專利名稱：超高分辨率紅外相機鏡頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外鏡頭，它是利用微透鏡陣列實現光束分光技術，通過每一個微透鏡成像，然后進行圖像拼接實現超高分辨率。
背景技術：
隨著光學成像技術的發展，系統的分辨率將不僅僅受限于光學系統的衍射極限，還要受探測器采樣頻率不足而引發折疊混淆效應的影響，而針對此問題，要提高系統的分辨率，最直接的解決方案是減小探測器的像元尺寸。在保證光學系統的通光孔徑和調制傳遞函數的前提下，像元尺寸越小，分辨率將越高。采用小像元尺寸的探測器芯片，可以充分利用光學系統的分辨能力，但其缺點是受到相機光學相對孔徑、焦面輻射照度和探測器工藝制造方法的限制，且像元尺寸的減少有一個極限值，隨著探測器像元尺寸減少，散粒噪聲也將會增大，像元接收到的最小光照度減小，靈敏度降低，另外像元間還會產生串音現象。所以為了平衡探測器的整體成像性能，光電系統尤其是紅外系統，對探測器的感光面積有一定要求，像元的尺寸不可以任意減少。紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術，其原理紅外儀器將物體輻射紅外線的功率信號轉換成電信號后，成像裝置就可以 對應地模擬出物體表面溫度的空間分布，最后經系統處理，形成熱圖像視頻信號，傳至顯示屏幕上，就得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖，即紅外熱圖像。目前紅外儀器的探測器的像素最多僅為4096X4096，圖片的像素約為1600萬像素，一般紅外儀器的像素數僅為幾百萬像素，常用的商用紅外探測器像素為320X240和640X480，像元大小為25 μ m 50 μ m，得到的圖片像素低、精度不高。實現成像系統的超高分辨率主要是提高光學系統相對孔徑所限制的衍射極限的空間分辨率的問題，且大多數光電成像系統的整體分辨率主要受制于CCD，因此要提高系統的分辨率有兩種方法，一是用光學方法實現圖像拼接實現高分辨率，另一個是提高CCD感光元件的幾何分辨率。(I)利用CXD拼接的方法實現高分辨率。一般情況下，CXD探測器的像素越高，形成的圖像質量就越高，清晰度也就變高，但是紅外儀器的CCD探測器件限制了儀器的分辨率。紅外CCD探測器的量子效率很難提高，因為紅外光子的能量小，量子效率低，縮小了其探測靈敏度，而且大面積的CCD做起來難度高，面積大了成像系統像差大，難度也高。(2)光學拼接的方法實現高分辨率是目前常用的方法，光學拼接分為光路分光和光束分光兩種結構形式。光路分光是在視場光闌前通過分光棱鏡，產生在機械結構上相互分離而光學像面彼此共軛的若干成像平面，并在各成像平面上精確安裝和校準各CCD感光元件的空間位置，實現像面的無縫拼接。光束分光是利用光束分光來實現光學拼接。將景物成像在第一球形的像面上，通過后續轉接鏡頭列陣將光束分光，在第二像面上安置η個CCD感光元件以覆蓋整個成像視場。將各CXD的坐標系統經過校準、在圖像讀取處理中實現有機結合，用光學和機械方式完成拼接實現高分辨成像。發明內容本實用新型中的鏡頭主要是為了解決系統的分辨率受限于感光元件的問題，提供一種實現紅外儀器超高分辨率的光學鏡頭。本實用新型的解決方案是采用光學拼接的方法實現鏡頭的高分辨率。該鏡頭包括主鏡、次鏡、微透鏡陣列和CCD感光元件四部分，其特征在于主鏡為凹面反射鏡，次鏡為凸面反射鏡，反射鏡的面形為球面或者非球面，主鏡與次鏡形成的中間焦平面為球面，陣列在半球面上的微透鏡陣列為分光裝置，對目標光束進行分光；為了保證成像質量良好，微透鏡的結構形式為復式鏡頭，由若干個光學元件組成:每個微透鏡的光學結構和光學部件完全相同；微透鏡的尺寸是由感光元件接收到的最小照度決定的，微透鏡的數目是由系統的視場覆蓋的范圍和微透鏡的尺寸決定的。在成像過程中，微透鏡陣列中每個微透鏡后置一個CCD感光元件，每個感光元件對探測目標成一幅子圖像；由于感光元件不能完全覆蓋整個視場，必然會造成每幅子圖像之間存在空白區域，因此需要提取并重新拼接子圖像中有效像素，最終得到一幅高分辨率圖像:鏡頭裝調好后用硅橡膠密封，防止空氣進入，保持光學儀器本身良好的密封性。