[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?zhí)枺?/td>: 202110696352.5
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號(hào): CN113504643B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜洋;邢妍;李大勇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(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

本發(fā)明涉及一種基于棱鏡分光的全海深微光彩色成像設(shè)計(jì)方法，該方法如下：首先分析水下像差的產(chǎn)生原因，確定光學(xué)窗口的形狀及材料，采用光學(xué)性能和抗壓性能優(yōu)異的鋼化高硼硅玻璃同心等厚球罩制作光學(xué)窗口以保證能量利用效率；根據(jù)光學(xué)窗口的參數(shù)設(shè)計(jì)校正鏡組和成像鏡組完成長后工作距的水下專用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；計(jì)算并控制光線在棱鏡界面的入射角度，保證其在指定界面的全反射條件，采用精巧的棱鏡分光結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三譜段分探測器實(shí)時(shí)成像；再結(jié)合水體及窗口材料介質(zhì)的像差特性進(jìn)行光學(xué)像差校正,完成水下微光彩色成像設(shè)計(jì)；該方法能夠還原水下微光環(huán)境的彩色真實(shí)景象，實(shí)現(xiàn)水下成像系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及光電成像系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】

海洋覆蓋了地球表面的71％，礦產(chǎn)資源富饒、生物物種豐富、能源儲(chǔ)量極為巨大，光學(xué)成像設(shè)備具有分辨率高以及原位記錄的特點(diǎn)，能夠?yàn)樗律鷳B(tài)環(huán)境、底棲生物活動(dòng)習(xí)性等研究提供全面詳實(shí)的影像資料。

海水對(duì)可見光波段衰減嚴(yán)重，深海無自然光線到達(dá)，只能采取主動(dòng)照明。光學(xué)系統(tǒng)必須充分利用有限的平臺(tái)光照能量，水下光學(xué)成像的色彩還原與微光性能是需要解決的首要問題。

現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)彩色探測器利用Bayer模式過濾顏色，限制了光譜能量的利用效率；并且各像素點(diǎn)通過插值獲得的色彩也存在偏差，單探測器的方案無法同時(shí)兼顧微光與彩色性能。

傳統(tǒng)成像設(shè)備的微光性能是以犧牲景深的前提下達(dá)到的，雖然在廣播電視與工業(yè)應(yīng)用場景中，出現(xiàn)過棱鏡分光分譜段采集的解決方案，但缺乏針對(duì)水體介質(zhì)的專用光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)，現(xiàn)有水下成像設(shè)備無法滿足高品質(zhì)微光彩色應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是提供一種基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法，該方法充分考慮了微光環(huán)境高動(dòng)態(tài)成像與色彩還原的矛盾，同時(shí)分析了分光結(jié)構(gòu)參數(shù)并配合水體及光學(xué)窗口的像差特性實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠精準(zhǔn)還原水下微光環(huán)境的真實(shí)景象。

為了達(dá)到上述目的，一種基于棱鏡分光的水下微光彩色成像設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟S1：分析水下像差的產(chǎn)生原因，光通過海水-玻璃-空氣界面時(shí)的折射定律n_wsin θ_w＝n_gsin θ_g＝n_asin θ_a，產(chǎn)生畸變、色差和像差以及聚焦誤差、視場誤差；

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)合水下大視場成像的具體應(yīng)用場景，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′，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)，并且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；