光场多光谱相机像方远心镜头光学设计

摘要：光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力，利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息，实现目标表面光谱信息的真实记录，基于光场多光谱成像原理，采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割，设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm，焦距为240 mm，F数为4，全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明：设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。

关键词：光场成像；光谱成像；光学设计；像方远心；微透镜阵列

引言

光学成像遥感技术以全新的方式让人们感知目标的特征，现已成为获取目标众多信息最为常用的方式，被广泛应用于生态环境监测、军事侦察等领域。光学成像遥感方式包括：可见光成像、光谱成像和偏振成像等。从光学遥感的发展趋势来看，光谱成像将成为光学成像领域强有力的辅助技术。光谱成像技术的类型包括：滤光片型、光栅衍射型、棱镜色散型和干涉型等。滤光片型是在成像光路的特殊位置添加多光谱分光滤光片阵列，通过光谱范围获取目标不同波段的光谱信息。光场成像技术可以在一次曝光中记录物空间的光场信息，1936年，Gershun首次提出光场的概念，定义光场为光辐射在空间不同位置、不同方向上的传播。1991年，Adelson等人提出利用七维函数表征光场，称为全光函数。之后众多学者对光场的定义进行了不同程度上的简化与表征，1996年，Levoy等人提出在某一时刻下，同时忽略光辐射沿着光线传播路径上的能量衰减，利用光线和两个平行平面的交点来表征光场，将光场简化为一个四维函数。

光场多光谱成像光学系统由多光谱分光滤光片阵列、主透镜成像系统和微透镜阵列组成。在主透镜光学系统入瞳位置添加多光谱分光滤光片阵列，实现主透镜光学系统孔径的分割；微透镜阵列置于主透镜光学系统的像方焦面位置，每个微透镜阵列子单元记录光线对应相同位置不同视角的场景图像，从而构成光场多光谱成像光学系统。本文根据多光谱成像原理，设计了一款专门应用于微透镜阵列型光场多光谱成像的像方远心光学系统，该光学系统均未采用特殊面型，从而降低了加工成本。

1.光场多光谱成像

‍‍‍‍如图1所示，在传统光学成像系统像面附近放置微透镜阵列，将面阵探测器置于微透镜阵列焦面位置处，即构成光场成像系统。设目标平面为(X0,Y0)，为方便分析将主透镜系统简化为理想透镜，定义主透镜系统入瞳平面为(U,V)，微透镜阵列平面为(S,T)，探测器平面为(Xd,Yd)，物点到主透镜镜面距离为L，主透镜焦距f1，微透镜焦距f2。主透镜入瞳子孔径坐标为(u,v)、微透镜阵列子单元坐标为(s,t)、微透镜(s,t)下的像素为(xd,yd)。

‍‍‍‍‍‍‍‍

图1.光场成像系统示意图

......

2. 光学系统设计

光场多光谱成像系统中，主透镜的一次像面位置处放置微透镜阵列。为了使不同视场子孔径主光线都能垂直入射微透镜单元，系统采用像方远心光学系统设计（如图5所示），以避免不同视场子孔径主光线到达探测器像元与微透镜单元中心偏离，造成光谱重构误差，如图6所示。像方远心光学系统是将孔径光阑置于物方焦平面附近，使得像方主光线会聚到像方无限远处[17]。考虑到光谱范围以及帧频等需求，最终选定探测器为OnSemi PYTHON 25k CMOS图像传感器，像素为5 120×5 120 pixel，像素尺寸4.5 µm×4.5 µm。

图5.像方远心设计方案

图6.非像方远心设计方案

2.1 系统设计参数

根据系统应用指标要求，系统设计焦距为240 mm，F数为4，工作波段400 nm～1 000 nm。像方远心度最大视场不高于0.05°。根据探测器横纵像素尺寸以及最小像元尺寸计算可得光学系统对角线尺寸为

式中：M、N分别表示探测器横纵像素数；d为最小像元尺寸。

由（11）式可以计算得到像面对角线约为32.58 mm。最终确定光学系统主要设计指标如表1所示。

‍‍

......

2.3 设计结果

优化完成后最终系统由多光谱滤光片阵列，两片单透镜，四组双胶合透镜组成。二维视图如图8所示，系统整体渲染图如图9所示。

图8.系统结构视图

图9.系统渲染图

......

5. 结论

本文设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统采用多光谱滤光片阵列进行入瞳孔径的分割，可以在一次曝光中快速地获取目标的光谱信息。系统由一个多光谱滤光片阵列、4组双胶合透镜和两片单透镜组成，均未使用特殊面型，很大程度上降低了加工成本。像质评价以及成像质量公差分析结果表明：光学系统MTF值全视场在110 lp/mm处高于0.28，成像质量良好，同时满足加工以及实际使用要求，将在光场多光谱成像系统中具有重要的应用价值。

鉴于篇幅问题，本文仅为节选（应用光学, 2020, 41(3): 603-610, 617.），可阅读原文下载全文PDF文档。