一种单探测器多视角复眼光学成像系统

1.本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种单探测器多视角复眼光学成像系统。


背景技术：

2.生物复眼是天然的多孔径光学成像系统，通常由上亿多的子眼构成，这些子眼相互独立，组成六边形的排布方式，与单孔径成像系统相比，其优势在于能够反应灵敏，对目标物进行快速准确的识别与定位。
3.多视角光学成像系统是三维立体成像、粒子图像测速等技术的重要组成部分，现有的多视角光学成像系统主要有双目系统和单目旋转系统。双目系统通过两个成一定角度的相机实现对目标物体的两个不同视角成像，该系统需要安装两部相机，成本高、体积较大且需要保证两部相机的同步性；单目旋转系统只需要将一部相机固定在旋转台上，通过旋转相机实现多视角成像，该系统结构简单，但由于旋转相机需要一定时间，不同视角得到的图像必然存在时间差，对动态物体的观测精度影响较大。目前多视角光学成像系统的局限性主要在于实时性难以保证、体积较大且结构复杂。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的不足，结合复眼的多孔径结构，本发明提供一种单探测器多视角复眼光学成像系统，具有实时性好、结构简单且成本低的优点。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种单探测器多视角复眼光学成像系统，该系统为旋转对称系统，沿光线传播方向自左向右依次包括棱镜组、第一透镜组和第二透镜组。棱镜组和第一透镜组构成类似复眼结构的子眼通道，每个子眼通道和第二透镜组共同构成单个子眼系统，对目标物体独立成像，利用棱镜组的光路折转作用从多个视角观察目标物体，不同视角下的目标物体发出的光线经子眼系统后成像在同一探测器像平面的不同区域。
7.所述棱镜组包括n个单棱镜，绕系统中心轴对称排列，起到光线转向作用，通过多个单棱镜接收不同视角下目标物体发出的光线。
8.所述第一透镜组包括n个平凸透镜，绕系统中心轴对称排列，平凸透镜与单棱镜一一对应，平凸透镜平面侧与单棱镜相胶合，起到平衡像差的作用。
9.所述第二透镜组所有透镜中心轴与系统中心轴重合，沿光线传播方向自左向右依次包括正光焦度的第一透镜，正光焦度的第二透镜，负光焦度的第三透镜，正光焦度的第四透镜，正光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜和负光焦度的第七透镜。
10.本发明与现有技术相比的优点在于：
11.本发明中棱镜组和第一透镜组构成了类似复眼结构的多子眼通道，利用棱镜的光线转向作用，能够从多个视角对目标物体进行同时成像，第三透镜组作为所有子眼通道共同的后方聚焦透镜组，将不同视角的光线聚焦在同一探测器像平面的不同区域，因此仅需
要一个探测器接收所有子眼系统成像的图像。
12.相比于双目系统，本发明的单探测器多视角复眼光学成像系统仅使用一个探测器，无需额外措施保证多个探测器的同步性；相比于单目旋转系统，本发明能够同时采集多个视角下的目标图像，无需安装旋转平台，不同视角下的目标图像没有时间差。总体来说，本发明的单探测器多视角复眼光学成像系统具有实时性好、整体结构简单且成本低的优点，可应用于三维立体成像、粒子图像测速等技术领域。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的一种单探测器多视角复眼光学成像系统结构示意图；
14.图2为本发明实施例中光线在单棱镜中传播的光线轨迹示意图；
15.图3为本发明实施例中成像系统的mtf图。
16.其中：1-单棱镜，2-平凸透镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第三透镜，6-第四透镜，7-第五透镜，8-第六透镜，9-第七透镜，10-相机保护玻璃。
具体实施方式
17.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图并通过实例对其详细的介绍。
18.实施例
19.如图1所示，本发明实施例提供一种单探测器多视角复眼光学成像系统。该系统为旋转对称系统，沿光线传播方向从左至右依次包括棱镜组、第一透镜组和第二透镜组，光束从棱镜下端面入射，经棱镜侧面反射后从棱镜上表面进入到平凸透镜后出射，经第二透镜组聚焦成像在同一探测器上。
20.本实施例中，棱镜组包括两个沿系统中心轴对称布置的单棱镜1，如图2所示，光线从单棱镜1的棱镜面s1进入，经棱镜面s2反射后从棱镜面s3出射，起到折转光路的作用，棱镜面s1与棱镜面s2的夹角为51.11
°
，棱镜面s2与棱镜面s3的夹角为81.22
°
，单棱镜1的材料均为cdgm材料库里的h-k9la材料。
21.本实施例中，第一透镜组包括两个沿系统中心轴对称布置的平凸透镜2组成，每个平凸透镜2的平面侧分别胶合在棱镜组的每个棱镜面s3上，平凸透镜2的材料均为cdgm材料库里的h-fk71材料。
22.本实施例中，第二透镜组包括沿系统中心轴自左向右依次排列的正光焦度的第一透镜3，正光焦度的第二透镜4，负光焦度的第三透镜5，正光焦度的第四透镜6，正光焦度的第五透镜7、正光焦度的第六透镜8和负光焦度的第七透镜9，面型均为球面，材料分别为cdgm材料库里的h-zbaf3、h-lak2a、zf7l、d-laf50、h-laf1和h-k90gti材料，第二透镜组的所有透镜中心轴均与系统中心轴重合。相机保护玻璃10设置在第七透镜9之后，其材料为石英。
23.本实施例中，棱镜组和第一透镜组构成两个子眼通道结构，每个子眼通道和第二透镜组构成单个子眼系统，单个子眼系统中心视场的主光线与系统中心轴夹角为25
°
，视野范围为2mm
×
2mm，工作距离为12mm，由目标物体反射的光线经两个子眼通道后进入第二透镜组，分别成像在同一探测器像平面的不同区域上，通过两个子眼系统能够同步获得两个
视角的图像。
24.本实施例中，系统沿垂直于探测器方向上的总长为183mm，f数为4.7，放大倍率为1.2倍，能够观察和记录微小物体的动态过程。经过优化设计可以得到其调制传递函数mtf接近衍射极限如图3所示，说明球差、彗差等各项像差得到了较好的平衡，系统成像质量良好，在空间频率109lp/mm下的各视场的mtf均大于0.3，满足像元尺寸为4.6μm
×
4.6μm的探测器匹配要求，可应用于细胞观察、微加工过程监控、密集电路立体观察等。
25.最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：对前述实施例所记载的技术方案进行修改或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换的行为，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。


