一种宽视场高分辨率光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种宽视场高分辨率光学系统。
【背景技术】
[0002] 宽视场高分辨率光学系统广泛应用于生物医药、航空侦察和地形测绘等领域。但 由于视场与分辨率之间存在相互制约的关系，一般不能仅通过一次曝光获得宽幅高分辨图 像。高分辨成像时如果要增大幅宽，一般采用机械扫描的方法。然而，扫描获取宽幅图像需 要的时间长，而且帧与帧之间存在时间间隔，因此这种方法仅对静态场景有效。对于一些应 用，比如大范围持续监视，在获得大视场的同时还要保证不能丢失目标的细节信息，且必须 在单次曝光的时间范围内完成，只能采用面阵凝视成像。面阵凝视成像时若要同时获得大 视场和高分辨率，像面上的像元数目必须达到10亿级别。而当前在单片像感器上像元数目 远远不能达到这个水平，必须进行拼接。像感器拼接技术难度大，并直接增大了温控难度和 相机研制难度。此外，从光学设计角度考虑，透镜的分辨力要与10亿像元像感器的分辨率 相匹配，在现有的技术水平条件下，设计和加工这种透镜仍然是巨大的技术挑战。如果不同 视场位置的像差不同，组成多孔径阵列的光学元件就会各不相同，且数目较多，加工和设计 的难度仍然很大。
[0003] 总体来说，在当前的技术条件下，宽视场高分辨率成像主要有三大技术难点：1) 当前单片像感器上的像元数目远远不能达到宽视场高分辨率成像要求的10亿数量级；2) 从光学设计角度，由于像差的存在，设计和加工与10亿像元像感器的分辨力相匹配的透镜 系统是非常困难的；3)由于宽视场高分辨率成像获得的照片的信息量巨大，对图像传输和 图像处理都提出了非常高的实时性要求，对当前的技术水平来说，仍然是一大技术难题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽视场高分辨率光学系统，提 供了能与10亿像元像感器相匹配的大视场分辨率的投影镜头，并在当前的单片像感器上 像元数目远远不能达到这个水平的条件下，通过分割拼接重构等手段，实现了具有10亿像 元的大视场分辨率的完整图像的整套解决方案。本发明的投影镜头实现了光学系统的球面 像差、彗差、像散，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，尤其对轴向色差 的二级光谱校正良好，又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。本发明应用于生 物、遗传、医疗和药物等研宄与检测技术的发展，高精度大视场光学检测要求的投影物镜需 求日益增强，目前同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种性能的投影物镜的设计和制造十分 困难，还少有先例。
[0005] 本发明采用以下技术方案实现：一种宽视场高分辨率光学系统，其包括位于物面 (Pl)与像面一（P2)之间的投影物镜一（PRJl)，其中，所述大视场高分辨光学系统还包括分 割透镜阵列（LA)、成像透镜阵列（PLA)、像感器阵列（P3A)、信号处理单元，所述信号处理单 元电性连接于像感器阵列（P3A);
[0006] 分割透镜阵列（LA)米用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列（PLA)米用若干 成像透镜阵列式布局，像感器阵列（P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每 个单元为相互对应的一对一的映射关系；
[0007] 分割透镜阵列（LA)位于像面一（P2)的附近，而成像透镜阵列（PLA)、像感器阵列 (P3A)均位于像面一（P2)远离物面（Pl)的一侧；成像透镜阵列（PLA)还位于像面一（P2) 与像感器阵列（P3A)之间；
[0008] 物面（Pl)通过投影物镜一（PRJl)成像到像面一（P2)，像面一（P2)为中间像面， 像面一（P2)被分割透镜阵列（LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列（PLA)成像到 像感器阵列（P3A)的感光面，而使像感器阵列（P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单 元将所述图像信息阵列通过图像处理方式获得物面（Pl)的宽视场高分辨率计算摄像；
[0009] 其中，像面一（P2)为面向物面（Pl)的凹球面；分割透镜阵列（LA)，成像透镜阵 列（PLA)和像感器阵列（P3A)组成等分视场成像阵列各单元，以像面一（P2)的凹球面的 球心或相近的投影物镜一（PRJl)中心线上的一点为中心，呈放射状规则性排列；且满足： Sin ( a y - a array)〈0· 5NA/ β，a in〈NA/ β，0· 8〈Lpout/Rim〈l. 2,其中，ay 为在像面一 (P2)处像高为y的主光线与投影物镜一（PRJl)中心线的夹角，a array为分视场成像阵列 各单元中心线与投影物镜一（PRJl)中心线的夹角，a in为像面一（P2)的主光线入射角，NA 为物面（Pl)数值孔径，β为投影物镜一（PRJl)的放大倍率，取正值，Lpout为像面一（P2) 出瞳距离，Rim像面一（Ρ2)的凹球面的曲率半径。
[0010] 作为上述方案的进一步改进，从物面（PD到像面一（Ρ2)，投影物镜一（PRJl)依次 包括前透镜群组、分光器件一（BSl)、后透镜群组；所述宽视场高分辨率光学系统还包括分 光器件二（BS2)、投影物镜二（PRJ2)，从物面（Pl)到一个像面二（Ρ4)，所述前透镜群组、分 光器件一（BSl)、分光器件二（BS2)、投影物镜二（PRJ2)依次构成成像系统。
[0011] 进一步地，所述宽视场高分辨率光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至 少一者，以对物面（Pl)提供照明；
[0012] 所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述 至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚 光透镜相对应的且还与LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将 多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向 分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二（BS2)、分光器件一（BSl)、 所述前透镜群组最终投射到物面（Pl);
[0013] 所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二（P4)处与 像面二（P4)平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二（PRJ2)、分光器件二（BS2)、分光 器件一（BSl)、所述前透镜群组最终投射到物面（Pl)。
[0014] 进一步地，从物面（Pl)与像面二（P4)的成像系统的放大倍率小于从物面（Pl)与 像面一（P2)的投影物镜一（PRJl)的放大倍率，所述像面二（P4)处设置像感器和信号处理 单元构成物面（Pl)的摄像系统，所述像面二（P4)处像感器像元数目总和少于像感器阵列 (P3A)的像元数目总和。
[0015] 作为上述方案的进一步改进，所述宽视场高分辨率光学系统还包括照明系统一、 照明系统二中的至少一者，以对物面（Pl)提供照明；
[0016] 所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述 至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚 光透镜相对应的且还LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多 个LED光源的不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与2向分色器件汇集到相近位置 和相近方向，并依次通过分光器件一（BSl)、所述前透镜群组最终投射到物面（Pl);
[0017] 所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二依次通过分光器件一（BSl)、所述 前透镜群组最终投射到物面（Pl)。
[0018] 进一步地，所述宽视场高分辨率光学系统包括所述照明系统一时，所述照明系统 一通过分时选择和切换不同的LED光源的开关与强弱的方式，来改变照明光的光谱；所述 信号处理单元分别采集不同光谱的照明光时的像感器阵列（P3A)的图像信息阵列，再通过 图像处理方式获得物面（Pl)的宽视场高分辨率计算摄像。
[0019] 作为上述方案的进一步改进，从物面（Pl)到像面一（P2)，投影物镜一（PRJl)依次 包括第一镜组（Gl)、分光器件一（BSl)、第二镜组（G2)、第三镜组（G3);
[0020] 在第二镜组（G2)中，满足关