基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统与流程

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统。

背景技术：

随着光学成像技术的不断发展，大视场高分辨率成像技术也得到了飞快的发展。其中，基于共心球透镜结构的多尺度成像系统由于解决了大视场和高分辨率相互制约的问题，满足了人们对大成像场景高数据量信息捕获的迫切需求而被广泛应用。请参见图1，图1是现有技术提供的一种基于共心球透镜结构的多尺度成像系统结构示意图，其由共心球主物镜和次级小相机阵列级联而成，其结构根据有无中间像面分为开普勒式和伽利略式两种形式，图1中(a)为基于共心球透镜的开普勒式多尺度成像系统结构，(b)为基于共心球透镜的伽利略式多尺度成像系统结构。但在实际应用中，球透镜由于材料的限制无法实现更长的焦距，并且由于胶合结构的限制，共心球透镜无法应用在红外波段中。

目前，针对球透镜在实现多尺度成像所存在的焦距短的问题，现有技术中的一种方案是将共心球透镜用类双高斯结构来代替，从而实现了更长的焦距。请参见图2，图2是现有技术提供的一种基于类双高斯结构的多尺度成像系统结构示意图。

然而，由于类双高斯结构不具有共心球透镜所独有的旋转对称性，因此在各个成像视场其像差特性不同，故在相同小相机的情况下，类双高斯物镜的设计难度大大提升，同时增加了整个光学设计的难度以及系统的加工制造难度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法及其光学系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，包括：

选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；

将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；

当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。

在本发明的一个实施例中，所述选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机，包括：

选取结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜，并对其进行优化设计，得到优化后的主物镜；

选取合适的小相机初始结构并对其进行优化得到优化后的小相机。

在本发明的一个实施例中，将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统，包括：

调整所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机之间的距离以确定最优的光阑位置；

保持所述优化后的主物镜结构参数不变，对所述优化后的小相机结构进行优化设计直至所述中心视场的mtf像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的中心视场子系统。

在本发明的一个实施例中，当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正，包括：

在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统；

保持所述优化后的主物镜结构参数不变，通过对所述小相机阵列中的每一个小相机进行进一步的优化设计直至所述非中心视场子系统的mtf像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的非中心视场子系统，以完成分孔径像差校正。

在本发明的一个实施例中，在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统包括：

在所述中心视场子系统的基础上，以所述优化后的小相机为参考，将所述优化后的主物镜以物镜第一面的面顶点为轴旋转不同的角度；

将旋转后的所述优化后的主物镜在y方向进行偏移，得到所述小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统。

在本发明的一个实施例中，所述小相机阵列为圆环式排布的相机阵列，其中相邻两个小相机之间的距离为h＝2lsin(θ/2)，其中，l表示小相机第一个面距球心的距离，θ表示相邻两个小相机之间的夹角。

在本发明的一个实施例中，所述优化的主物镜在y方向的偏移量为：

y＝msinθ；

其中，m为主物镜第一面到小相机包络面球心的距离。

本发明的另一个实施例还提供了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统，包括：主物镜和小相机阵列，其中，所述小相机阵列中所有小相机的轴线相交于一点，且使相邻两个小相机封装之后不发生碰撞。

在本发明的一个实施例中，所述小相机阵列中的所有小相机的轴线相交于所述主物镜的中心位置。

在本发明的一个实施例中，所述主物镜为结构完全对称的双高斯物镜。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，采用多个不同的小相机校正主物镜不同视场的残余像差，从而减轻主物镜设计的压力，使多尺度结构中的主物镜多样化，同时，降低了整个光学设计的难度和系统的加工装调难度；

2、本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法采用相对坐标转换的方式来设计优化与主物镜非共轴的小相机结构，相比现有设计中以主物镜为参考旋转偏移小相机导致的旋转偏移量计算过于复杂，本发明的计算方法简单，可行性高；

3、本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统其小相机阵列采用圆环方式排布，可以简化系统设计的复杂度；

4、本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统可适用于不同结构的主物镜，突破了胶合结构的主物镜对其在红外成像领域应用的限制；

5、本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法可突破共心球透镜结构的可选材料尺寸对系统焦距的限制，使物镜结构多样化，从而实现更长焦距。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术提供的一种基于共心球透镜结构的多尺度成像系统结构示意图；

图2是现有技术提供的一种基于类双高斯结构的多尺度成像系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的小相机阵列圆环排布方式示意图；

图5是本发明实施例提供的小相机拼接方案示意图；

图6是本发明实施例提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统结构框图；

图7是本发明实施例提供的基于双高斯物镜的多尺度成像系统的整体结构示意图；

图8a是本发明实施例提供的双高斯物镜结构示意图；

图8b是本发明实施例提供的优化后的双高斯物镜结构的mtf像质评价曲线；

图9是本发明实施例提供的优化后的小相机结构示意图；

图10a是本发明实施例提供的优化后的中心视场子系统结构示意图；

图10b是本发明实施例提供的优化后的中心视场子系统结构的像质mtf曲线图；

图10c是本发明实施例提供的优化后中心视场子系统的场曲畸变曲线图；

图11是本发明实施例提供的非轴上视场的小相机与主物镜相对位置示意图；

图12a是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统结构示意图；

图12b是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统结构的像质mtf曲线图；

图12c是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统的场曲畸变曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法流程示意图，包括：

