多通道宽场成像系统以及用于在其中使用的光学系统的制作方法

本公开内容总体上涉及光学系统的领域，并且具体地涉及用于在具有多个图像传感器的成像系统中使用的光学系统，其中所检测的在某些波长范围中的图像信号幅度比其他波长范围中的更微弱几个数量级。

背景技术：

在诸如相机的成像系统中，从物体场景捕获光发射并且使用所捕获的光来在像平面处构建物体场景的空间和色度（chromatic）表示。图像可以由检测器或光敏介质来记录。这样的成像系统可以通过它们的操作空间以及它们在操作空间内的性能来表征。

成像系统的操作空间可以包括例如角视场、工作距离以及光谱带宽。成像系统的性能可以包括例如空间分辨率、跨像平面的相对照度以及低光照条件的系统灵敏度。

当物体的图像由成像设备（诸如相机）来形成时，可以用各种参数来描述成像设备对光学信息的影响。例如，点源的图像将根据成像设备的点扩散函数（psf）而改变。psf表征当构建图像场景时成像设备如何改变物体场景中的精细细节。图像展示由设备带来并且另外原本不是物体的一部分的像差。更一般地，像场分辨率和对比度将由成像设备的调制传递函数（mtf）来确定。psf和mtf二者可以展示波长依赖性、系统孔径几何形状依赖性和像差依赖性；即对于不同的波长mtf可能是不同的并且对于不同的孔径几何形状mtf可能是不同的，并且mtf还可能依赖于最后的波前被衍射受限或像差受限的程度。

psf、mtf以及真实成像系统的其他这样的参数计及并包括衍射效应和像差效应。例如，如果在成像系统中引入像差，则mtf和psf二者可能改变，从而使图像质量下降。当孔径被减小时，跨整个视场像差受限的系统可能示出改进的性能。然而，在这样的系统中，一个波长可能主要对离轴性能退化负责。

一些成像系统相比于轴上而言在离轴处展示更多的像差并且可能利用渐晕来控制原本会对图像质量产生不利影响的离轴像差。渐晕包含选择性地阻止周围的射线到达像平面。例如，可以通过阻止与离轴场位置相关联的某些射线到达像平面来减小彗差。这些射线可被阻挡在系统孔径光阑之前和/或之后的区域中。可能通过限制（渐晕）孔径的插入或通过不会位于系统孔径光阑处的尺寸过小的透镜来阻挡该射线。然而，在对多于一个波长成像的系统中（在这里不同的波长具有不同的强度），这样的渐晕可能在低强度波长处减少太多光，以使得对于低强度波长的图像可能不可辨别。

技术实现要素：

一个或多个实施例针对一种用于与多通道宽场成像系统一起使用的光学系统，该光学系统包括：物镜；用来将光分成第一波长范围和第二波长范围的二向色元件，该二向色元件被定位成从该物镜充分接收平行的主射线；用来从二向色元件接收第一波长范围的光的第一通道透镜系统；以及用来从二向色元件接收第二波长范围的光的第二通道透镜系统。

该物镜可以输出在二向色元件的规格内的半锥角内的边缘射线。

该第一波长范围和第二波长范围可以具有相差至少一个数量级的强度。

该第二波长范围可以具有比第一波长范围更低的强度并且第二通道透镜系统的孔径光阑可以比第一通道透镜系统中的孔径光阑更大。

该二向色元件可以在光学系统中的限制孔径之前。

该第一和第二通道透镜系统可以具有分开且独立的限制孔径。

与共用物镜结合的该第一和第二通道透镜系统可以具有焦点后移的形式。

该第一和第二通道透镜系统的透镜元件可以具有完全相同的透镜规定（prescription）。

该光学系统可以是图像空间远心的。

该光学系统可以包括向第三通道透镜系统输出光的在第一和第二通道透镜系统之一中的另一二向色分束器。

在第一通道透镜系统中的、在第二通道透镜系统中的和在第三通道透镜系统中的透镜可以具有完全相同的透镜规定。

该第二通道透镜系统和第三通道透镜系统中的每一个都可以具有比第一通道透镜系统中的孔径光阑更大的孔径光阑，用于第二和第三通道透镜系统的孔径光阑可以具有相同的尺寸。该第一通道透镜系统的孔径光阑可以是与第二通道透镜系统的孔径光阑不同的形状。

