基于同心球二次成像的光学成像系统技术方案

本实用新型专利技术涉及成像光学系统设计领域，特别是基于同心球二次成像的光学成像系统。该系统包括同心球物镜和子孔径相机阵列，子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm，实现了同时满足宽视场和高分辨的要求，而且与机械扫描不同，采用直接获取整个视场角内的图像，能够用于动态场景。

Optical imaging system based on concentric sphere secondary imaging

【技术实现步骤摘要】
基于同心球二次成像的光学成像系统
本技术涉及成像光学系统设计领域，特别是基于同心球二次成像的光学成像系统。
技术介绍
宽视场高分辨率成像一直是现代光电(EO)和红外(IR)成像系统追求的目标。成像系统分辨率需求按照正常人眼视觉分辨率估算，每像素对应的瞬时视场约0.016°(1角分)，以这样的分辨率在水平和竖直两个维度对O(102°)量级视场的场景进行成像，就需要O(108)即上亿量级的成像像素。1亿像素量级的图像传感器虽然已经能够设计并制造，但是其成本较高，技术成熟度还很低。利用成熟的小像素数传感器进行直接拼接也可以获得大规模像素传感器，但拼接实施的技术难度较大，目前只在天文、航天等领域使用。即使大规模像素的图像传感器技术(单块或直接拼接)完全成熟，利用单块或拼接的大规模像素图像传感器配合单个光学系统在大视场下实现像差校正和高质量高分辨率成像，所需要的光学系统在现有技术条件下设计和加工装调也都具有相当的难度。另一方面，如果采用机械扫描的方法进行宽视场高分辨率成像，则完整成像需要的时间长，且帧与帧之间存在时间间隔，因此仅对静态场景有效。对于大范围持续监视等相关应用，要在单次曝光的时间范围内进行大视场成像，且不丢失目标的细节信息，只能采用凝视成像的方法，机械扫描的方法获取高分辨率大视场的方法适用范围受限。视场大小和分辨率之间存在着相互制约的关系，往往需要牺牲一项指标来使另一项达到使用要求，比如鱼眼镜头，虽然可实现超过180°的大视场凝视成像，但是其空间分辨率被相应降低，同时还存在严重的畸变。而通过机械扫描的方法，可将小视场高分辨成像系统的视场扩大，但是这种以扫描方式所获得的图像在帧与帧之间存在着时间间隔，只能应用于静态场景，无法满足有实时性要求的应用场合，因此，现有的动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨的要求。
技术实现思路
本技术的目的是提供基于同心球二次成像的光学成像系统，用以解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。为了实现光学成像，解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。本技术提供一种基于同心球二次成像的光学成像系统，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。有益效果是，通过设置上述的结构，将图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，实现了同时满足宽视场和高分辨的要求，而且与机械扫描不同，采用直接获取整个视场角内的图像，能够用于动态场景。进一步地，为了提高分辨率要求，所述光学成像系统的总像素数为43200×25200，F#为3，工作波段为480nm～650nm。进一步地，为了精准实现上述光学成像系统，所述子孔径相机包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，每一个透镜中以靠近同心球物镜的面作为该透镜的前面，第一透镜的前面和后面曲率半径分别为41.137mm和283.812mm，厚度为4mm，口径为14.4mm；第二透镜为双胶合透镜，第二透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为27.41mm、-28.97mm和66.02mm，厚度为4.5mm，口径为15mm；第三透镜为双胶合透镜，第三透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为161.316mm、8.94mm和-18.07mm，厚度为2.5mm，口径为14mm；第四透镜的前面和后面曲率半径分别为-15.887mm和-87.523mm，厚度为4mm，口径为14mm；第五透镜的前面和后面曲率半径分别为-490.073mm和-19.53mm，厚度为5mm，口径为15mm；第六透镜的前面和后面曲率半径分别为-13.32mm和-39.915mm，厚度为3mm，口径为14mm；第七透镜的前面和后面曲率半径分别为11.072mm和7.15mm，厚度为7.5mm，口径为14mm。进一步地，为了对子孔径相机在球面上的排布进行优化，而且有规律可循，简单方便，易于排布，且弦长率和填充率指标也能满足要求，所述同心球物镜包括五个图像接收面，子孔径相机阵列中的子孔径相机均分为五个部分，每一个部分的子孔径相机分别对应一个图像接收面。进一步地，为了精准实现上述光学成像系统，所述同心球物镜由内外两层球面光学玻璃组成，内层和外层形成五个具有相同的曲率中心的面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面和第五面；第一面的曲率半径为50mm，厚度为22.49mm，口径为96mm；第二面的曲率半径为27.51mm，厚度为27.51mm，口径为54.2mm；第三面的曲率半径为无穷大，厚度为27.51mm，口径为54.2mm；第四面的曲率半径为-27.51mm，厚度为22.49mm，口径为54.2mm；第五面的曲率半径为-50mm，厚度为31.6mm，口径为96mm。进一步地，为了保证子孔径相机处于最优的横向放大倍数区间内，所述同心球物镜的焦距在74mm至92.5mm之间。进一步地，为了使子孔径相机的视场与上述图像接收面匹配，以达到较好的填充率，各子孔径相机中的第一透镜的口径对同心球物镜的球心张角小于或者等于5.71°。进一步地，为了保证视场存在一定重叠的同时减少子孔径相机的个数，各子孔径相机的视场在所述同心球物镜的一次像面上等角度均匀布置。进一步地，为了保证子孔径相机的精准，单个子孔径相机的全视场为9.12°，子孔径相机中的第一透镜在视场中的物理锥角边界为5.71°，图像传感器的短边覆盖的视场角为8.726°。进一步地，为了保证满足填充率的要求，相邻子孔径相机之间的最大夹角为7.71°，最小夹角为6.34°，光学成像系统的弦长率为0.216，填充率值为76.61％。附图说明图1是本技术的基于同心球二次成像的光学成像系统的示意图；图2是本技术的正二十面体示意图；图3是本技术的正二十面体的一个正三角形ABC与正二十面体的外接球O的关系图；图4是本技术的同心球物镜的一次像面上的视场示意图；图5是本技术的子孔径相机视场在球面上等角排布示意图；图6是本技术的子孔径相机视场在整个三角形ABC内的等角均分总视场示意图；图7是本技术的子孔径相机视场在整体视场上等角排布示意图；图8是本技术的同心球物镜二次成像一阶布局示意图；图9是本技术的同心球物镜二次成像光学系统最大尺寸示意图；图10是本技术的基于同心球二次成像的光学系统单路设计光路图；图11是本技术的基于同心球二次成像的光学系统单路设计第一透镜口径减小的光路图；图12是本技术的第一透镜口径减小的子孔径相机场曲和相对畸变曲线图；图13是本技术的基于同心球二次成像的光学成像系统的第一种视角的三维模型示意图；图14是本技术的基于同心球二次成像的光学成像系统的第二种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同心球二次成像的光学成像系统，其特征在于，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。

