摘要：針對實時廣域高解析度成像需求同時保證系統結構的小型化與輕量化，設計了高集成度共心多尺度光學成像系統。該系統採用伽利略型共心多尺度成像結構將球透鏡與次級相機陣列進行級聯，以充分利用雙層共心球透鏡視場大且全視場成像效果一致性好的特點，並發揮伽利略型共心多尺度結構體積緊湊的優勢。此外，通過設計相機陣列的排列方式進一步減少相機使用數量，實現輕量化。通過全系統聯動設計與優化，系統的調製傳遞函數曲線在特徵頻率270 lp/mm處可達0.3，全視場彌散斑均方根(RMS)半徑均小於探測器像元尺寸1.85 μm，成像效果優良，且公差分析結果表明系統易加工製造。該系統不僅能夠有效實現大視場高解析度成像，而且具有低的結構複雜度及更緊湊的結構，應用前景廣闊。
關鍵詞：光學系統；多尺度結構；共心球透鏡；大視場高解析度成像
1 引言
光電成像系統作為最直接的信息獲取手段，能提供符合人眼視覺特性的直觀探測結果，近年來隨著它的發展與應用，人們對光電成像系統的性能提出了更嚴苛的要求：增大視場以捕捉到大範圍內的場景信息，提高解析度獲取空間中重要的細節信息，減小體積提高便攜性以適應不同環境的需求。因此，寬視場、高解析度及小型化的光電成像系統是目前遙感、測繪、環境監控及無人機偵察與防控等領域的迫切需求。
傳統廣域光電成像系統通常採用小視場高解析度掃描成像方式來增大系統的偵測和監視範圍，實現大視場高解析度成像，然而它存在掃描機構複雜及實時性差的問題，無法對空間信息進行精確判讀。相比之下，凝視型成像方式在實時性方面性能更佳，如通過全景魚眼鏡頭成像方式[4]和分布式孔徑的思想[5-7]來實現大視場成像。由於取消了掃描機構，系統結構大幅簡化，體積有效減小，但魚眼鏡頭成像方式存在獲取的圖像幾何畸變大、解析度低及像面照度不均勻的問題，分布式孔徑成像系統則存在視場盲區及光能利用率低的缺點，難以實現光電成像裝備的實際應用，因此需要研究性能更為優化的新體制凝視型大視場高解析度成像系統。
在實現大視場高解析度凝視成像方面，杜克大學Brady等人利用共心球透鏡設計了AWARE(The Advanced Wide Field of View Architectures for Image Reconstruction and Exploitation Multiscale Camera)系列相機，可同時獲得120°的大視場和僅40 μrad的瞬時視場，且能夠解決傳統凝視型光電成像系統畸變大、光能利用率低及視場盲區等問題，但該系統採用二次成像方式從而導致系統結構長、體積大，故難以滿足小型化、輕量化的要求。針對以上問題，本文設計了高集成度小型化共心多尺度光學系統，該系統不僅可以有效實現大視場高解析度成像，同時具有結構簡單、集成度高、體積小等特點。
高集成度小型化共心多尺度光學成像系統充分利用了球透鏡視場大、光能收集能力強、軸外像差小等特點，將共心球透鏡作為主物鏡，並採用伽利略型多尺度成像結構，將球透鏡與小相機陣列進行級聯，以更緊湊的系統結構獲取大視場高解析度成像效果。此外，通過研究共心球透鏡結構複雜度與其成像性能的關係，從而確定一個最優化的系統結構，可在提高成像性能的前提下進一步降低系統結構的複雜度。設計結果表明，該系統成像效果優良，並具有良好的成像穩定性。
2 成像原理
高集成度小型化共心多尺度光學成像系統是一個多尺度成像系統，由主物鏡與次級小相機陣列組成。其中，主物鏡為一個共心膠合球透鏡，如圖 1所示，它具有旋轉對稱的特點，沒有傳統意義上的主光軸，因此與視場相關的像差較小，能夠實現大視場成像和高效率能量收集；次級相機陣列排布於球透鏡後一定距離處，用於分割大成像視場，同時其若干個子像面之間存在視場重疊，通過圖像拼接可獲取完整的目標場景信息。此外，次級成像系統還能夠進一步校正主物鏡的殘留像差，解決傳統單口徑成像系統視場與解析度相互制約，難以同時實現大視場、高解析度成像的問題。
圖1.共心多尺度光學成像系統原理