该第一通道透镜系统的孔径光阑可以是与第二通道透镜系统的孔径光阑不同的尺寸。

该第一通道透镜系统的孔径光阑可以具有简单的几何形状，例如圆形、方形或多边形，并且该第二通道透镜系统的孔径光阑可以是傅立叶孔径。

一个或多个实施例针对一种成像系统，其包括上述光学系统以及用来在每个通道透镜系统中检测对应波长范围的相应通道中的相应传感器。

一个或多个实施例针对一套件，其包括：物镜；用来将光分成第一波长范围和第二波长范围的二向色元件；用来接收第一波长范围的光的第一通道透镜系统；以及用来接收第二波长的光的第二通道透镜系统，该第一和第二通道透镜系统具有完全相同的透镜规定。

该第一通道透镜系统的孔径光阑可以是与第二通道透镜系统的孔径光阑不同的形状。

该第一通道透镜系统的孔径光阑可以是与第二通道透镜系统的孔径光阑不同的尺寸。

该第一通道透镜系统的孔径光阑可以具有简单的几何形状，例如圆形、方形或多边形，并且该第二通道透镜系统的孔径光阑可以是傅立叶孔径。

一个或多个实施例针对一种对多通道宽场光进行成像的方法，该方法包括：提供入射在共用物镜上的要被成像的所有光；通过二向色元件将来自共用物镜的光分成第一波长范围和第二波长范围，该二向色元件处在相对于共用物镜的位置以使得该二向色元件充分接收平行的主射线；将来自二向色元件的第一波长范围的光提供给第一通道；以及将来自二向色元件的第二波长范围的光提供给第二通道。将会认识到，本发明的各方面中的任一个可以被组合。还将清楚的是，所提到的所有特征和选项可以被组合。

附图说明

通过参考附图来详细描述示例性实施例，对本领域技术人员来说特征将会变得显而易见，在附图中：

图1图示根据一个实施例的多通道宽场分析系统的示意图；

图2a和2b图示共用物镜和通道的第一元件之间的光线路径；

图3图示根据一个实施例的多通道宽场成像系统；

图4图示对于图3的成像系统的透镜解决方案；

图5a至5c图示在图3的成像系统中在不同波长范围处的性能；

图6图示根据一个实施例的多通道宽场成像系统；以及

图7图示根据一个实施例的多通道宽场成像系统。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述示例实施例；然而，它们可以以不同形式来体现并且不应该将它们解释为对本文中所阐述的实施例的限制。而是，提供这些实施例以使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达示例性实施方式。

定义

“串扰”指的是被朝向不正确的传感器指引且被不正确的传感器检测的光。该光遵循正确的几何路径，但是不遵循正确的色度路径。

“完全滤光的光”指的是仅包括意图用于（一个或多个）下游传感器的波长的光。“部分滤光的光”指的是主要包括意图用于（一个或多个）下游传感器的波长的光，但是其中可检测、但是可接受的光水平不意图用于（一个或多个）下游传感器。归因于成本、校准需求、以及与实现完全滤光的光相关联的其他问题，依据特定场景可能采用部分滤光的光。被滤光器反射的光可能是经过完全滤光的，而所透射的光束不是经过完全滤光的，或者反之亦然。而且，被认为在一个接合点处经过完全滤光的光可能在后续的一个接合点处被再次分离，在这之后输出可能在它们的后续相应路径中被完全滤光或可能不被完全滤光。

“杂散光”指的是被入射在不应该在那里的检测器上的任何光，不管它是如何产生的并且不管它采用什么路径。

“主射线”指的是从物体上的一个点发射以使得它在孔径光阑处跨过系统的光轴的射线。每个物体点发出一个主射线并且每个主射线携带广泛范围的波长。

“边缘射线”指的是从物体上的一个点发射以使得它在孔径的极限处经过光学系统的孔径的射线。每个物体点都发出边缘射线，当它们经过系统光阑时，刻画出其形状和尺寸都等于光阑形状和尺寸的周长。使系统光阑缩小减小由在物面处发出的一组边缘射线包含的接受角。

