[发明专利]一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及曲面焦平面成像技术领域，尤其涉及一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统。

背景技术

曲面焦平面成像技术仿照视网膜成像机理(如图1a所示)，入瞳光线经过球形透镜后汇聚于一个弯曲的焦平面阵列上。如图1b所示，在曲面焦平面成像系统中，球形透镜1相当于晶状体，光阑2相当于瞳孔，而曲面焦平面阵列相当于视网膜。该曲面阵列的形状与光学系统的匹兹万面3匹配，并和理想成像的高斯像面相切。采用曲面焦平面阵列的成像系统可利用球形透镜中心处的光阑，将各个方向的入射光线等效为近轴光，消除了除场曲之外几乎所有其他类型的离轴像差(慧差、像散、畸变等)，通过简单的透镜系统便可获得大视场、高通量和高分辨率的成像能力。

而传统的成像系统(如图2所示)采用的焦平面阵列多为平面形状，受到与视场相关的像差制约，此类成像系统的视场角通常不会很大，为了获得大的刈幅宽度普遍采用多台独立相机进行视场拼接。若要通过单个成像系统扩大视场，设计者必须引入额外的透镜。该过程不但复杂，对视场的提升空间也较为有限，而且整个成像系统的体积、质量和成本也随之增加。过多的透镜组还会衰减入射光通量，影响成像效果。此外，受透镜边缘的影响，入射角度越大的光线在焦平面上汇聚的能量也越小，导致成像系统所得图像边缘处的亮度随视场增大逐渐减小，即“渐晕”现象。

曲面焦平面阵列的组成形式是曲面焦平面成像系统的核心组成，也是限制该成像技术应用和发展的最大瓶颈。目前主要有如下三种实现曲面焦平面阵列的实现方案。

第一种实现曲面焦平面阵列的方法是将多块平面CCD(电荷耦合元件)拼接在曲面衬底上，将其拟合成一个曲面阵列。该方案对各个平面CCD的位置和姿态校正与检测精度要求较高，并且可获得的焦平面阵列曲率半径通常比较大，提升视场的空间有限。

第二种方案是“单心多级”式设计。“单心”指球形主镜，“多级”指数个相同的围绕主镜呈辐射状排列的微相机，微相机的光轴与主镜匹兹万面垂直。但是，该结构中各个微相机的检测和装配精度要求较高；控制与处理硬件体积庞大笨重且复杂，整个系统的一致性和稳定性差。

第三种方案是直接采用球形透镜配合曲面形状的焦平面CCD阵列。但是曲面CCD阵列的制造工艺非常复杂，成本较高，而且对成品CCD的检测和装配调试技术也提出了苛刻的要求。此外，固定的曲面形状也限制了镜头的选择与组合。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法与系统，实现了大视场、高分辨率的成像效果，且大大降低大视场成像系统的成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像方法，该方法包括：

入射光线经由一由两组对称的透镜进行胶合组成的球形透镜，射入所述球形透镜所产生的匹兹万面上；

所述光线经过所述匹兹万面上设置的传像光纤束输入端后，经由耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上的传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

一种基于传像光纤束的大视场曲面焦平面成像系统，该系统包括：

球形透镜，由两组对称的透镜进行胶合组成；

匹兹万面，为所述球形透镜所产生，入射光线经由所述球形透镜，射入所述匹兹万面上；

传像光纤束输入端，设置于所述匹兹万面上；

传像光纤束输出端，耦合在平面电荷耦合元件CCD阵列上；

所述光线经过所述传像光纤束输入端后，经由传像光纤束输出端射入至所述平面CCD阵列，实现曲面焦平面成像。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法所实现的曲面焦平面阵列与匹兹万面相匹配，能够大大简化光学系统的设计难度，减小系统的体积和重量；并采用胶合的球形透镜作为唯一的折射元件，介质和空气界面对光线的衰减作用被控制在最小值，整个系统的透过率大于95％。同时任意视场的光线几乎均垂直于球形透镜的表面入射和出射，最大程度地减小了“渐晕”对边缘视场成像效果的影响；且利用传像光纤束和平面CCD阵列制造工艺成熟的优势，有效降低了技术成本；同时，光纤束输入端面的匹配方便灵活，可根据不同成像系统的匹兹万曲面进行调整；此外，传像光纤束即是光线的接收器，又是图像的传导通道，因光纤的柔然特性和无源特性，能够实现复杂空间环境的成像探测，具有广泛的适用性和良好的应用前景。

附图说明