共心多尺度成像結構根據有無中間像面可分為克卜勒型與伽利略型，圖2所示為兩者的結構示意圖。在相同的光學參數條件下，伽利略式相比克卜勒式可獲得更緊湊的系統結構，並且長度近似為克卜勒形式的一半，因此採用伽利略方式能夠在實現大視場高解析度成像的同時保證系統具有體積小、輕量化的結構特點。
圖2.共心多尺度系統示意圖
共心球透鏡作為系統的主要組成部分，在設計中需要在其結構複雜度與成像性能之間進行權衡，圖 3給出了不同複雜度下的共心球透鏡結構及其調製傳遞函數MTF曲線。在共心結構特點下，球透鏡在複雜化的過程中每增加一片透鏡僅增加一個玻璃材料、一個曲率半徑及一個玻璃厚度的設計變量，因此優化中便於控制變量以進行成像性能的比較，圖中所示系列透鏡均是最優化後F/2.5，70 mm的共心球透鏡。分析圖 3中MTF曲線可以得出，隨著表面數量的增加，MTF隨之提高，但通過增加系統的複雜度來提高成像性能時存在一個效果遞減定律，即結構複雜度由一個表面增加至兩個表面時，MTF值在頻率200 lp/mm處由0.02提升至0.4，提高了約20倍，而複雜度由2個表面增加至6個表面時，MTF僅提升至0.5，提高了0.25倍。而圖 3上方系列透鏡的結構圖則說明，隨著複雜度的提高，球透鏡的口徑隨之增加，此外，通過比較透鏡(2)、(3)與透鏡(4)、(6)可知，在透鏡層數相同的情況下，具有完全對稱結構的共心球透鏡更易獲得較小的口徑尺寸。通過上述分析可找出一個最優化的設計，在該設計下系統不僅具有良好的成像性能，同時有較小的尺寸和低複雜度。
圖3.不同複雜度下的共心球透鏡系統及其調製傳遞函數曲線
3 共心多尺度光學系統設計
系統的成像波段範圍為可見光波段，系統焦距為40 mm，成像選用索尼IMX226探測器，像元數量為4 000(H)×3 000(V)，像元尺寸為1.85 μm，綜合考慮像差校正難度及相機陣列拼接時對相機口徑的限制，F數取3.3。通過次級相機陣列拼接，系統可以捕捉到一個近乎半球形視場的場景信息。
3.1 主物鏡設計
基於上述對共心球透鏡結構複雜度與其系統性能的研究分析可知，具有完全對稱結構的雙層共心球透鏡可在低結構複雜度及小尺寸下獲得優良的成像效果，因此本文採用完全對稱結構的雙層共心膠合球透鏡作為系統的主物鏡。在該結構下，共心球透鏡以其固有的旋轉對稱性，使過球心的每一條光線都可視為主光軸，因此僅存在軸上像差(軸上球差與色差)以及較小的軸外像差，此外，利用膠合透鏡可以校正球差，根據不同材料的色散特性對玻璃材料進行組合可進一步補償色差[14-15]。在實際設計中，由於共心球透鏡各個面共用一個曲率中心，故僅需確定第一面的曲率半徑，其他表面的曲率類型設置為共心曲率即可。結合上述像差平衡理論在光學設計軟體ZEMAX中對球透鏡進行優化可獲得像差校正良好的主物鏡結構，優化後的共心球透鏡結構如圖 4所示。
圖4.優化後的共心球透鏡結構
......
5 結論
本文針對目前光電成像系統對於大視場、高解析度實時成像探測的需求，提出一種高集成度小型化共心多尺度光學成像系統。該系統利用雙層共心球透鏡有效減小了與視場相關的像差，並結合基於球形分布的次級相機陣列的設計有效消除了殘餘像差，此外系統採用伽利略型多尺度成像方式將主物鏡與次級相機陣列進行級聯，獲得更緊湊的體積結構，並通過六邊形幾何排布方式減少相機使用數量，從而使系統進一步滿足小型化與輕量化的設計要求。該系統在全視場範圍內的傳遞函數曲線趨勢一致且接近衍射極限，在特徵頻率270 lp/mm處的MTF值可達0.3；全波段彌散斑RMS半徑的最大值為1.398 μm，小於探測器像元尺寸；場曲在0.03 mm以內，畸變小於±0.3%。設計結果表明，該共心多尺度光學成像系統結構簡單，成像效果優良。由於共心球透鏡的理論視場可達近180°，在此基礎上可根據需求調整次級相機的數量，從而增大或減小有效視場，具有很高的工程應用價值。
鑑於篇幅，本文僅為節選（光學 精密工程, 2020, 28(6): 1275-1282.），全文內容可閱讀原文下載PDF文檔。
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