“透镜”是具有光学能力的任何元件。

概述

针对人眼设计的光学系统可能被优化用于可见光谱，其中特定权重被给予光谱的中间部分或绿色部分。然而，在其中电子图像传感器位于像平面中的成像系统可能会在包括可见、紫外、近红外区域等等的更大得多的光谱区域上操作。成像系统的设计变得更复杂，因为其操作带宽增大了。

特别地，在来自于不同源（例如直接来自于照明源、从物体反射或者被物体透射、直接观察、等等）的波长范围上操作的成像系统可以处理针对不同波长范围而广泛变化的图像信号强度。例如，在具体波长范围中并且具有相对大强度的图像信号可能受益于用以改进图像的一些射束校正，但是在具有相对低强度的波长范围中的图像信号可能承受不起这样的校正施加的光的损失。

根据一个实施例的一种成像系统可能提供：（a）促进不同光谱区域中的信号的同时成像且具有相差几个数量级的强度的与波长有关的通道；（b）不会跨视场而改变的如所检测的分辨率和对比度；以及（c）跨一些或所有传感器而消除的色度串扰。

根据实施例，下面的约束通知在这样的成像系统中使用的光学设计：

1）该系统形成提供为算法的输入的多个图像。这些图像要被实时同时读取，具有几乎完全相同的视场，并且具有几乎完全相同的扭曲和放大，即两个或更多个图像可能是可叠加的。

2）该系统在针对不同波长范围的多个通道上操作，在这里一些通道展示在其中信号通量处于不同于其他信道的数量级从而要求杂散光在低通量传感器的适当消光（extinction）的吞吐量以及低通量光的高吞吐量。

3）该系统中的分束器应该最小化或消除与物体场位置相关联的反射或透射依赖性，诸如可能造成色调（hue）在像平面处的变化。

4）当独立的传感器被定位用于最佳聚焦时，该系统应该最小化或消除与通道有关的放大倍数误差。

5）该系统应该最小化或消除场响应衰减（roll-off），即当物体特征横向移动跨过视场时，减小或防止如所检测的该物体特征的颜色或强度变化，假设到物体的距离以及入射在物体上的照明尚未改变。

6）当来自一个检测器的输出将通过后处理充当用于对来自另一检测器的输出的校正动作的基础时（例如，使用激光反射的图像来调整如可能起因于物体到硬件距离变化的在其他波长处的响应变化），采样后的mtf可能不仅仅是跨该场不变的，而且是跨两个或更多个检测器不变的。

鉴于上述情况，根据实施例，以下设计方面中的一个或多个可以被合并到成像系统中：

1）该通道可以共享物场处的共用光轴并且可以具有在各通道之中的几乎完全相同的透镜设计规定。

2）可以从来自传感器上游的射束分出（一个或多个）高通量波长范围。

3）使高通量从低通量通道分离的分束器可以位于物镜之后且在（一个或多个）限制孔径之前。

4）该分束器可以根据波长范围而不是放大率（power）或偏振来将射束分离。

5）该分束器可以被定位在对于所有场位置的主射线都几乎平行的地方。

6）用于插入该分束器的区域可以具有适宜于分束器的入射角和入射锥角（或半角）的组合规范的宽高比。

7）限制孔径（或f光阑）可能被提供有通道专用光学器件，不具有光学器件的共享部分。例如，（一个或多个）低光通道可以具有快速f数，而（一个或多个）明亮的光通道可以具有低f数。

8）该图像空间可能被制造成远心的或接近远心的。

9）可能不存在离轴射线的渐晕。

10）可以选择对于一个通道的f光阑以便实现与另一通道的mtf相类似的所检测的mtf。

通用系统

图1图示根据一个实施例的分析系统10的多通道成像系统1000的示意图。该分析系统10还可包括照明源以及相关联的光学器件20，其向然后通过多通道成像系统1000来成像的目标提供照明。一般来说，该照明源可以包括用于目标的可视化的（一个或多个）波长范围（不限于可见波长）以及用于关于目标的附加信息的（一个或多个）波长范围。将参考图3、6和7来详细讨论该通用系统的具体示例、以及具体光学元件的细节。