步骤一：选取一定结构的主物镜和小相机进行优化，得到优化后的主物镜和优化后的小相机；

在本实施例中，主物镜可以是共心球透镜结构，也可以是类双高斯结构或者双高斯结构。通常为了减轻小相机阵列设计时在校正主物镜残余像差上的压力，同时考虑到完全对称结构可以自动校正彗差、畸变与垂轴色差，优选结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜。

具体的，选取结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜，并对其进行优化，然后对优化后的主物镜进行mtf像质评价，若mtf像质评价结果不满足成像要求时，继续通过改变主物镜的镜片结构和镜片数量进行优化，直至mtf像质评价结果满足成像要求，至此完成对所述主物镜的优化，得到优化后的主物镜。

一般而言，在进行mtf像质评价时，若满足在系统在奈奎斯特采样频率处，全视场的mtf值大于0.2，即可认为系统满足成像要求。

本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统可适用于不同结构的主物镜，突破了胶合结构的主物镜对其在红外成像领域应用的限制；同时，能够使突破共心球透镜玻璃材料尺寸对焦距的限制，使物镜结构多样化，从而实现更长焦距。

其次，选取合适的小相机初始结构并对其进行优化得到优化后的小相机。

步骤二：将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合以对中心视场进行优化设计，得到像质满足要求的中心视场子系统；

具体的，先将所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机结合，并调整所述优化后的主物镜与所述优化后的小相机之间的距离以确定最优的光阑位置。

然后保持主物镜结构参数不变，对所述优化后的小相机结构进行优化设计直至所述中心视场的mtf像质5评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的中心视场子系统。

在本实施例中，中心视场子系统在奈奎斯特采样频率处满足全视场的mtf值大于0.2，场曲值在±0.2的范围内，畸变保持在4％，则表示系统满足成像要求。在实际应用当中，用户可根据需求，合理选择各项参数的参考值。

步骤三：当得到像质满足要求的中心视场子系统时，根据小相机阵列对不同角度的非中心视场子系统进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。

进一步的，在所述中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式将所述优化后的主物镜进行旋转偏移处理，得到小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统；

具体的，首先在所述中心视场子系统的基础上，以所述优化后的小相机为参考，将所述优化后的主物镜以物镜第一面的面顶点为轴旋转不同的角度；

然后将旋转后的所述优化后的主物镜在y方向进行偏移，得到所述小相机阵列与所述优化后的主物镜之间多个不同角度的非中心视场子系统；

最后，保持所述优化后的主物镜结构参数不变，通过对所述小相机阵列中的每一个小相机进行进一步的优化设计直至所述非中心视场子系统的mtf像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的非中心视场子系统。对多个不同角度的非中心视场子系统分别进行优化，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。

本实施例在实现小相机阵列与主物镜多个不同角度非中心视场子系统时，并非以主物镜为参考将后组相机阵列进行一定的旋转偏移调整，而是采用相对坐标转换的方式，旋转偏移主物镜，来实现非中心视场，即边缘视场；此外，由于在zemax中进行旋转时是以物镜第一面的面顶点为轴进行旋转，故在旋转之后，需要将物镜在y方向进行偏移。

本实施例提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法采用相对坐标转换的方式来设计优化与主物镜非共轴的小相机结构，相比现有设计中以主物镜为参考旋转偏移小相机导致的旋转偏移量计算过于复杂，本发明的计算方法简单，可行性高。

优选的，为了简化设计，本实施例将小相机阵列设计成圆环排布方式，请参见图4～5，图4是本发明实施例提供的小相机阵列圆环排布方式示意图，图5是本发明实施例提供的相机拼接方案示意图；小相机阵列可以分布在半径为l的球面上，l为小相机第一个面距球心的距离。在本实施例中，球心可以为主物镜的虚拟光阑位置，也可以选择其他合适的球心位置。相应的，相机视场拼接方案可以采用图5所示的方案，相邻两个小相机之间的距离为h＝2lsin(θ/2)，其中，l表示小相机第一个面距球心的距离，θ表示相邻两个小相机之间的夹角。

相应的，旋转后的主物镜在y方向的偏移量为y＝msinθ，其中，m为主物镜第一面到小相机包络面球心的距离。

进一步的，小相机阵列的每一环可以为六个相机，若要实现更大视场，可在外围增加小相机个数。

本发明通过采用圆环方式排布的小相机阵列，外围的小相机均采用相同的结构，因此设计中只需考虑中心视场的设计和任意一个非中心视场相机的设计，便可实现分孔径像差校正，简化了系统设计的复杂度。

本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正方法，采用不同的小相机校正主物镜不同视场的残余像差，从而减轻主物镜设计的压力，使多尺度结构中的主物镜多样化，同时，降低了整个光学设计的难度和系统的加工装调难度。

本发明的另一个实施例还提供了一种基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统，包括：主物镜1和小相机阵列2，其中，所述小相机阵列中所有小相机的轴线相交于一点，且使相邻两个小相机封装之后不发生碰撞。请参见图6，图6是本发明实施例提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统结构框图。

