器增强和荧光屏电光转换再现为景物的可见光图像，并由单孔径目镜系统13提供给人眼观测。然而，目前微光成像系统所记录和显示的图像还主要是三维物体的平面二维微光图像，无法展示景物的深度立体感和层次感。集成摄像技术可以解决上述问题，该技术是由G. Lippmarm于1908年首先提出的， 其实现主要包括两个过程微单元图像的记录过程和立体图像的重构过程，如图2所示，其中图加是微单元图像的记录过程，图2b是立体图像重构过程。在记录过程中，微单元图像阵列23是三维物体20发出的光线经由微透镜阵列21的每个微透镜对物体所成的像，由感光胶片22记录。由于微透镜板21上的微透镜有很多，且每个微透镜都处于不同位置，所以每个微透镜其实记录了来自物体不同视角方向的信息，元素图像记录了光的强度和方向。 在重构过程中，在元素图像阵列23前配置尺寸匹配的重构微透镜板对，则来自微单元图像的光线通过各自对应的微透镜可以反向恢复记录时的光线，从而再现发自原物体的光场， 在原物体存在的位置上生成立体图像25。但是，重构立体图像相对于人眼观察目标出现了深度逆转，不能反演观察者对真实物理世界的深度观测效果。另外，固定焦距的透镜阵列很难保证在大景深范围内都能成高分辨率图像。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种直视型微光立体成像夜视仪，以实现微弱光条件下二维成像模式到多深度面立体成像模式的快速切换和三维显示立体图像的深度翻转校正，增强微光立体图像的观测景深和分辨率，保证在大景深范围内立体成像的高分辨率。为实现上述目的，本发明的直视型微光立体成像夜视仪，包括物镜光学系统、微光像增强器件和目镜系统，其中物镜光学系统的前端设有记录变焦镜头阵列，并在荧光屏后端放置重构变焦镜头阵列，形成由二维微光像增强器件和双变焦透镜阵列组成的多视角成像系统结构。所述的记录变焦镜头阵列，由光学面型可调谐的N个变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N > 2，每个变焦镜头通过对应的可编程驱动电路控制，对不同深度位置处的目标进行多视角锐聚焦成像，形成视差不同的微单元图像阵列。所述重构变焦镜头阵列由光学面型可调谐的N个变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N ^ 2，重构变焦镜头的数目与记录的视差微单元图像的数目相同，且变焦镜头的排列与视差微单元图像阵列的位置对应，实现大景深范围内的高分辨率微光立体图像。所述的记录变焦镜头阵列的可编程驱动电路与重构变焦镜头阵列的可编程驱动电路结构相同，并通过同步调节其驱动电压，使这些变焦镜头由曲面变成平面，实现立体成像到二维成像的切换。所述的记录变焦镜头阵列与重构变焦镜头阵列的焦距可调，且记录变焦镜头的焦距fi大于重构变焦镜头的焦距f2，通过调整变焦透镜的焦距，实现多个景深目标的记录和多个图像深度面的重构，以有效增强微光立体图像显示的纵深感和层次感。本发明与现有技术相比，具有如下优点1)本发明由于在物镜光学系统端设置记录变焦微透镜阵列，通过其快速电控变焦特性，可实现多个景深范围内三维目标的多视差高分辨率单元图像阵列记录；2)本发明由于在荧光屏后端放置重构变焦镜头阵列，通过其快速电控变焦特性， 实现微光像增强器件放大后的多视差单元图像阵列在多个图像深度面实时重构，借助于人眼的视差融合特性和视觉暂留特性，形成高分辨率微光立体图像，可有效增强微光立体图像显示的纵深感和层次感；3)本发明由于综合利用微光像增强器件的光线面板荧光屏的180°扭像特性和重构变焦镜头阵列的视差特性，可消除微光立体图像出现的景深可逆现象，符合人眼观测实际三维物体的深度效果。4)本发明由于通过双变焦透镜阵列与二维微光像增强器件形成多视角结构，便于同步调整双变焦透镜的焦距，实现微光立体成像器在二维和三维成像模式之间进行快速、 方便切换。
图1是传统直视型微光成像原理图；图2是现有集成摄像原理光路图；图3为本发明的直视型微光立体成像仪的结构原理图；图4为本发明直视型微光立体成像仪的进行成像的实例图。
