[發(fā)明專利]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)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410416100.2
• 申請日: 2014-08-21
• 公開（公告）號: CN104155758B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 相里斌;袁艷;柳青;周錦松;方煜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電研究院
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B6/06
• 代理公司: 北京凱特來知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術(shù)領(lǐng)域

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)

曲面焦平面成像技術(shù)仿照視網(wǎng)膜成像機(jī)理(如圖1a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1b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。

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(dú)立相機(jī)進(jìn)行視場拼接。若要通過單個成像系統(tǒng)擴(kuò)大視場，設(shè)計(jì)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。

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。

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。

第二種方案是“單心多級”式設(shè)計(jì)。“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(jī)，微相機(jī)的光軸與主鏡匹茲萬面垂直。但是，該結(jié)構(gòu)中各個微相機(jī)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。

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

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(shí)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。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

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：

入射光線經(jīng)由一由兩組對稱的透鏡進(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。

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：

球形透鏡，由兩組對稱的透鏡進(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，耦合在平面電荷耦合元件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CCD陣列，實(shí)現(xiàn)曲面焦平面成像。

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(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，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。

附圖說明