CN100465699C - 利用棱镜分光渐晕补偿实现多ccd无缝拼接的光电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用棱镜分光渐晕补偿实现多CCD无缝拼接的光电系统包括：用于接收外部像面(即外部影像数据)的成像镜头；用于接收并分割反射来自成像镜头的像面的分光棱镜；用于接收来自分光棱镜像面的CCD(装有CCD的电路板)。本发明光电系统利用CCD视场少量的重叠来接收存在渐晕视场的光能量，渐晕现象通过子像面的重叠部分结合软件算法得到补偿。本发明光电系统没有运动部件、成像视场没有缺失、没有渐晕的大视场、高像素数的成像系统意义是非常巨大的。适合于需要大视场、高分辨率的远距离成像系统，如卫星遥感、飞机航拍、红外侦察防空等领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及大视场CCD无缝拼接技术，尤其涉及一种利用棱镜分光渐晕补偿实现多CCD无缝拼接的光电系统。
背景技术
CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)作为图像传感器，广泛应用于航拍、遥感、普通数码相机、红外成像系统等图像获取领域和系统中，以CCD为图像传感接收器的数字成像系统发展迅速，但是由于CCD器件象素数的限制，即使光学成像镜头有非常大的视场和高分辨率，系统还是难以获得很大的信息量。以长波红外CCD成像系统为例，目前国际上能够对我国开放供应的非制冷器件最高象素为384×288，成像系统一次单个CCD成像只能获得11万象素的信息量，使我们的红外探测系统的成像视场、分辨率、探测距离受到限制。在遥感领域，目前常用的CCD象素可以达到4K×5.3K，如果希望地面分辨率优于1米，那么一幅图像的视场不可能大于4km×5.3km，仍然不能满足应用需求。大视场CCD无缝拼接的数字成像系统能够使遥感成像速度大大提高，是遥感领域的一大研究热点。现在的光学数字成像系统，限制系统成像视场角和分辨率的主要是CCD器件。
要获得更大的信息量需要其它方法，主要是扫描技术、拼接技术和多成像系统方法。然而扫描系统需要有运动部件，使系统的可靠性大大降低，是国防、遥感等领域应用的最大障碍。拼接技术虽然不需要运动部件，但由于CCD器件成像区域四周一般都有一个不能成像的边缘，左右或上下两个边缘无法去除，因此直接的CCD拼接将造成一个非常大的成像盲区。另外一种扩大视场的方法是多组“镜头-CCD”成像系统，每一组分别对一部分视场成像，多组成像系统合起来就构成一个更大视场的系统。但是这种方法需要多个镜头，在高象素大视场成像要求下，镜头的成本愈来愈高，已经不是一种优秀的方法。
发明内容
本发明提供一种能够实现多CCD无缝拼接的没有运动部件、没有视场缺失、没有渐晕的光电系统。
一种利用棱镜分光渐晕补偿实现多CCD无缝拼接的光电系统包括：
用于接收外部像面(即外部影像数据)的成像镜头；
用于接收并分割反射来自成像镜头的像面的分光棱镜；
用于接收来自分光棱镜像面的CCD(装有CCD的电路板)。
所述的分光棱镜带有四个反射面，四个反射面互成一定角度，四个反射面可以接收到来自成像镜头的全部像面。每个反射面与成像镜头光轴均不垂直，只有这样才能将来自成像镜头的像面沿非光轴方向分割反射出去，即反射到CCD上，所述的CCD至少带有四个感光面或分为四块，以分别接收来自分光棱镜的四个反射面反射出来的像面。