进一步的，所述小相机阵列2中的所有小相机的轴线相交于所述主物镜1的中心位置。在本实施例中，小相机包络面的球心并不限于主物镜的中心位置，可任意选取适当的位置作为球心。

优选的，所述主物镜1为结构完全对称的双高斯物镜。所述小相机阵列2为圆环式排布的相机阵列。请参见图7，图7是本发明实施例提供的基于双高斯物镜的多尺度成像系统的整体结构示意图。

本发明提供的基于多尺度成像系统的分孔径像差校正光学系统突破了胶合结构的主物镜对其在红外成像领域应用的限制；同时使共心球透镜能够实现更长的焦距，而不再受材料尺寸等因素的限制。

实施例二

下面以基于双高斯物镜的多尺度成像系统的设计与优化为例，来详细说明本发明的分孔径像差校正方法。本实施例中，光学系统以zemax软件为平台进行设计。

首先，选取合适的探测器，其中，探测器的靶面大小为3356(h)×3008(v)，像元尺寸3.45um，光学系统f数为4，系统焦距40mm，成像波段可见光波段，要求全视场≥40°。

根据探测器靶面大小以及系统焦距可得单个子系统视场为16.47°(h)×14.78°(h)，对角线视场为22°。在本实施例中，采用图5所示外环小相机为6个的圆环相机阵列。其中，相机阵列分布在半径为l的球面上，l为小相机第一个面距球心的距离，本实施例中球心为主物镜的虚拟光阑位置，相邻两个小相机之间的距离h＝2lsin(θ/2)。在本实施例中，θ取13°。

进一步的，选取结构完全对称的双高斯物镜作为主物镜并进行结构优化，其中，物镜的焦距为150mm。请参见图8a～8b，图8a是本发明实施例提供的双高斯物镜结构示意图，图8b是本发明实施例提供的优化后的双高斯物镜结构的mtf像质评价曲线。

从图8b中可以看出，0.7视场的mtf值在特征频率145lp/mm处大于0.3，1.0视场大于0.1，成像质量良好。

进一步的，寻找合适的结构作为小相机的初始结构，并对其进行适当的复杂化，通过改变小相机的结构参数，对其进行优化，其中，优化后的小相机的焦距为33mm，视场为22°。请参见图9，图9是本发明实施例提供的优化后的小相机结构示意图。

进一步的，将双高斯主物镜与小相机进行组合以对中心视场进行优化。调整小相机与主物镜之间的距离，从而确定最优的光阑位置。保持主物镜的结构参数不变，继续优化小相机的结构以得到满足成像要求的中心视场子系统。请参见图10a～10c，图10a是本发明实施例提供的优化后的中心视场子系统结构示意图，图10b是本发明实施例提供的优化后的中心视场子系统结构的像质mtf曲线图，图10c是本发明实施例提供的优化后中心视场子系统的场曲畸变曲线图。

从图10b中可以看出，系统在奈奎斯特采样频率145lp/mm处全视场的mtf值基本大于0.3，且各成像视场mtf曲线变化趋势一致，均接近衍射极限。从图10c中可以看出，场曲值在±0.1范围内，畸变保持在2％以内，满足成像要求。

分析结果表明，所设计的中心视场成像子系统各参数均满足设计要求，成像效果良好。

在所述中心视场子系统的基础上，根据小相机阵列对非中心视场子系统的不同角度进行优化设计，得到像质满足要求的非中心视场子系统以完成分孔径像差校正。

进一步的，在中心视场子系统的基础上，采用相对坐标转换的方式，将主物镜进行旋转偏移处理；首先以物镜第一面的面顶点为轴进行旋转，在旋转之后，将物镜在y方向进行偏移，偏移量y＝msinθ。

由于本实施例采用的是圆形排布方式的小相机阵列，其非中心视场的角度相同，因此，在实现非中心视场子系统时，只需要进行一次旋转偏移即可实现多个相同角度的非中心视场子系统。

保持主物镜结构参数不变，对小相机进行进一步的优化直至所述非中心视场子系统的mtf像质评价结果、场曲值以及畸变满足成像要求，得到像质满足要求的非中心视场子系统。

请参见图11，图11是本发明实施例提供的非中心视场的小相机与主物镜相对位置示意图。优选的，采用相对坐标转换的方式来设计优化与主物镜非共轴的小相机结构。

请参见图12a～12c，图12a是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统结构示意图，图12b是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统结构的像质mtf曲线图，图12c是本发明实施例提供的优化后非中心视场子系统的场曲畸变曲线图。

从图12b中可以看出，系统在奈奎斯特采样频率145lp/mm处全视场的mtf值基本大于0.3，且各成像视场mtf曲线变化趋势一致，均接近衍射极限，采用该优化设计方式，能够取得良好的设计效果，充分证明了该设计方法的可行性以及可靠性。从图12c中可以看出，场曲值在±0.1范围内，畸变保持在2％以内。分析结果表明，所设计的边缘视场成像子系统各参数均满足设计要求，成像效果良好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。