CN104749745A

CN104749745A - 一种大视场高分辨光学系统

Info

Publication number: CN104749745A
Application number: CN201510185721.9A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏
Original assignee: Zhangjiagang Zhong He Robotization Science And Technology Ltd
Current assignee: Zhangjiagang Zhong He Robotization Science And Technology Ltd
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104749745B

Abstract

本发明公开了一种大视场高分辨光学系统，其包括成像透镜阵列、像感器阵列、信号处理单元、及位于物面与像面一之间的投影物镜一与分割透镜阵列。这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系。分割透镜阵列位于像面一的附近，而成像透镜阵列、像感器阵列均位于像面一远离物面P1的一侧，且分割透镜阵列位于物面与像面一之间并位于像面一附近，成像透镜阵列还位于像面一与像感器阵列之间。像面一被分割透镜阵列分割成分视场阵列，使物面通过成像透镜阵列成像到像感器阵列的感光面，而使像感器阵列采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列以图像处理方式获得宽视场高分辨率计算摄像。

Description

一种大视场高分辨光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种大视场高分辨光学系统。

背景技术

大视场高分辨光学系统广泛应用于生物医药、航空侦察和地形测绘等领域。但由于视场与分辨率之间存在相互制约的关系，一般不能仅通过一次曝光获得宽幅高分辨图像。高分辨成像时如果要增大幅宽，一般采用机械扫描的方法。然而，扫描获取宽幅图像需要的时间长，而且帧与帧之间存在时间间隔，因此这种方法仅对静态场景有效。对于一些应用，比如大范围持续监视，在获得大视场的同时还要保证不能丢失目标的细节信息，且必须在单次曝光的时间范围内完成，只能采用面阵凝视成像。面阵凝视成像时若要同时获得大视场和高分辨率，像面上的像元数目必须达到10亿级别。而当前在单片像感器上像元数目远远不能达到这个水平，必须进行拼接。像感器拼接技术难度大，并直接增大了温控难度和相机研制难度。此外，从光学设计角度考虑，透镜的分辨力要与10亿像元像感器的分辨率相匹配，在现有的技术水平条件下，设计和加工这种透镜仍然是巨大的技术挑战。如果不同视场位置的像差不同，组成多孔径阵列的光学元件就会各不相同，且数目较多，加工和设计的难度仍然很大。

总体来说，在当前的技术条件下，大视场高分辨成像主要有三大技术难点：1)当前单片像感器上的像元数目远远不能达到大视场高分辨成像要求的10亿数量级；2)从光学设计角度，由于像差的存在，设计和加工与10亿像元像感器的分辨力相匹配的透镜系统是非常困难的；3)由于大视场高分辨成像获得的照片的信息量巨大，对图像传输和图像处理都提出了非常高的实时性要求，对当前的技术水平来说，仍然是一大技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大视场高分辨光学系统，提供了能与10亿像元像感器相匹配的大视场分辨率的投影镜头，并在当前的单片像感器上像元数目远远不能达到这个水平的条件下，通过分割拼接重构等手段，实现了具有10亿像元的大视场分辨率的完整图像的整套解决方案。本发明的投影镜头实现了光学系统的球面像差、彗差、像散、，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，尤其对轴向色差的二级光谱校正良好，又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。本发明应用于生物、遗传、医疗和药物等研究与检测技术的发展，高精度大视场光学检测要求的投影物镜需求日益增强，目前同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种性能的投影物镜的设计和制造十分困难，还少有先例。

本发明采用以下技术方案实现：一种大视场高分辨光学系统，其包括位于物面(P1)与像面一(P2)之间的投影物镜一(PRJ1)，其中：所述大视场高分辨光学系统还包括分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列(P3A)；

分割透镜阵列(LA)采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列(PLA)采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列(P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系；

分割透镜阵列(LA)位于像面一(P2)的附近，而成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)均位于像面一(P2)远离物面(P1)的一侧；且分割透镜阵列(LA)位于像面一(P2)附近，成像透镜阵列(PLA)还位于像面一(P2)与像感器阵列(P3A)之间；