分光棱镜置于成像镜头后、成像镜头的成像面前的靠近成像镜头的成像面位置。分光棱镜的四个反射面镀有高反射率薄膜，将像面的四个部分分别反射到空间中的四个位置，并在这四个空间位置上分别安放一块CCD。从空间位置看，四块CCD并不在同一个平面，CCD的放置并不会因CCD的非感光区而发生干涉。
分光棱镜的四个反射面均与光轴成45度角，因此经棱镜反射面反射后的四个子成像平面在空间转向了90度，四个子成像面变成与光轴平行了，如图1所示，每一个子成像面分别放置一块CCD。
CCD的感光面面积稍大于与其对应的分光棱镜的反射面反射出来的像面(分割后的子像面)面积；安放CCD时使得四个CCD接收到的图像有重叠。
由于本发明光电系统要将接收到的像面分割并反射到不同的空间位置，需要采用棱镜反射分光，而棱镜反射面无法安装在视场光栏位置，因而不可避免地会造成分割后的子像面部分视场存在渐晕。但是渐晕现象可以通过子像面的重叠部分得到补偿。因而通过消除渐晕并合成后即构成完整的成像视场，不存在视场盲区，真正实现无缝、无运动部件、无渐晕的视场拼接。
本发明光电系统利用CCD视场少量的重叠来接收存在渐晕视场的光能量，渐晕现象通过子像面的重叠部分结合软件算法得到补偿。本发明光电系统没有运动部件、成像视场没有缺失、没有渐晕的大视场、高象素数的成像系统意义是非常巨大的。适合于需要大视场、高分辨率的远距离成像系统，如卫星遥感、飞机航拍、红外侦察防空等领域应用。
附图说明
图1是本发明光电系统立体结构示意图；
图2是本发明光电系统中分光棱镜的立体结构示意图；
图3是本发明光电系统整个成像视场及其四等分分割后的四个子成像区域；
图4是本发明光电系统中四块CCD的所接受的像面及重叠示意图；
(a)为第一块CCD的感光面及其中的翅形渐晕区域和阴影区域；
(b)为第二块CCD的感光面及其中的翅形渐晕区域和阴影区域；
(c)为第三块CCD的感光面及其中的翅形渐晕区域和阴影区域；
(d)为第四块CCD的感光面及其中的翅形渐晕区域和阴影区域；
(e)是四块像面重叠位置；
图5是渐晕示意图；
(a)为二块CCD获得相对光强随位置变化的分布曲线；
(b)为合成后获得的相对光强曲线。
具体实施方式
图1所示为本发明光电系统构成图。1是大视场成像镜头，2是分光棱镜，3是第一块CCD，4是第二块CCD，5是第三块CCD，6是第四块CCD。分光棱镜2将来自成像镜头1的像面的四个部分分开到空间中的四个位置，这四个位置分别安放CCD 3、CCD 4、CCD 5和CCD 6。
分光棱镜2置于成像镜头1后、成像面前靠近像面的位置。分光棱镜2的四个反射面镀有高反射率薄膜，将像面的四个部分分别反射到空间中的四个位置，并在这四个空间位置上分别安放一块CCD(如图1)。从空间位置看，四块CCD并不在同一个平面，CCD的放置并不会因CCD的非感光区而发生干涉。
附图2为分光棱镜的三维图。其中顶部四个面是镀有反射膜的反射面。
附图3为整个成像视场及其四等分分割后的四个子成像区域一、子成像区域二、子成像区域三、子成像区域四。
附图4为四块CCD所接收的像面重叠示意图。图4(a)为第一块CCD的感光面，空白区域对应子成像区域一，阴影区域为接收其它CCD渐晕光线用，空白区域靠近阴影区域的翅形区域为存在渐晕的区域；图4(b)为第二块CCD的感光面，空白区域对应子成像区域二，阴影区域为接收其它CCD渐晕光线用，空白区域靠近阴影区域的翅形区域为存在渐晕的区域；图4(c)为第三块CCD的感光面，空白区域对应子成像区域三，阴影区域为接收其它CCD渐晕光线用，空白区域靠近阴影区域的翅形区域为存在渐晕的区域；图4(d)为第四块CCD的感光面，空白区域对应子成像区域四，阴影区域为接收其它CCD渐晕光线用，空白区域靠近阴影区域的翅形区域为存在渐晕的区域。CCD的感光面积稍大于像面的四分之一，在安放时四个CCD的像面有一部分重叠，使得每一块CCD存在渐晕的翅形区域被其它相邻CCD的阴影区域覆盖，如图4(e)。这一部分重叠的区域将用于做渐晕补偿。