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图，对依据本发明提出的直视型微光立体成像夜视仪结构、方法和特性进行详细描述。但附图仅是为本发明的描述提供参考与说明之用，并非是对本发明构成限制。参照图1，传统直视型微光成像仪，包括物镜光学系统10、微光像增强器件11和目标系统12。微光像增强器件的前端光电阴极放置于物镜光学系统10的焦平面上，微光像增强器件11的后端荧光面板放置在目镜系统12的前焦面上。其成像原理是物镜光学系统10将目标发射的微弱光信号收集汇聚于微光像增强器件11的光电阴极上，该光电阴极可以是多碱光电阴极或负电子亲和势半导体光电阴极，光电阴极将汇聚的微弱光场信号进行光电转换，形成电子图像信号，经过光电阴极和微通道板之间的电容加速、微通道板的二次电子倍增，和微通道板与荧光屏幕之间高压电场的加速，使电子图像轰击荧光屏产生光学图像，最后经目镜系统12投影到观察者眼睛中。然而，该微光成像夜视仪只能提供二维平面图像，无法提供微弱光条件下的深度立体成像。为实现微弱光条件下三维场景的大景深、高分辨率和无景深逆转的直视型立体成像，本发明综合微光像增强器件原理和集成摄像方法，提出了一种基于双变焦镜头阵列的微光立体成像系统，如图3所示。参照图3和图4，本发明提出的直视型微光立体成像仪，包括记录变焦镜头阵列 30，物镜光学系统31，光电阴极37，微通道板38，荧光屏面板39，陶瓷封装管壳312，重构变焦镜头阵列33，电控变焦驱动电路311和目镜系统34。记录变焦镜头阵列30放置于物镜系统31前焦面前方一倍变焦镜头焦距的位置；光电阴极37放置于物镜光学系统31的焦平面上；微通道板38放置于光电阴极37后面0. 4-0. 6毫米处；目镜系统34放置于重构变焦镜头阵列33的后面，形成双变焦透镜阵列组成的多视角成像系统结构。荧光屏面板39放置于微通道板38后面0. 4毫米处，且在重构变焦镜头阵列33的前焦面上，保证所显示的微单元图像在重构变焦透镜阵列33的各对应透镜单元空间范围内，以实现微光立体图像深度可逆的校正。微光像增强器件32是通过陶瓷封装管壳312对光电阴极37、微通道板38 和荧光屏面板39进行高真空封装形成的。所述的记录液体镜头阵列30，是一种可编程的连续快速变焦镜头阵列，它由N个液体面型可调谐的记录变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N > 2，该记录变焦镜头采用液体镜头或液晶镜头，每个记录变焦镜头通过对应的可编程电控变焦驱动电路311控制，可对三维目标35进行多视角锐聚焦成像，形成视差不同的微单元图像阵列。通过可编程电控变焦驱动电路快速控制记录变焦镜头阵列30的焦距，可实现不同深度位置处的目标锐聚焦成像，保证不同深度的目标获得高分辨率的微单元图像。而且，记录变焦镜头阵列30的每个镜头同时调整到合适的电压，使每个记录变焦镜头变成光学平板，形成光学平板阵列，可实现三维目标的视差单元图像阵列记录模式到二维图像记录模式的切换。所述的重构变焦镜头阵列33，也是一种可编程的连续快速变焦镜头阵列，它由光学面型可调谐的N个变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N ^ 2，该重构变焦镜头采用液体镜头或液晶镜头，重构变焦镜头的数目与记录的视差微单元图像的数目相同，且重构变焦镜头的排列与视差微单元图像阵列的位置对应，使显示的视差单元图像阵列重构成三维立体图像。记录变焦镜头阵列30的可编程驱动电路与重构变焦镜头阵列33的可编程驱动电路结构相同，通过两者的连续快速变焦特性，增强重构立体微光图像的深度感和层次感。另外，电控变焦驱动电路调整合适的电控电压使重构变焦镜头变为光学平板，可实现微光立体图像重构显示模式到二维图像显示模式的切换。上述系统的成像原理如下三维目标35经过记录变焦镜头阵列30，在过渡像面上形成微单元图像阵列36，物镜光学系统31将过渡像面上的视差微单元图像阵列36中继汇聚到光电阴极37上，光电转换成视差不同的电子单元图像阵列，由微通道板38对该电子单元图像阵列进行二次电子倍增和电子加速，轰击由180°扭像的光纤面板涂上荧光粉制作荧光面板39，实现电子倍增的微单元图像阵列电光转换成视差微单元光学图像，同时完成对整个单元图像阵列的 180°扭像旋转。这些180°旋转的微单元光学图像经过空间对应的重构微透镜阵列33会聚成像，并由目镜光学系统34中继给观察者眼睛，形成微光立体图像310。