物面(P1)通过投影物镜一(PRJ1)成像到中间像面的像面一(P2)，所述像面一(P2)为中间像面，像面一(P2)被分割透镜阵列(LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列(PLA)成像到像感器阵列(P3A)的感光面，而使像感器阵列(P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列以图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像。

作为上述方案的进一步改进，从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括前透镜群组、分光器件一(BS1)、后透镜群组；所述大视场高分辨光学系统还包括分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)，从物面(P1)到一个像面二(P4)，所述前透镜群组、分光器件一(BS1)、分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)依次构成成像系统。

进一步地，所述大视场高分辨光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还与LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二(P4)处与像面二(P4)平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二(PRJ2)、分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。

作为上述方案的进一步改进，所述大视场高分辨光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。

再进一步地，所述大视场高分辨光学系统包括所述照明系统一时，所述照明系统一通过分时选择和切换不同的LED光源的开关与强弱的方式，来改变照明光的光谱；所述信号处理单元分别采集不同光谱的照明光时的像感器阵列(P3A)的图像信息阵列，再通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像。

作为上述方案的进一步改进，从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括第一镜组(G1)、分光器件一(BS1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)；

在第二镜组(G2)中，满足关系式：Vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个，nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波長486nm的F线折射率，nd为波長587nm的d线折射率，nC为波長656nm的C线折射率；且至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；其中，r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率；

在第三镜组(G3)中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物面的凹面二；第三镜组(G3)还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn；其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数；

第一镜组(G1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5；其中，f1为第一镜组(G1)的组合焦距，f2为第二镜组(G2)的组合焦距，f3为第三镜组(G3)的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。

进一步地，所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组和第三镜组为不含有胶合面的单透镜组成。

作为上述方案的进一步改进，投影物镜一(PRJ1)在分视场阵列的每个视场位置的分辨率接近光学衍射极限；分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)中各个单元具有相同的光学参数和元件，且独立于投影物镜一(PRJ1)的独自校正光学像差。

作为上述方案的进一步改进，分割透镜阵列(LA)的各个单元为相同的正四边形、正六边形或长方形，且相互连接为一体结构。

作为上述方案的进一步改进，分割透镜阵列(LA)的各个单元面向物面(P1)的表面曲率半径不大于面向成像透镜阵列(PLA)的表面曲率半径，且分割透镜阵列(LA)在成像透镜阵列(PLA)侧的各个单元表面为球面，且各单元球面的球心位置相同。

本发明优点：

1，提供了能与10亿像元像感器相匹配的大视场分辨率的投影镜头，并在当前的单片像感器上像元数目远远不能达到这个水平的条件下，通过分割拼接重构等手段，实现了具有10亿像元的大视场分辨率的完整图像的整套解决方案；

2，同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种特性，设计的难度很大，目前还少有先例；投影物镜1的中间像具有良好的远心效果，为以后的取像提供了良好条件；

3、投影物镜一(PRJ1)整个视场的不同位置分辨率接近光学衍射极限，因为像差足够小，且十分接近，所以可以使用相同光学参数和元件的分视场成像镜头阵列单元，大幅度降低了分视场成像镜头阵列的加工和装校的难度和成本；

4，投影物镜的最大光学口径只有像方全视场口径的60％左右，大幅度降低了投影物镜的制造成本和难度，而普通像方远心投影物镜的最大光学口径是像方全视场口径的100％以上，制造成本高而且制造难度大；

5，投影物镜一(PRJ1)口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本；

6，系统扩展性能良好，可以实现多种同轴落射照明。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的大视场高分辨光学系统的结构示意图。

