[发明专利]一种光路折叠反射式大视场复眼成像光学系统及其方法

说明书

一种光路折叠反射式大视场复眼成像光学系统及其方法，所属大视场光学成像系统与仿生复眼成像探测器技术领域，系统为N层级成像结构，每层级成像结构由相邻通道下主光轴互相垂直且位于同一平面的三个子眼通道以及一个光电探测器构成。本发明系统设计多通道‑单探测器的大视场仿生复眼成像系统，通过光路折反与光程归一的方式，实现多视角子眼像面共面与单光电探测器分区成像，满足系统轻量化设计的同时扩大了探测视域，使复眼系统达到成本低、体积小、质量轻、探测域广等优势，可搭载于小型无人设备、低速弹箭等载荷受限的平台上，为其提供大视场视觉成像与探测支持，也可独立使用，完成大视场监控、识别、预警等机器视觉探测任务。

技术领域

本发明属于大视场光学成像系统与仿生复眼成像探测器技术领域，具体涉及一种紧凑型光路折叠反射式大视场复眼成像光学系统及其成像方法。

背景技术

现阶段常规视觉成像与探测装置均采用单镜组-单光电探测器构型，即传统单孔径成像相机组。受到光学成像原理与映射关系制约，单孔径探测器的视场角与焦距成反比例关系，导致这类成像系统为实现大视场探测能力时，必须以牺牲探测距离和进一步扩大系统口径作为代价。但若想在扩大探测视域的前提下进一步实现系统小型化，这种构型则已经到达了优化极限。

为突破单孔径系统的成像限制，研究人员依据昆虫复眼的成像原理与结构特点，展开了人工仿生复眼成像探测器的研究。其中，公开专利CN211786240U利用光纤集束将多个子眼镜组耦合至一个光电探测器靶面上，实现多视角同步成像，突破高分辨率和大成像视场的矛盾，能够实现三维空间定位、运动目标快速跟踪、超分辨重建与识别等仿生功能特征；公开专利CN107718611B融合3D打印和负压模具成型技术，生产出有机硅柔性曲面复眼薄膜，该类型复眼制备流程操作简单，加工周期短，可拓展性强有效的解决了现有技术中生产不同微透镜曲率仿生复眼产品的便利性和低成本难以兼顾的问题；公开专利CN104165626B通过光学中继系统扩大视场角，设计出可将入射光聚焦到曲面分布的探测器阵列上成像的仿生复眼成像目标定位系统，该系统结构简单、紧凑、成本低，并具有探测范围广、高分辨率、高识别概率以及定位准确等特点。上述专利对仿生复眼发展起到了关键作用，但仍存在一定的局限。例如，公开专利CN211786240U中光纤成像束加工装配困难、光通量映射不足，所采用的大靶面光电探测器成本较高，导致设备难以量产；公开专利CN107718611B虽然有效降低了制作成本与加工难度，但曲面柔性复眼眼膜仅支持在基底上加工出单透镜子眼，这种结构的复眼眼膜探测距离近、成像质量较低，无法在实际成像与探测环境中应用；公开专利CN104165626B视场大、分辨率较高，但探测器内部光学空间利用率较低，导致系统整体尺寸较大，不同位置子眼光程不一致，导致位于视场边缘的子眼成像像差较大，对后续成像与识别探测将产生一定的影响。在面对真实探测环境时，常规复眼探测器均存在一定的局限。

目前，国内外尚未实现复眼系统在广域探测、低成本、高清成像、快速响应与设备轻量化上的均衡。

发明内容

针对现有技术中存在的多相机阵列复眼系统体积质量较大、备件成本较高、图像数据生成量过高等问题，本发明提供一种光路折叠反射式大视场复眼成像光学系统及其方法，设计多通道-单探测器的大视场仿生复眼成像系统，通过光路折反与光程归一的方式，实现多视角子眼像面共面与单光电探测器分区成像，满足系统轻量化设计的同时扩大了探测视域，使复眼系统达到成本低、体积小、质量轻、探测域广等优势，可搭载于小型无人设备、低速弹箭等载荷受限的平台上，为其提供大视场视觉成像与探测支持，也可独立使用，完成大视场监控、识别、预警等机器视觉探测任务。其具体技术方案如下：

一种光路折叠反射式大视场复眼成像光学系统，系统为N层级成像结构，N≥1，每层级成像结构由相邻通道下主光轴互相垂直且位于同一平面的三个子眼通道以及一个光电探测器构成，具体包括光电探测器靶面1、边缘子眼镜组2、中心子眼镜组3和换向棱镜4；如图13所示；