本實用新型和現有的紅外成像技術相比，具有如下優點:1、利用微透鏡陣列對光路進行分光，最終實現超高分辨率，突破了 CCD感光器件對系統整體分辨率的限制，顯著提高了系統的成像質量。2、中間焦平面為球面，一般鏡頭焦平面上，越接近邊緣處，成像質量越差，球形焦平面的的完美對稱性保證了成像質量各處均一。3、降低了利用多次獲取的多幅圖片進行拼接獲得高分辨率圖像的難度和成本。4、對整個光學腔采用密封處理，減小潮濕和鹽霧對光學系統的影響。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是超分辨紅外相機鏡頭中光學系統的光路示意圖。圖2是排布在半球形視場內的微透鏡陣列。圖3是圖像拼接流程。圖中I為主鏡，表面類型為球面或者非球面，2為次鏡，表面類型為球面或者非球面，鏡面為球面，3為中間焦平面，焦平面類型為球面，4為微透鏡，5為感光元件，6為紅外線。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于一下實施例。下述實施例中，如無特殊說明，均為常規方法。實施例中使用的各種單位，統一采用國家標準。實施例1:光學系統的組成。如
圖1所示該相機的光學系統采用折反式，光學系統的結構包括主鏡1、次鏡2、由微透鏡4構成的微透鏡陣列、感光元件5。其中分光裝置模仿了昆蟲的復眼結構-在球形透鏡的球面上覆蓋著許多六邊形的小型透鏡陣列，每個小型透鏡陣列后置一個CCD感光器件，系統將圖像傳送到各自的傳感器中。主鏡I和次鏡2為反射式透鏡，成像的中間像面為球面，在中間像面后的圓形視場范圍內，球面上陣列若干個透鏡實現光束分光(一般鏡頭越接近邊緣處，分辨率越差，與扁平透鏡會在邊緣區域損失分辨率不同，球形透鏡的完美對稱性保證了分辨率各處均一)。目標發射的紅外線6進入相機的內部時，經過主鏡I的反射到達次鏡2，再次經過反射后成像在中間焦平面3上，此時目標已經成像一次。然后光線經過分光裝置時，被微透鏡陣列分割成若干束(有η個微透鏡陣列，光線就被分割成η束)，每束光經過相應的微透鏡成像在感光元件5上，形成一幅圖像，這幅圖像的分辨率由感光元件決定。每個透鏡后放置一個感光元件，比每個感光元件上形成一幅圖像，每一幅高分辨率的圖像經過圖像傳輸和拼接后，最終形成一幅超高分辨率的圖像。(I)主鏡。主鏡為凹面反射鏡，面形為球面或者非球面，反射面在系統成像中不會引入像差，從而減小了后面微透鏡消像差的難度。使用非球面透鏡不但使光學設備的結構大為簡化，而且能大大提高其光學性能。將曲面的頂點取在原點，則曲面的方程為:y2 = 2r0x- (1-e2) x2其中^為曲面的曲率半徑，e為曲面的偏心率。利用Code V對光學系統進行優化時，系統將自動的改變曲面方程的曲率和偏心率，改善成像質量。(2)次鏡。次鏡為凸面反射鏡，面形為球面或者非球面，在系統成像中不會引入像差，從而減小了后面微透鏡消像差的難度。(3)中間焦平面。目標經過主鏡和次鏡成像后的中間焦平面的面型為球面。一般鏡頭焦平面上，越接近邊緣處，成像質量越差，球形焦平面的完美對稱性保證了成像質量各處均一。(4)微透鏡陣列。陣列在半球面上的所有微透鏡的結構形式和大小與中心的微透鏡完全相同，減小設計和加工的成本。(5)對于分光裝 置采用六邊形陣列的方式，因為陣列采用四邊形或者五邊形，陣列的微透鏡中間會出現空白區，對成像鏡頭的影響有兩點，一是沒有充分利用分光裝置，造成能量的浪費，另一個是減少了微透鏡陣列的數目，降低最終拼接后得到的圖像的分辨率。(6)CCD感光元件。在保證滿足信噪比和最小光照度的情況下，盡可能選擇分辨率高、感光面積與微透鏡相匹配的CCD感光元件，即單個像元面積小的感光元件，既能保證微透鏡的成像質量，又能提高拼接后的全景圖像的分辨率。實施例2:系統的無熱化設計。光學系統中的所有元件都會隨著溫度的變化而變化，如玻璃材料折射率、曲率半徑、厚度等都會發生變化，繼而使系統的像面發生漂移，引起離焦，使成像質量大大降低。為了保證光學系統的成像質量不受溫度的影響，需要對系統進行無熱化設計，從而保證系統在一個較大的溫度范圍內保持焦距、像質不變或變化很小。常見的無熱化設計方法有機械被動式、機電主動式和光學被動式。(I)機械被動式。機械被動式是利用對溫度敏感的機械材料或者記憶合金，使一個或一組透鏡產生軸向位移，從而補償由于溫度變化引起的像面位移。⑵機電主動式。