[發(fā)明專利]一種基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110696352.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113504643B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜洋;邢妍;李大勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 魏毅宏

1.一種基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：分析水下像差的產(chǎn)生原因，光通過(guò)海水—玻璃—空氣界面時(shí)的折射定律n_wsinθ_w＝n_gsinθ_g＝n_asinθ_a，產(chǎn)生畸變、色差和像差以及聚焦誤差、視場(chǎng)誤差；

所述聚焦誤差指平面窗口水下物距L變?yōu)長(zhǎng)₁,由L₁＝L/n_W+d知，物距縮短25％，使鏡頭的前焦距增加約4/3倍，平面窗口水下使鏡頭的前焦距增加約4/3倍；

所述視場(chǎng)誤差指水-玻璃殼窗-空氣界面的折射定律

n_wsinH_w＝n_gsinH_g＝n_asinH_a，使水下成像的視場(chǎng)約減小到原來(lái)的1/3，

其中，H_w、H_g、H_a分別為海水、玻璃、空氣中的視場(chǎng)角；

所述n_w、n_g、n_a分別為海水、玻璃、空氣的折射率，θ_w、θ_g、θ_a分別為海水、玻璃、空氣中的折射角；

步驟S2：根據(jù)水下像差特性，結(jié)合水下大視場(chǎng)成像的具體應(yīng)用場(chǎng)景，光學(xué)窗口采用光學(xué)性能和抗壓性能優(yōu)異的鋼化高硼硅玻璃材料，形狀采用同心等厚球罩；

步驟S3：計(jì)算同心等厚球罩的焦距f^r，采用短焦距物鏡作為校正鏡組補(bǔ)償球罩的屈光效應(yīng)和像面彎曲，配合長(zhǎng)后工作距的成像鏡組完成基本的水下成像設(shè)計(jì)，根據(jù)如下公式計(jì)算球罩的焦距

其中，n_w、n_g、n_a分別為海水、玻璃、空氣的折射率，r₁、r₂為球罩第一個(gè)面和第二個(gè)面的曲率半徑；

步驟S4：為兼顧微光性能與色彩還原，將三塊光楔組成的分光棱鏡放置在成像鏡組的長(zhǎng)后工作距位置，相應(yīng)波段的光線必須滿足由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)，光線入射角都將大于全反射角θ，在空氣介質(zhì)中滿足式以滿足三基色的分離，根據(jù)如下公式計(jì)算全反射的臨界角：

θ＝arcsin(1/n)

其中n為棱鏡介質(zhì)折射率；

步驟S5：棱鏡設(shè)計(jì)過(guò)程，采用準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，以提高像面照度均勻性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)控制入射光線束中的最大偏折角δ，

最大偏折角與邊緣光線的入射角度相關(guān)，式中θ為光線全反射角，實(shí)現(xiàn)棱鏡RGB三波段分光，必須滿足以下條件：

β-δ＞θ_B；α+δ＜θ_R；

其中，β、α為第一個(gè)光楔的兩個(gè)楔角，θ_B、θ_R為紅光，藍(lán)光的全反射臨界角，δ為入射光線束中的最大偏折角；

步驟S6：在上述步驟S5基礎(chǔ)上，采用合理的光學(xué)材料，在適當(dāng)?shù)募s束條件下優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，可以使像差均衡校正，得到水下微光彩色成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果；

步驟S7:與棱鏡配合使用的三個(gè)微光探測(cè)器對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)位置均參與成像，局部色彩非插值獲得，圖像更接近真實(shí)色彩，

所述三個(gè)微光探測(cè)器像元尺寸6.5μm，若步驟6得到的RMS和MTF不滿足指標(biāo)要求，則重復(fù)步驟S3、S4和S5，直到參數(shù)滿足指標(biāo)要求。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法，其特征在于：

在所述步驟S1中，聚焦誤差指平面窗口水下物距L變?yōu)長(zhǎng)₁,由L₁＝L/n_W+d知，物距縮短25％，使鏡頭的前焦距增加約4/3倍；視場(chǎng)誤差指水-玻璃殼窗-空氣界面的折射定律n_wsinH_w＝n_gsinH_g＝n_asinH_a，使水下成像的視場(chǎng)約減小到原來(lái)的1/3；

其中，H_w、H_g、H_a分別為海水、玻璃、空氣中的折射角。