该多通道成像系统1000包括共用物镜1010和分束器区域1020。该分束器区域1020可包括至少一个二向色分束器。区域1020中的分束器将来自共用物镜1010的射束分为多个（在这里）三个通道，并且可包括多于一个元件。这三个通道说明了可在多通道成像器1000中采用的不同类型的典型通道。

第一通道1100接收第一波长带的光并且包括光学元件1110和第一通道孔径1120（统称为第一通道光学系统）、以及图像传感器1190。该孔径1120可以在光学元件1110之前、之中或之后，这取决于光学设计。

第二通道1200接收第二波长带的光并且包括光学元件1210和第二通道孔径1220。该第二波长带的光然后被分束器1230分离以创建多个子通道（在这里两个子通道），每一个都接收第二波长带的子带。第一子通道1240接收来自分束器1230的经过部分滤光的光并且包括附加的光学元件1242和传感器1244。第二子通道1250接收来自分束器1230的经过部分滤光的光并且包括附加的光学元件1252和传感器1254。第二通道1200中的除了传感器1244、1254之外的所有元件共同形成第二通道光学系统。该第二通道孔径1220可以在光学元件1110之前、之中或之后，这取决于光学设计。

第三通道1300接收第三波长带的光并且包括光学元件1310和第三通道孔径1320。该第三波长带的光然后被分束器1330分离以创建多个子通道（在这里两个子通道），每一个都接收第三波长带的子带。第一子通道1340可包括用来消除被分束器1330透射到第一子通道1340的任何不想要的波长的拒绝滤光器1346。该第一子通道1340然后将经过完全滤光的光透射到附加光学元件1342和传感器1344。该第二子通道1350从分束器1330接收经过部分滤光的光并且包括附加光学元件1352和传感器1354。第三通道1300中的除了传感器1344、1354之外的所有元件共同形成第三通道光学系统。该第三通道孔径1320可以在光学元件1310之前、之中或之后，这取决于光学设计。

如在图1中所指示的，分束器1020被提供在用于与波长有关的射束分离的最优区域中。当分束器1020包括二向色元件时，可以在1）被共用物镜1010透射的与场有关的射线束具有几乎平行的椎体且2）具有最大锥角的边缘射线在对于分束器1020的接受角内时实现该最优区域。

图2a和2b图示关于在二向色分束器1020被插入用于分离波长带的区域中出现的射线的约束。图2a图示对于共用物镜1010之后的主射线的位置和方向，在这里被图示为三合透镜。图2a和2b中的剩余透镜（“通道光学器件”）和传感器在相应通道中。射线1指示对于轴上场位置的主射束并且射线2和3指示对于极端离轴场位置的主射线，其中剩余的主射线在射线2和3之间。通过使对于所有场位置的主射线在二向色被插入的区域中几乎平行，该二向色减小或消除与物场位置相关联的反射或透射依赖性（诸如可能造成色调在像平面处的变化）。增加平行性可能通过增加在二向色分束器1020之前和之后的透镜元件之间的距离来实现。换言之，当共用物镜1010和分束器1020之间的空间增大时主射线会变得更平行。这可能导致共用物镜1010中更多放大率（在这里负的三合透镜）以及通道光学器件中更大（即就直径来说）的第一透镜元件（在这里双合透镜）。如可在图2a中看到的，使来自共用物镜1010的主射线1、2、3足够平行，使得射线束相对于二向色分束器1020规范来说是有效地足够类似的。根据跨各种波长范围的各种反射和透射特性来指定该二向色分束器1020。然而，另一组参数涉及到入射角和锥半角。

参考图2b，现在对等同边缘射线进行比较。对于上场位置的上边缘射线被标记为1a。对于下场位置的上边缘射线被标记为2a。它们相对于光轴的角被分别标记为1b和2b。这两个角中的更大的角等于或小于针对二向色分束器1020的入射射束规范所定义的半锥角。