图2为空气透镜的结构示意图。

图3为图1中大视场高分辨光学系统的0.7孔径处轴向色差曲线图。

图4为图1中大视场高分辨光学系统在480-730nm波长范围的传递函数MTF图。

图5为图1中大视场高分辨光学系统的分割透镜阵列LA和像感器阵列P3A的结合示意图。

图6与图5相似，为图1中大视场高分辨光学系统的分割透镜阵列LA和像感器阵列P3A的另一种结合示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明较佳实施例提供的大视场高分辨光学系统的结构示意图。从物面P1到像面一P2，大视场高分辨光学系统依次包括投影物镜一PRJ1、分割透镜阵列LA、成像透镜阵列PLA、像感器阵列P3A、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列P3A。

从物面P1到像面一P2，投影物镜一PRJ1依次包括前透镜群组、分光器件一BS1、后透镜群组。前透镜群组包括第一镜组G1，后透镜群组包括第二镜组G2、第三镜组G3。像面一P2在第二镜组G2内设置有光阑AS，光阑AS的开口大小可以调节，可采用开口大小可调式光阑。像面一P2

从物面P1到像面一P2，第一镜组G1可依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4。第二镜组G2可包括具有负光焦度的至少二个透镜且其中至少一个透镜为双凹透镜；还可包括具有正光焦度的至少三个透镜且其中至少二个透镜为双凸透镜。在本实施方式中，从物面P1到像面一P2，第二镜组G2依次包括第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11。第三镜组G3可包括具有负光焦度的至少二个透镜；还可包括具有正光焦度的至少二个透镜且包括至少一个月牙形透镜。在本实施方式中，从物面P1到像面一P2，第三镜组G3依次包括第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17。

其中，第一透镜L1、第三透镜L3、第六透镜L6、第九透镜L9、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15均具有负光焦度。第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十六透镜L16、第十七透镜L17均具有正光焦度。在本实施方式中，第一至第十七透镜L1～L17的元件参数如表1所示。

表1投影物镜参数

第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5。其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，f2为第二镜组G2的组合焦距，f3为第三镜组G3的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。这样的镜片结构可以使投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到合理校正。在本实施方式中，f1/fa＝0.211，f2/fa＝0.282，-f3/fa＝0.150。

在第一镜组G1中，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：Vdp＜Vdn。其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数。第一镜组G1这样设计的主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差，平衡投影物镜的轴向色差的二级光谱色差，辅助平衡投影物镜的倍率色差。

在第二镜组G2中，满足关系式：①Vd＝(nd－1)/(nF－nC)；②nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个；③nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；④至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09。其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波長486nm的F线折射率，nd为波長587nm的d线折射率，nC为波長656nm的C线折射率；r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率。

第二镜组L2的第⑤条即：第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同，有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高投影物镜的热稳定性，使投影物镜在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。

在第三镜组G3中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物面P1的凹面二。第三镜组G3还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn。第三镜组G3这样设计的主要作用是平衡投影物镜的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，平衡投影物镜的倍率色差。在本实施方式中，第十三透镜L13与第十五透镜L15之间存在一对互相面对的凹面一，即第十三透镜L13面向第十五透镜L15的曲面为凹面，第十五透镜L15面向第十三透镜L13的曲面也为凹面。在这对互相面对的凹面一之间存在为负透镜的第十四透镜L14，第十四透镜L14含有面向物面P1的凹面二，即第十四透镜L14面向物面P1的曲面也为凹面。

为了消除光学镜片的内部应力、热应力和老化，及其对光学成像造成的不良影响，保持投影物镜的稳定性，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组G2、第三镜组G3均为不含有胶合面的单透镜组成。另外，不包含非球面镜片，可以大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。

为了可以取得良好的像方远心投影物镜效果，为以后的取像提供了良好条件，像面一P2具有面向物面P1的凹球面，且满足：αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2；其中，αin为投影物镜的主光线在像面一P2的入射角，NA为投影物镜的物方数值孔径，β为投影物镜的放大倍率，Lpout为投影物镜像方出瞳距离，Rim像面凹球面的曲率半径。