在系統中加入了熱傳感器和反饋電路，根據設計過程中溫度變化時像面產生的位移關系，當溫度變化時，熱傳感器探測出溫度的變化，由反饋電路反饋給機械結構并移動相應的移動量，與機械結構固連的透鏡也發生移動，從而補償溫度變化引起像面偏移，這種補償方法原理簡單并且容易實現，但是可靠性低，增加了光學系統的體積和重量，而且成本比較高。(3)光學被動式。它是將不同溫度特性的光學玻璃相匹配，校正色差和熱差，然后匹配機械結構材料的熱膨脹，來消除溫度對像質的影響。光學被動式溫度補償的性能很好，可靠性極高，重量輕，成本低，無需供電。本實用新型利用光學被動式的方法對儀器進行無熱化設計，利用玻璃材料之間的相互補償消除溫度變化對儀器成像質量的影響，保證儀器在-10°c 40°C范圍內正常工作。實施例3、超高分辨率的圖像的獲得在成像過程中，微透鏡陣列中每個微透鏡后置一個感光元件，由于感光元件不能完全覆蓋整個視場，必然會造成每幅子圖像之間存在空白區域，因此需要提取并重新拼接子圖像中有效像素。本實用新型采用的圖像獲取方法是:首先從通過微透鏡陣列后置的感光元件得到若干子圖像，然后對各個子圖像進行特征點提取和匹配計算，確定需拼接的圖像之間的重復區域和重復位置，將若干幅圖像融合，完成全景圖像的拼接，最終得到一幅超高分辨率的圖像。實施例4、系統的密閉性對整個光學腔采用密封處理，減小潮濕和鹽霧對光學系統的影響。各光學組件在裝調好后用硅橡膠密封，防止空氣進入，保持光學儀器本身良好的密封性。為了防霧，光學鏡頭前端加窗口玻璃，并在窗口玻璃外表面鍍三防憎水膜。光學鏡頭的腔體內金屬件米用抗酸氧化處理，運動部件涂航空潤滑脂。所有外露金屬件采用鍍鎘工藝或選用耐蝕性較好的不銹鋼材料，以提高其抗腐蝕能力。為了避免震動對系統成像質量的影響，需要通過姿態感應部件獲得載體的運動信息，使用跟蹤算法進行運動補償，實時對鏡頭的工作姿態進行調整，從而獲得穩定可靠的數據輸出。此外，本實用新型中的紅外相機鏡頭能夠達到超高分辨率，凡是利用本實用新型中相機鏡頭的設計精神所作出的形狀、構造以及特征上的等效變化或修飾達到超高分辨率的，均認為落入本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種超高分辨率紅外相機鏡頭，其中所述相機的光學系統采用折反式，所述鏡頭包括主鏡(I)、次鏡(2)、分光裝置和感光元件(5)四個部分，其特征在于:主鏡(I)與次鏡(2)形成的中間焦平面(3)為球面，陣列在半球面上的微透鏡陣列為分光裝置，對目標光束進行分光；微透鏡(4)的結構形式為復式鏡頭，由若干個光學元件組成。
2.根據權利要求1所述的超高分辨率紅外相機鏡頭，其特征在于:微透鏡(4)的尺寸是由感光元件接收到的最小照度決定的，微透鏡(4)的數目是由系統的視場覆蓋的范圍和微透鏡的尺寸決定的。
3.根據權利要求1或2所述的超高分辨率紅外相機鏡頭，其特征在于:所述微透鏡陣列中每個微透鏡(4)的光學部件和光學結構完全相同。
4.根據權利要求3所述的超高分辨率紅外相機鏡頭，其特征在于:所述微透鏡陣列中每個微透鏡(4)后置一個C⑶感光元件，每個感光元件對探測目標成一幅子圖像。
5.根據權利要求4所述的超高分辨率紅外相機鏡頭，其特征在于:鏡頭裝調好后用硅橡膠密封。
專利摘要一種超高分辨率紅外相機鏡頭，所述鏡頭包括主鏡1、次鏡2、分光裝置和感光元件5四個部分，并在主光路上依次放置。其中主鏡1、次鏡2為反射鏡，分光裝置為微透鏡陣列，它模仿昆蟲的復眼結構，在球形透鏡的半球面上覆蓋著六邊形的小型透鏡陣列，每個微透鏡的結構形式、大小完全相同。利用微透鏡陣列實現光束分光，每個微透鏡后置一個高分辨率CCD感光元件5，每個感光元件5上形成一幅子圖像。然后對各個子圖像進行特征點提取和匹配計算，提取并重新拼接子圖像中有效像素，最終得到一幅超高分辨率圖像。該實用新型解決了成像系統的整體分辨率受制于CCD器件，導致紅外儀器不能獲得高分辨率圖像的問題。
文檔編號G02B27/58GK203037936SQ20122059083
公開日2013年7月3日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者周斌, 孫小玲 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所