下面表1中的规定为满足上面指出的约束的设计形式提供示例解决方案。可以提供其他解决方案，因为多个解决方案都将满足如上面在概述中总结的设计形式的相同要求。

表1：

在这里，为了说明该表格，参考表1的具体规定。存在该表格的其他变化。如果操作空间和/或性能要求改变，则透镜设计和滤光器选择可能被简化或变得更复杂。

示例1

图3图示根据一个实施例的宽场成像系统2000。该宽场成像系统2000包括共用物镜2010、分束器2020、第一通道2100、第二通道2200和第三通道2300。表1的规定可以与该实施例一起使用。

来自物体的光进入共用物镜2010，在这里被图示为三合透镜。分束器2020（例如二向色元件）将光分成两个波长带。在该特定示例中，分束器2020将第一波长范围反射到第一通道2100，并且将第二波长范围透射到第二和第三通道。在该特定实施例中，该第一波长范围比第二波长范围更强。

该第一通道2100可包括用于将光朝向透镜2120、空间光阑2130和检测器2190重新指引的反光镜2110。

相应地通过另一分束器2204（例如二向色元件）将该第二和第三通道2200、2300分成第二波长范围内的更长和更短波长范围。在第一波长范围的一些光被分束器2020透射到第二和第三通道的情况下，拒绝滤光器2202可以被定位在分束器2204之前。

该第二和第三通道2200、2300中的每一个都可以包括用于将光朝向检测器2290、2390、光学元件2220、2320、以及孔径光阑2230、2330重新指引的反光镜2210、2310。该第二和第三通道中的每一个都可包括拒绝滤光器2240、2340。

当已经用激光照亮被成像系统2000成像的目标并且响应于激光而发荧光时（例如成像系统被用在开放场手术（openfieldsurgery）或临床评估中），该第一波长范围可以包括可见光和激光，并且该第二波长范围可以包括荧光。该第一波长范围具有比第二波长范围更短的波长和更亮的光，例如该第二波长范围可以包括比第一波长范围中的光更微弱一个或多个（例如四个或五个）数量级的近红外（nir）光。该第二波长范围可以被分成用于第二通道2200的更短nir和用于第三通道2300的更长nir。

如上面在概述中指出的，该光学元件可能在通道内具有完全相同的透镜规定。如果在本文中所使用的，完全相同的透镜规定意指不管相关联的波长范围或通道如何透镜材料和透镜几何形状是相同的。然而，空气到玻璃涂层可以是完全相同的或者可以是与波长范围有关的。

如图4中所示的，来自共用物镜2010且被分束器2020分离的光被入射到透镜2030、2040和2050上，并且在被入射在相应的图像传感器2190、2290和2390上之前经过相应的空间光阑2130、2230、2330。在本文中示出且上面在表1中详述的特定设计中，透镜2030和2040是具有在双合透镜2040之前的孔径光阑的双合透镜。在第二和第三通道中的微弱信号可以具有相对更大的孔径光阑（例如f/2光阑），而更强的信号可以具有更小的孔径光阑（例如f/5.6光阑）。最后的透镜2050可以是负的弯月透镜。换言之，用于更低强度光的孔径光阑的开阔区（openarea）可能比用于更高强度光的孔径光阑的开阔区更大。

通道透镜2030、2040和2050可以具有净的正放大率，以使得在与共用物镜2010组合的情况下每个光学系统将具有焦点后移的形式，即前向组具有负放大率，后向组具有正放大率，并且后焦距超过有效焦距。此外，在与共用物镜2010组合的情况下，通道透镜2030、2040和2050可以是图像空间远心的，以使得不管在传感器处最佳聚焦的轴色或轴位置如何，在相应传感器2190、2290、2390处产生的图像可以具有相同的尺寸。靠近传感器的射线椎体具有相同的入射角和角距（angularsubtense），即图像空间是远心或接近远心的，并且经过系统的射束是非渐晕的，在像平面中的每个地方图像都被均匀照亮。

图5a至5c图示空间频率相对mtf和对于nir的离焦mtf、激光反射以及图3的成像系统2000中的可见光的关系。如可在其中看到的，通过表1中的参数指定的设计允许信道在f/2或更高操作，具有40度的全视场，并且在从460nm到900nm的光谱区域中。该规定可以被修改并被优化以包括满足上面在概述中阐述的条件的其他波长、其他视场、其他f数、等等。