在本实施方式中，投影物镜的参数值：β＝10；NA＝0.35；Hy＝21.2；光谱范围：470-750nm。其中，β为投影倍率，4<β<18；NA为物面开口数；Hy为最大物高。

在第一镜组G1与第三镜组G3之间设置有分光器件一BS1(在本实施方式中，分光器件一BS1位于第一镜组G1与第二镜组G2之间)，分光器件一BS1满足：Tpl＞0.6Dop。其中，Tpl为分光器件一BS1厚度，Dop为分光器件一BS1的最大通光口径，分光器件一BS1为具有部分透射和部分反射的分光束器件，其主要作用是可以利用分光器件一BS1的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。

为了宽视场高分辨率投影物镜的合理控制成本，并得到最佳性价比，所述宽视场高分辨率投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。

总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，同时可以有效控制镜头的最大光学口径，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。

本实施方式的宽视场高分辨率投影物镜，宽视场高分辨率投影物镜的轴向色差如图3所示，在宽谱带范围内有效地校正了轴向色差，涵盖了480-730nm波长范围。从图中可以看出，本发明可以有效地获得高成像质量。宽视场高分辨率投影物镜的投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图如图4所示。专业光学设计软件的分析的波像差WFE(RMS)结果表明：各波长的波像差WFE(RMS)全部为其波长的1/14以下，如表2所示。

表2各波长的波像差

波长(nm)	名称	波像差(RMS)
			486.13	F线	1/14λ
546.07	e线	1/19λ
			587.56	d线	1/21λ
656.27	C线	1/19λ
			706.52	r线	1/16λ
730	---	1/15λ
			480-730	波长范围	1/15λ

因此，本发明同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种特性，目前还少有先例；具有良好的像方远心投影物镜效果，为以后的取像提供了良好条件；投影物镜的最大光学口径只有像方全视场口径的60％左右，大幅度降低了投影物镜的制造成本和难度。而普通像方远心投影物镜的最大光学口径是像方全视场口径的100％以上，制造成本高而且制造难度大；镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本；可以利用分光器件一BS1的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。

分割透镜阵列LA采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列PLA采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列P3A采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系。

分割透镜阵列LA位于像面一P2的附近，而成像透镜阵列PLA、像感器阵列P3A均位于像面一P2远离物面P1的一侧，成像透镜阵列PLA还位于像面一P2与像感器阵列P3A之间。具体地，分割透镜阵列LA位于像面一P2的附近指：分割透镜阵列LA可位于像面一P2的一侧，还可与成像透镜阵列PLA、像感器阵列P3A处于像面一P2的同一侧。

像面一P2被分割透镜阵列LA分割成分视场阵列，使物面P1通过成像透镜阵列PLA成像到像感器阵列P3A的感光面，而使像感器阵列P3A采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列以图像处理方式(如配准拼接、计算重建方式等)获得宽视场高分辨率计算摄像。

投影物镜一PRJ1在的每个视场位置都具有相近的像差特性，分视场成像阵列各个单元有具有相同的光学参数和结构。

在本实施方式中，像面一P2可为面向物面P1的凹球面，且满足：

Sin(αy–αarray)<0.5NA/β，

αin<NA/β，

0.8<Lpout/Rim<1.2，

其中，αy为在像面一P2处像高为y的主光线与投影物镜一PRJ1中心线的夹角，

αarray为分视场成像阵列各单元中心线与投影物镜一PRJ1中心线的夹角，

αin为像面一P2的主光线入射角，

NA为物面P1数值孔径，

β为光学系统的放大倍率，

Lpout为像面一P2出瞳距离，

Rim像面一P2的凹球面的曲率半径。

分割透镜阵列LA的各个单元可沿着像面一P2的凹球面紧密排列，且分割透镜阵列LA的各个单元的排列轨迹的凹球面球心可与像面一P2的凹球面球心位置相同或接近。

分割透镜阵列LA的各个单元面向物面P1的表面曲率半径不大于面向成像透镜阵列PLA的表面曲率半径。分割透镜阵列LA的各个单元可为相同的正四边形、正六边形或长方形，且相互连接为一体结构。分割透镜阵列LA和像感器阵列P3A的结合方式，请参阅图5及图6，其为分割透镜阵列LA和像感器阵列P3A的两种结合方式，均可用达到本发明的效果。成像透镜阵列PLA和像感器阵列P3A的各个单元可具有相互独立的位置和焦面调节机构。