附图5为渐晕示意图。分光棱镜造成了四个子像面相邻的区域有渐晕。图5(a)中画出的是图4(e)上中部(对应第一块CCD 3和第二块CCD4区域)一个横向截面视场二块CCD获得相对光强随位置变化的分布曲线，即渐晕示意图。从图中可见，二块CCD拼接处附近存在渐晕。因为渐晕的影响，造成了子像面相邻的区域的图像退化。本系统利用四块CCD接收的像面的重叠部分来消除图像的退化。图5(b)为合成后获得的相对光强曲线，图中可见，合成后的整个视场获得的相对光强是均匀的，即图像消除了渐晕。
被摄景物经本发明光电系统成像镜头1后到达分光棱镜2，经分光棱镜2反射后分成四部分清晰成像于四块CCD上。其中子成像面区域一的极大部分光能量到达第一块CCD，使第一块CCD空白区域除了翅形区域外获得没有渐晕的完整像，而翅形区域存在渐晕。(因为反光棱镜的分界线不是放在视场光栏位置，而是在孔径光栏与视场光栏之间靠近视场光栏位置，所以存在渐晕。又由于分光棱镜中间离视场光栏远，边缘靠视场光栏近，所以在整个视场的中间区域渐晕大，边缘小，每一个CCD上形成一个翅形的渐晕区域)。渐晕损失的光能量到达了第二、第三、第四块CCD的边缘区域(图4(b)、(c)、(d)的阴影区域)。同理，子成像面区域二的极大部分光能量到达第二块CCD，使第二块CCD空白区域除了翅形区域外获得没有渐晕的完整像，而翅形区域存在渐晕，渐晕损失的部分光能量到达第一、第三、第四块CCD的边缘区域(图4(a)、(c)、(d)的阴影区域)；子成像面区域三的极大部分光能量到达第三块CCD，使第三块CCD空白区域除了翅形区域外获得没有渐晕的完整像，而翅形区域存在渐晕，渐晕损失的部分光能量到达第一、第二、第四块CCD的边缘区域(图4(a)、(b)、(d)的阴影区域)；子成像面区域四的极大部分光能量到达第四块CCD，使第四块CCD空白区域除了翅形区域外获得没有渐晕的完整像，而翅形区域存在渐晕，渐晕损失的部分光能量到达第一、第二、第三块CCD的边缘区域(图4(a)、(b)、(c)的阴影区域)。
在四块CCD获得四幅图像后，以四块CCD空白区域为基础拼接成一幅大视场图像，如图4(e)所示，并且把每一块CCD阴影区域象素的光能量加到相邻CCD的翅形区域对应的象素上，如图5，即构成完整的无渐晕的成像视场，不存在视场盲区，真正实现无缝、无运动部件、无渐晕的视场拼接。
Claims (5)
1、一种利用棱镜分光渐晕补偿实现多CCD无缝拼接的光电系统，其特征在于，包括:
用于接收外部像面的成像镜头；
用于接收并分割反射来自成像镜头的像面的分光棱镜；
用于接收来自分光棱镜像面的CCD。
2、如权利要求1所述的光电系统，其特征在于:所述的分光棱镜置于成像镜头与镜头成像面间，靠近镜头成像面位置。
3、如权利要求1所述的光电系统，其特征在于:所述的分光棱镜带有四个反射面。
4、如权利要求3所述的光电系统，其特征在于:所述的CCD带有四个感光面，分别接收来自分光棱镜的四个反射面反射出来的景物像。
5、如权利要求4所述的光电系统，其特征在于:所述的CCD的感光面面积稍大于与其对应的分光棱镜的反射面反射出来的像面面积。
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