技术特征：
1.一种单探测器多视角复眼光学成像系统，其特征在于：所述单探测器多视角复眼光学成像系统为旋转对称系统，沿光线传播方向从物面侧至像面侧依次包括棱镜组、第一透镜组和第二透镜组；棱镜组和第一透镜组构成类似复眼结构的子眼通道，每个子眼通道和第二透镜组共同构成单个子眼系统，对目标物体独立成像，利用棱镜组的光路折转作用从多个视角观察目标物体，不同视角下的目标物体发出的光线经子眼系统后成像在同一探测器像平面的不同区域。2.根据权利要求1所述的一种单探测器多视角复眼光学成像系统，其特征在于：所述棱镜组包括沿系统中心轴对称阵列布置的n个单棱镜，将光线折转一定角度，使得多个视角下的目标物体能成像在单个探测器上。3.根据权利要求1所述的一种单探测器多视角复眼光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜组包括沿系统中心轴对称阵列布置的n个平凸透镜，n个平凸透镜的平面侧分别与n个单棱镜相胶合。4.根据权利要求1所述的一种单探测器多视角复眼光学成像系统，其特征在于：所述第二透镜组所有透镜中心轴与系统中心轴重合，沿光线传播方向从物面侧至像面侧依次包括正光焦度的第一透镜，正光焦度的第二透镜，负光焦度的第三透镜，正光焦度的第四透镜，正光焦度的第五透镜、正光焦度的第六透镜和负光焦度的第七透镜。

技术总结
本发明公开了一种单探测器多视角复眼光学成像系统，属于光学成像技术领域，整个系统为旋转对称系统，至少包括沿光线传播方向自左向右依次排列的棱镜组、第一透镜组和第二透镜组。棱镜组包括多个单棱镜，第一透镜组包括多个平凸透镜，分别胶合在单棱镜上。棱镜组和第一透镜组构成了类似昆虫复眼的多通道结构，目标物体位于所有子眼通道的视场交汇区域，每个子眼通道共用第二透镜组，将不同视角下的目标物体成像在同一探测器的不同区域位置。本发明实现了用单个探测器进行多视角成像，具有实时性好、系统结构简单、成本低的优点，结合后续的图像处理算法，可用于三维立体成像、粒子图像测速等。测速等。测速等。


技术研发人员：王克逸 刘慧婷 赵帅 陈鹏
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25