CN102866480A - 一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统，采用共用主镜、微透镜阵列、探测器阵列的成像系统结构。入射光线分别通过共用主镜、微透镜阵列，最终到达探测器阵列成像，通过计算成像技术对各子图像进行图像复原(消除球差对图像像质的影响)，将各个子图像进行配准复合后可以获得一幅完整的清晰图像。本发明中共用主镜采用由两个半球镜组成的单心球镜，整个光学系统结构简单且完全对称，易于加工、装调、测试；具有超大视场、低结构复杂度等优点，特别适用于空间目标大范围搜索及发现、平流层空中监视等。

Description

一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统
技术领域
本发明属于航天光学遥感器技术领域，涉及一种大视场、低结构复杂度的基于计算成像技术的大视场光学成像系统。
背景技术
随着人类进入空间、利用空间能力的不断增强，空间对国家战略利益的影响日益突出。人类已经历进入空间-利用空间-监视空间的阶段，正步入控制空间的时代。随着现代战术战争发展的需要，对高分辨率、大视场的平流层空中监视系统、天基大范围目标搜索系统的需求越来越迫切，然而传统的大视场系统已经不能满足这样的要求。
传统的大视场光学系统主要有小视场高分辨率扫描成像、鱼眼透镜超半球凝视成像、环带凝视全景成像三种。但是，它们都有着其各自的缺点，小视场高分辨率扫描成像必须具有复杂的扫描机构，直接导致系统的实时性降低，同时也大大降低了系统的可靠性；鱼眼透镜虽可实现超过180°的大视场成像，但其边缘视场存在着很大的畸变，边缘视场的照度较低，整个像面上无法形成一致分辨率；环带凝视成像系统围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内，虽可实现360°环带空间的全景实时成像，但它只能对环带视场成像，成像系统存在中心盲区，系统的杂散光严重，分辨率大打折扣。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超大视场、低结构复杂度的基于计算成像技术的大视场光学系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统，包括共用主镜、微透镜阵列、探测器阵列；共用主镜为由两个半球镜组成的单心球镜，光阑位于两个半球镜中间；探测器阵列和微透镜阵列均匀分布在所述共用主镜同一例的与单心球镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物方入射至共用主镜进行一次成像，再经过微透镜阵列进行二次透射后到达至探测器阵列进行二次成像；微透镜阵列中的每个微透镜及对应的探测器阵列中的探测器与共用主镜构成一个子光路，各子光路所成子图像拼接后获得完整的图像。
所述的微透镜阵列中的各个微透镜完全相同。
所述的探测器阵列中的各个探测器完全相同。
所述的探测器为面阵CMOS探测器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用由两个半球镜组成的单心球镜作为共用主镜，整个光学系统结构简单，便于加工以及装调。
(2)本发明的微透镜阵列采用多个小视场的拼接技术，从而实现了超大视场，理论上甚至可以实现180度视场。
(3)本发明的共用主镜采用球镜，在共用主镜一次像面后引入对应每个探测器的微透镜阵列作为二级光学系统，改变微透镜参数使相邻探测器的视场重叠，解决了传统单心光学系统相机相邻探测器之间存在死区的问题。
(4)本发明结构旋转对称，因此没有慧差、像散、畸变等与视场相关的像差，在大视场条件下不用考虑视场的均匀性问题，在全视场上具有一致分辨率。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图；
图2a为本发明共用主镜光学系统结构图；
图2b为本发明共用主镜光学系统MTF曲线；
图3a为本发明光学系统结构图；
图3b为本发明光学系统MTF曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于计算成像技术的大视场光学成像系统包括共用主镜、微透镜阵列以及探测器阵列。所述的共用主镜为单心球镜，由两个半球镜组成，光阑位于两个半球镜中间。如图2a所示。不同视场的光线从光学系统物方进入共用主镜，由共用主镜进行一次成像；在共用主镜一次像面后方引入对应探测器阵列的微透镜阵列，微透镜阵列上各个微透镜完全相同，从一次像面出射的光由微透镜阵列进行二次成像后到达探测器阵列并最终成像；探测器阵列上各个探测器也完全相同，且探测器阵列和微透镜阵列均匀分布在共用主镜的同一侧的两个同心球面上，整个光学系统旋转对称。每个探测器对应一个小视场，调整微透镜参数，从而使相邻探测器的视场重叠，如图3a所示，每个微透镜及其对应的探测器与共用主镜一起组成一个子光路，所成图像为完整图像的一幅子图像。
如图2b、图3b所示，由于共用主镜采用单心球镜，结构对称，因此不同视场上的MTF曲线基本重合，这说明本发明在全视场具有一致分辨率，但系统存在较大的球差和色差，导致系统MTF较低，MTF曲线远小于光学系统衍射极限(图中黑线)，系统的成像质量较差。然而，对于计算成像系统而言，其获得的最终图像质量由其特殊的光学系统和后续数字图像处理单元共同决定。仅仅通过光学系统成像或许不能得到理想的图像，但是通过后续数字图像处理对图像进行复原之后就能最终获得一幅清晰的图像。因此，需要在后期对本发明光学系统所成的图像进行复原。
对于一个100mm口径的球镜，在可见光波长范围内，会有大小为1.5mm的色度离焦。然而，大多数色度离焦带来的像面模糊都集中在色度通道。因为人眼对色度通道带来的像面模糊不敏感，本发明中轴向色差带来的像质下降不明显，在图像后期处理中主要考虑球差对图像像质的影响。
对图像的后期处理的第一步是将图像从RGB格式转换为YUV格式。接着对亮度通道进行维纳去卷积(消除光学系统球差对图像像质的影响)，然后再转换为RGB格式。随后，对图像进行降噪处理后，将所得的各个小视场图像通过配准复合，最终得到一幅具有完整信息的大视场图像。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统，其特征在于包括：共用主镜、微透镜阵列、探测器阵列；共用主镜为由两个半球镜组成的单心球镜，光阑位于两个半球镜中间；探测器阵列和微透镜阵列均匀分布在所述共用主镜同一侧的与单心球镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物方入射至共用主镜进行一次成像，再经过微透镜阵列进行二次透射后到达至探测器阵列进行二次成像；微透镜阵列中的每个微透镜及对应的探测器阵列中的探测器与共用主镜构成一个子光路，各子光路所成子图像拼接后获得完整的图像。
2.根据权利要求1所述的基于计算成像技术的大视场光学成像系统，其特征在于：所述的微透镜阵列中的各个微透镜完全相同。
3.根据权利要求1或2所述的基于计算成像技术的大视场光学成像系统，其特征在于：所述的探测器阵列中的各个探测器完全相同。
4.根据权利要求3所述的基于计算成像技术的大视场光学成像系统，其特征在于：所述的探测器为面阵CMOS探测器。
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