从物面P1到像面二P4，大视场高分辨光学系统依次包括前透镜群组(即第一镜组G1)、分光器件一BS1、分光器件二BS2、投影物镜二PRJ2。从物面P1到像面二P4，第一镜组G1、分光器件一BS1、分光器件二BS2、投影物镜二PRJ2依次构成第二个成像系统。第一个成像系统的结构是上面介绍的：从物面P1到像面一P2，大视场高分辨光学系统依次包括投影物镜一PRJ1、分割透镜阵列LA、成像透镜阵列PLA、像感器阵列P3A、信号处理单元。在第二成像系统的像面二P4处安装像感器，可获取比像感器阵列P3A采集的图像信息的计算摄像更迅速的取像速度。

本发明的大视场高分辨光学系统通过两个成像系统，可以随意切换其中一个成像系统进行成像。两个成像系统使物面P1与像面一P2、像面二P4之间构成共轭成像关系，两个成像系统可以有不同的投影倍率，第一镜组G1为两者公用。

除此之外，物面P1还可以采用照明系统通过第二成像系统导入需要成像和聚焦的其它照明光。如，在本实施方式中，所述大视场高分辨光学系统还包括对物面P1提供照明的照明系统LS。照明系统LS可提供多种光谱照明光，通过分光器件和投影物镜一PRJ1的部分透镜，将照明光沿投影物镜一PRJ1的中心线方向投射到物面P1，为物面P1提供照明。

具体地，照明系统LS可含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还LED光源波长相关的至少一个相应的2向分色器件。在本实施方式中，LED阵列光源的数量以三个为例进行举例说明：LS1、LS2、LS3，与这三个LED阵列光源对应的，光源聚光透镜的数量也为三个：CL1、CL2、CL3，相应的2向分色器件的数量也为三个：DM1、DM2、DM3。

LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二BS2、分光器件一BS1、第一镜组G1最终投射到物面P1。照明系统LS通过分时选择和切换不同的LED光源的开关与强弱的方式，来改变照明光的光谱。所述信号处理单元分别采集不同光谱的照明光时的像感器阵列P3A的图像信息阵列，再通过图像处理方式(如配准拼接、计算重建方式等)获得物面P1的宽视场高分辨率计算摄像。

当然，在其他实施方式中，所述照明系统也可以采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二P4处与像面二P4平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二PRJ2、分光器件二BS2、分光器件一BS1、第一镜组G1最终投射到物面P1。

当然，在其他实施方式中，第二成像系统可以不设置，此时，所述大视场高分辨光学系统也可以在照明系统一与照明系统二中选择至少一者用于对物面P1提供照明。若所述照明系统一，此时，LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件一BS1、所述前透镜群组最终投射到物面P1。若所述照明系统二，此时，依次通过分光器件一BS1、所述前透镜群组最终投射到物面P1。

综上所述，本发明的有益效果如下：

1，同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种特性，设计的难度很大，目前还少有先例；

2，投影物镜1的中间像具有良好的远心效果，为以后的取像提供了良好条件；

3，投影物镜的最大光学口径只有像方全视场口径的60％左右，大幅度降低了投影物镜的制造成本和难度，而普通像方远心投影物镜的最大光学口径是像方全视场口径的100％以上，制造成本高而且制造难度大；

4，投影物镜一PRJ1口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本；

5、投影物镜一PRJ1整个视场的不同位置的像差十分接近，并接近衍射极限，可以使用相同的分视场成像镜头阵列单元，大幅度降低了分视场成像镜头阵列的加工和装校的难度和成本；