陶瓷封装管壳 312提供10_3帕以下的高真空的环境，使电子图像阵列在加速和倍增的过程中，不产生空气电离，为高质量的微光图像增强过程提供可能。同时，通过电控变焦驱动电路311同步调节记录变焦镜头阵列30和重构变焦镜头阵列33的电压，使双变焦镜头阵列同时变成光学平板，实现微光立体成像模式到二维成像模式的转换。根据集成成像原理，重构的立体图像往往会出现深度反转，为修正微光立体成像的深度逆转，本发明采用180°扭像的荧光屏面板 39实现对显示单元图像的180度翻转，可以解决微光立体成像景深逆转的问题。同时，通过电控变焦驱动电路311快速调节记录变焦镜头阵列30的焦距f\和重构变焦镜头阵列33 的焦距f2，且满足> f2，实现多个景深目标的快速记录和多个图像深度面的重构，借助于人眼视觉暂留特性，可有效增强微光立体图像观测的纵深感和层次感。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种直视型微光立体成像仪，包括物镜光学系统(31)、光电阴极(37)、微通道板 (38)、具有180°扭像特性的荧光屏面板(39)和目镜系统(34)，其特征在于物镜光学系统(31)的前端设有记录变焦镜头阵列(30)，并在荧光屏面板(39)后端放置重构变焦镜头阵列(33)，形成双变焦透镜阵列组成的多视角成像系统结构；荧光屏面板(39)放置于重构变焦微透镜阵列(3 的焦平面位置处，保证所显示微单元图像180°反转，且在重构变焦透镜阵列(33)的各对应透镜单元空间范围内，以实现微光立体图像深度可逆的校正。
2.根据权利要求1所述的立体成像仪，其特征在于所述的记录变焦镜头阵列(30)和重构变焦镜头阵列(3 的变焦镜头采用液体镜头或液晶镜头。
3.根据权利要求1所述的立体成像仪，其特征在于记录变焦镜头阵列(30)，由光学曲面可调谐的N个变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N ^ 2，每个变焦镜头通过对应的可编程电控变焦驱动电路(311)控制，对不同深度位置处的目标进行多视角锐聚焦成像，形成视差不同的微单元图像阵列。
4.根据权利要求1所述的立体成像仪，其特征在于重构变焦镜头阵列(33)由光学曲面可调谐的N个变焦镜头和与其对应的N个可编程的驱动电路排列组成，N > 2，重构变焦镜头的数目与记录的视差微单元图像的数目相同，且变焦镜头的排列与视差微单元图像阵列的位置对应，借助于人眼的视差图像融合特性，实现大景深范围内的高分辨率微光立体成像。
5.根据权利要求1所述的立体成像仪，其特征在于记录变焦镜头阵列(30)的可编程驱动电路与重构变焦镜头阵列(33)的可编程驱动电路结构相同，并通过电控变焦驱动电路 (311)同步调节其驱动电压，使这些变焦镜头由曲面变成平面，实现立体成像模式到二维成像模式的切换。
6.根据权利要求1所述的立体成像仪，其特征在于记录变焦镜头阵列(30)与重构变焦镜头阵列(33)的焦距可调，且记录变焦镜头阵列(30)的焦距大于重构变焦镜头阵列 (33)的焦距f2，通过快速调整变焦透镜的焦距，实现多个景深目标的记录和多个图像深度面的重构，借助于人眼视觉暂留特性，以有效增强微光立体图像显示的纵深感和层次感。
全文摘要
本发明公开了一种直视型微光立体成像夜视仪，主要解决现有直视型微光成像仪无法提供具有深度感和层次感的立体微光图像的问题。它包括物镜光学系统(31)、光电阴极(37)、微通道板(38)、具有180°扭像特性的荧光面板(39)和目镜系统(34)，物镜光学系统(31)的前端设有记录变焦镜头阵列(30)，并在荧光面板(39)后端放置重构变焦镜头阵列(33)，形成双变焦透镜阵列组成的多视角成像系统结构；荧光面板(39)置于重构变焦微透镜阵列(33)的焦平面位置处，且在重构变焦透镜阵列(33)的各对应透镜单元空间范围内，以实现微光立体图像深度可逆的校正。本发明具有立体成像景深广、立体/二维成像模式切换和观测景深逆转校正的优点，可用于夜视、医学成像、水下成像、暗室测量等领域。
文档编号G02B7/04GK102236161SQ20101016152
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者何国经, 张建奇, 王晓蕊, 郭强, 黄曦 申请人:西安电子科技大学