示例2

图6图示根据一个实施例的宽场成像系统3000。该宽场成像系统3000包括共用物镜3010、分束器3020、第一通道3100和第二通道3200。表1的规定可以与该实施例一起使用。该第一通道包括反光镜3130、光学元件3120、第一孔径光阑3110、和传感器3190。该第二通道包括拒绝滤光器3030、反光镜3230、光学元件3220、第二孔径光阑3210、和传感器3290。

当已经用激光照亮被成像系统3000成像的目标时，背向散射的光将形成随机干涉图样，即散斑图样。当目标中存在运动时，该散斑图样改变。在这里，第一波长范围可以包括可见光且第二波长范围可以包括激光。在这里，分束器3020将来自共用物镜3010的光分离成用于第一通道3100的可见波长范围和用于第二通道3200的激光波长范围。该第一通道中的孔径光阑3110可以具有简单的几何形状，即圆形、方形或多边形（像一般情况一样），而该第二通道中的孔径光阑3210可以具有用于与散斑成像一起使用的孔径（例如傅立叶孔径）。

示例3

图7图示根据一个实施例的宽场成像系统4000。该宽场成像系统4000包括共用物镜4010、分束器4020、4025、4030、4040、4050、第一通道4100、第二通道4200、第三通道4300、第四通道4400、第五通道4500和第六通道4600。表ii的规定可以与该实施例一起使用。

表ii：

该成像系统4000可以对荧光、激光散斑、激光反射和白光进行成像。第一分束器4020可以透射高通量光并反射低通量光。

该高通量光被入射在第二分束器4025上，该第二分束器4025可以包括或可以不包括二向色元件，其将可视化波长反射到包括透镜4110、孔径光阑4120和传感器4190的第一通道4100中。该第二分束器4025将激光反射和激光散斑光透射到第三分束器4030，该第三分束器4030将激光反射光反射到第二通道4200并将激光散斑光透射到第三通道4300。该第二通道4200包括透镜4210、孔径光阑4220和传感器4290。该第三通道4200包括透镜4310、孔径光阑4320和传感器4390。该第二和第三通道4200、4300的第一透镜可以在第三分束器4030之前，以使得第一透镜被共享，即可以是两个通道4200、4300的共用透镜。

该低通量光被入射在第四分束器4040上，该第四分束器4040将可见荧光反射到第四通道4400并透射nir荧光。该第四通道包括透镜4410、孔径光阑4420和传感器4490。第五分束器4050反射更短波长nir荧光并透射更长波长nir光。该第五通道4500包括透镜4510、孔径光阑4520和传感器4590。第六通道包括透镜4610、孔径光阑4620和传感器4690。该第五和第六通道4500、4600的第一透镜可以在第五分束器4050之前，以使得第一透镜被共享，即可以是两个通道4500、4500的共用透镜。

通过总结和回顾的方式，一个或多个实施例可以提供：与波长有关的通道，其促进具有相差（一个或多个）数量级的强度的光谱区域的同时成像；如所检测的分辨率和对比度，它们基本上是跨视场恒定的，以使得叠加是有用的；以及/或者减小或消除跨一些或所有传感器的色度串扰。

尽管已经结合详细示出和描述的各种实施例图示和描述了本公开内容，但是不意图将其限于所示出的细节，因为可以在不以任何方式偏离本公开内容的范围的情况下做出各种修改和结构改变。可以在不以任何方式偏离本公开内容的范围的情况下做出所图示的实施例的操作的形式、部件的布置、步骤、细节和顺序的各种修改以及本公开其他实施例，并且在参考该描述时这些对本领域技术人员将是显而易见的。因此，设想所附权利要求将覆盖这样的修改和实施例，就像它们落入本公开内容的真实范围内一样。为了清晰和简洁描述的目的，在本文中特征被描述为相同或分开的实施例的一部分，然而，将会认识到本公开内容的范围包括具有所述特征中的一些或所有的组合的实施例。对于术语“例如”和“诸如”以及其语法等同物，短语“并且没有限制”被理解为遵循，除非另有明确说明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。