双视场双分辨率融合型广角光学系统及设计方法和装置与流程

本发明涉及光学设计领域，具体涉及一种双视场双分辨率融合型广角光学系统及设计方法和装置。

背景技术：

1、成像光学系统的目标是将待观测景物清晰地成像至像面，并满足观测场景所需的物像投影映射需求。在物像相似的要求下，一般采用针孔模型，即等线投影，满足f-tanθ投影关系。随着视场角的增大，tanθ数值迅速变大，但探测器的尺寸有限，所以产生了等距投影，满足f-θ映射关系，并衍生出了体视投影映射、等立体角投影映射、正交投影映射等多种投影映射关系。还有一些更为复杂的观测场景，产生了更具个性的物像投影需求。例如，车载前视摄像头，提出了兼具大视场和高分辨的需求。大视场和高分辨看似一对矛盾，但解析车载前视摄像头的应用场景，其观测需求为超大视场，中央视场分辨率高，边缘视场分辨率可降低。上述由中央视场到边缘视场逐渐降低的观测分辨率需求则产生了更为复杂的物像映射关系。

2、物像映射关系可以由焦距和畸变这两个参数共同表征，在光学设计时通过优化控制这两个参数则可以实现f-tanθ等线投影或f-θ等距投影的映射目标。当物像映射关系趋于复杂时，常规的方式则是追迹计算并控制各采样视场的像高，但该方法所需的采样追迹计算量大。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种双视场双分辨率融合型广角光学系统及设计方法和装置，对于成像特性的调控具有灵活、直接和精准的特性，可以满足更具个性的观测场景需求。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种双视场双分辨率融合型广角光学系统的设计方法，充分发挥局部参数在调控光学系统随视场变化的局部光学特性方面的优势，采用视场相关的局部参数作为优化控制目标，实现多类型观测场景下，复杂物像映射关系和不同分辨率调控的广角光学系统及设计方法。本发明的设计方法为：分析双视场双分辨率融合型广角光学系统设计指标的要求，进行视场区域的划分，设置渐变视场，保证中央视场和边缘视场的局部焦距不发生跳变，并计算中央视场和边缘视场局部焦距和局部f数的目标分布；优化控制双视场局部参数，一并控制渐变视场的像差，重复优化迭代，直至核心参数局部焦距和局部f数的设计值和计算分布值的结果偏差不大于±5%，各采样视场达到衍射极限，同时，全视场相对照度不低于90%。具体包括以下步骤：

4、步骤1、确定设计目标，划分视场区域。

5、步骤2、根据视场区域建立光学系统随视场变化的局部焦距分布函数和局部f数分布函数。

6、步骤3、根据局部焦距分布函数追迹计算采样视场的局部焦距。

7、步骤4、根据局部f数分布函数追迹计算采样视场的局部f数。

8、步骤5、优化控制局部焦距和局部f数，一并控制渐变视场区域优化控制系统像差。

9、步骤6、优化迭代，直至满足双视场双分辨率广角光学系统的设计目标。

10、优选的：步骤2中根据视场区域建立光学系统随视场变化的局部焦距分布函数和局部f数分布函数的方法：

11、对于中央视场和边缘视场内的视场，追迹相对该视场角下极小视场角增量的主光线，在焦面上获得对应的像高增量，对该像高与视场角的映射关系求偏导，推导得出光学系统随视场变化的局部焦距分布函数。得出随视场变化的入瞳得到局部入瞳分布函数。

12、根据局部焦距和局部入瞳得出光学系统随视场变化的局部f数分布函数：

13、。

14、其中，表示局部f数分布函数，表示局部焦距分布函数，表示局部入瞳分布函数。

15、优选的：步骤5中优化控制局部焦距和局部f数，一并控制渐变视场区域优化控制系统像差的方法：

16、

17、其中，表示系统像差，表示视场一成像分辨率，表示视场二成像分辨率，表示全视场中的观测点，表示视场一中的观测点，表示视场二中的观测点，表示局部焦距分布函数，表示局部f数分布函数，表示趋近，表示局部焦距目标值，表示局部f数目标值，表示全视场，表示全视场中的中央视场，表示全视场中的边缘视场，表示全视场中的渐变视场。

18、优选的：步骤1中根据双视场双分辨率设计指标要求，选择成像接收器。分析场景观测的目标，确定融合型双视场双分辨率光学系统的设计目标，同时对视场区域进行划分，分为中央视场、边缘视场和渐变视场。

19、优选的：步骤3中根据局部焦距分布函数追迹计算采样视场的局部焦距的方法：在中央视场和边缘视场的各采样视场上，以该视场的主光线作为局部光轴，追迹旁轴光线获得像高增量，从而根据局部焦距分布函数计算得到局部焦距。

20、优选的：步骤4中根据局部f数分布函数追迹计算采样视场的局部f数的方法，根据前序光学元件的折反射特性，逆向追迹获得视场角分别为θ和θ+δθ的各3根特征入射光线，特征入射光线经过前序光学元件偏折后分别过孔径光阑边缘和中央，视场角分别为θ和θ+δθ的各3根特征入射光线的延长线的交汇处即为局部入瞳。将局部入瞳和步骤3得的局部焦距代入局部f数分布函数中得到局部f数。

21、优选的：步骤6中优化迭代直至满足双视场双分辨率广角光学系统的设计目标的方法：判断核心参数局部焦距和局部f数的设计值和计算分布值的结果偏差不大于±5%，各采样视场的衍射斑大小在艾里斑范围之内，同时，全视场相对照度不低于90%，优化迭代，直至实现满足融合型双视场双分辨率的光学系统的设计。

22、一种双视场双分辨率融合型广角光学系统的设计装置，采用上述双视场双分辨率融合型广角光学系统的设计方法，包括目标确定视场区域划分单元、局部焦距局f数分布函数建立单元、追迹计算单元、优化控制单元、迭代优化单元，其中：

23、所述目标确定视场区域划分单元用于确定设计目标，划分视场区域。

24、所述局部焦距局f数分布函数建立单元用于根据视场区域建立光学系统随视场变化的局部焦距分布函数和局部f数分布函数。

25、所述追迹计算单元用于根据局部焦距分布函数追迹计算采样视场的局部焦距，根据局部f数分布函数追迹计算采样视场的局部f数。

26、所述优化控制单元用于优化控制局部焦距和局部f数，一并控制渐变视场区域优化控制系统像差。

27、所述迭代优化单元用于优化迭代，直至满足双视场双分辨率广角光学系统的设计目标。

28、一种双视场双分辨率融合型广角光学系统，包括成像接收器、广角镜头，所述成像接收器用于接收广角镜头光线并成像，所述广角镜头的局部焦距与局部f数由上述双视场双分辨率融合型广角光学系统的设计方法得到。

29、优选的：所述广角镜头包括按光路设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜，其中，第一透镜、第二透镜为非球面的凸凹透镜，第七透镜为非球面的凸透镜。

30、本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

31、采用视场相关的局部参数作为优化控制目标，实现多类型物像映射关系和分辨率的精准调控，对于成像特性的调控具有灵活、直接和精准的特性，可以适应不同场景的观测需求。