6，系统扩展性能良好，可以实现多种同轴落射照明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大视场高分辨光学系统，其包括位于物面(P1)与像面一(P2)之间的投影物镜一(PRJ1)，其特征在于：所述大视场高分辨光学系统还包括分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)、信号处理单元，所述信号处理单元电性连接于像感器阵列(P3A)；

其中，分割透镜阵列(LA)采用若干分割透镜阵列式布局，成像透镜阵列(PLA)采用若干成像透镜阵列式布局，像感器阵列(P3A)采用若干像感器阵列式布局，这三个阵列中的每个单元为相互对应的一对一的映射关系；

物面(P1)通过投影物镜一(PRJ1)成像到像面一(P2)，像面一(P2)为中间像面，像面一(P2)被分割透镜阵列(LA)分割成分视场阵列，再通过成像透镜阵列(PLA)成像到像感器阵列(P3A)的感光面，而使像感器阵列(P3A)采集到图像信息阵列，所述信号处理单元将所述图像信息阵列通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像。

2.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括前透镜群组、分光器件一(BS1)、后透镜群组；所述大视场高分辨光学系统还包括分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)，从物面(P1)到一个像面二(P4)，所述前透镜群组、分光器件一(BS1)、分光器件二(BS2)、投影物镜二(PRJ2)依次构成成像系统。

3.如权利要求2所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：所述大视场高分辨光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；

所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还与LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个不同波长的LED光源的多个不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与相应的2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；

所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二的激光波面在像面二(P4)处与像面二(P4)平行或偏向一个角度，再依次通过投影物镜二(PRJ2)、分光器件二(BS2)、分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。

4.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：所述大视场高分辨光学系统还包括照明系统一、照明系统二中的至少一者，以对物面(P1)提供照明；

所述照明系统一含有多个波长不同的LED光源的至少一个LED阵列光源、与所述至少一个LED阵列光源相对应的至少一个LED光源聚光透镜、与所述至少一个LED光源聚光透镜相对应的且还LED光源波长相关的至少一个2向分色器件；所述LED阵列光源将多个LED光源的不同光谱能量依次通过相应的光源聚光透镜与2向分色器件汇集到相近位置和相近方向，并依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)；

所述照明系统二采用激光照明，所述照明系统二依次通过分光器件一(BS1)、所述前透镜群组最终投射到物面(P1)。

5.如权利要求3或4所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：所述大视场高分辨光学系统包括所述照明系统一时，所述照明系统一通过分时选择和切换不同的LED光源的开关与强弱的方式，来改变照明光的光谱；所述信号处理单元分别采集不同光谱的照明光时的像感器阵列(P3A)的图像信息阵列，再通过图像处理方式获得物面(P1)的宽视场高分辨率计算摄像。

6.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：从物面(P1)到像面一(P2)，投影物镜一(PRJ1)依次包括第一镜组(G1)、分光器件一(BS1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)；

7.如权利要求6所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组和第三镜组为不含有胶合面的单透镜组成。

8.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：投影物镜一(PRJ1)在分视场阵列的每个视场位置的分辨率接近光学衍射极限；分割透镜阵列(LA)、成像透镜阵列(PLA)、像感器阵列(P3A)中各个单元具有相同的光学参数和元件，且独立于投影物镜一(PRJ1)的独自校正光学像差。

9.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：分割透镜阵列(LA)的各个单元为相同的正四边形、正六边形或长方形，且相互连接为一体结构。

10.如权利要求1所述的大视场高分辨光学系统，其特征在于：分割透镜阵列(LA)的各个单元面向物面(P1)的表面曲率半径不大于面向成像透镜阵列(PLA)的表面曲率半径，且分割透镜阵列(LA)在成像透镜阵列(PLA)侧的各个单元表面为球面，且各单元球面的球心位置相同。