【技术特征摘要】
1.一种基于同心球二次成像的光学成像系统，其特征在于，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。2.根据权利要求1所述的基于同心球二次成像的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统的总像素数为43200×25200，F#为3，工作波段为480nm～650nm。3.根据权利要求1所述的基于同心球二次成像的光学成像系统，其特征在于，所述子孔径相机包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，每一个透镜中以靠近同心球物镜的面作为该透镜的前面，第一透镜的前面和后面曲率半径分别为41.137mm和283.812mm，厚度为4mm，口径为14.4mm；第二透镜为双胶合透镜，第二透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为27.41mm、-28.97mm和66.02mm，厚度为4.5mm，口径为15mm；第三透镜为双胶合透镜，第三透镜的前面、中面和后面的曲率半径分别为161.316mm、8.94mm和-18.07mm，厚度为2.5mm，口径为14mm；第四透镜的前面和后面曲率半径分别为-15.887mm和-87.523mm，厚度为4mm，口径为14mm；第五透镜的前面和后面曲率半径分别为-490.073mm和-19.53mm，厚度为5mm，口径为15mm；第六透镜的前面和后面曲率半径分别为-13.32mm和-39.915mm，厚度为3mm，口径为14mm；第七透镜的前面和后面曲率半径分别为11.072mm和7.15mm，厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈水忠，刘峰，陈腾，黄涛，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：新型
国别省市：河南,41