CN103091737B - 基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，属于光电图像传感器技术领域。一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，按由上至下的顺序由前置光学系统、曲面非均匀透镜阵列及光电探测阵列构成。本发明的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，由于采用曲面光学透镜阵列结构，扩大了成像系统的视场，从而可实现大视场成像。增加了对数极坐标映射传感器的灵敏度。

Description

基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，属于光电图像传感器技术领域。

背景技术

对数极坐标映射成像技术模拟了人眼视网膜的非均匀采样机理，可降低信息冗余。同时，基于该技术可获得目标的尺度与旋转不变性，进而消除目标尺度与旋转变化的影响，从而提高光电探测系统对运动目标的探测与跟踪的速度与精度。因此，对数极坐标映射成像技术在航空、航天、机器人、智能监控等领域具有广泛的应用前景。

目前，已有的对数极坐标映射成像方法主要通过基于CMOS或CCD工艺的非均匀像素实现，即：基于CMOS或CCD工艺形成不同尺寸的像素，并通过非均匀像素的几何位置分布获得对数极坐标映射能力。该方法主要存在以下问题：(1)采用常规成像光学系统，难以实现大视场成像。(2)受工艺条件限制，难以获得较大的像素尺寸，导致其灵敏度相对较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术难以实现大视场成像的问题，本发明提出了一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法。通过曲面非均匀透镜阵列结构实现大视场；通过非均匀透镜阵列对前置光学系统像面的分割，实现硬件对数极坐标映射。最终，获得同时具备大视场、目标尺度与旋转不变性两种特性的光电成像能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，按由上至下的顺序由前置光学系统、曲面非均匀透镜阵列及光电探测阵列构成。

所述前置光学系统为会聚系统，主要对入射光进行会聚。

所述曲面非均匀透镜阵列由按曲面分布的非均匀光学透镜构成：以曲面的顶点为中心，设置M(M>2)环光学透镜，每环内均匀设置N(N>3)个光学透镜，N个光学透镜的圆心均匀分布于环内。在同一圆环内，N个光学透镜的口径及其他光学参数相同；相邻圆环内的光学透镜口径及其他光学参数的设置满足对数极坐标映射的要求。

所述光学透镜环数M>2，光学透镜个数N>3；

所述光电探测阵列用于对曲面非均匀透镜阵列的会聚光进行光电转换，光电探测器阵列的整体光敏面垂直于透镜阵列顶点与光电探测器阵列中心之间的连线。光电探测器阵列中的每一光电探测器均对应曲面非均匀透镜阵列中的一个光学透镜。即：在光电探测器阵列中，第i环、第j个探测器与非均匀透镜阵列中的第i环、第j个光学透镜相对应，且光学透镜的光轴通过所对应光电探测器的光敏面中心。

前置光学系统为会聚系统，位于整个系统的最上端，主要实现入射光的会聚。依据对数极坐标映射要求，对前置光学系统后的像面进行区域分割。在本发明中，子区域分割的过程是这样实现的：

在前置光学系统的像面内，以光轴为中心，分割成M(M>2)环区域，每环均匀分割出N(N>3)个半径相同的圆形子区域，则其采样角δ=2π/N。设像面上距离光轴最近的圆环为第1环，第1环内每个子区域的半径为r₁，第1环子区域中心距离像面中心的距离为R₁，即第1环的半径为R₁；则R₁=r₁/tan(δ/2)。同时，像面内第i环的半径R_i为：

$R_i=R_1{\left(\frac{N+\mathrm{\π}}{N-\mathrm{\π}}\right)}^{i-1}---\left(1\right)$

在曲面非均匀透镜阵列中，每一透镜的位置和视场角由前置光学系统像面圆形子区域的位置及半径决定；曲面非均匀透镜阵列中每一透镜的位置与像面中圆形子区域的位置是一一对应的；即：在像面中，第i环、第j个圆形子区域与非均匀透镜阵列中的第i环、第j个光学透镜相对应；不同口径的光学透镜构成的环形透镜组沿曲面的经线方向排列，且互相不重合，其相互位置满足对数极坐标映射要求；每一透镜的光轴需落在其对应的圆形子区域中，优选为圆心附近；

曲面的中心轴为OP，半径为R₀，第i环内透镜的口径为D_i，透镜的视场角为β。距曲面顶点最近的一环为第1环，第1环透镜的光轴与OP之间的夹角为θ，其后每环透镜的光轴与OP之间的夹角由分割后的像面子区域决定；系统的视场由非均匀透镜阵列的规模决定，其视场大于2arctan(R_max/R₀)。R_max为曲面非均匀透镜阵列中最外环任意透镜中心点距离OP的距离；

设透镜的口径为D_i，透镜视场角为β_i，透镜主截面与像面之间的夹角为α_i，且两者之间沿光轴方向的距离为d，OP＝1，透镜所对应像面子区域的半径为r_i，因此，有

$\left\{\begin{array}{c}l=\frac{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)\·\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)+\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}\·\frac{{2r}_i}{\sin {\mathrm{\β}}_i/2}\\ d=l-\frac{D_i}{2\·\tan {\mathrm{\β}}_i/2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

则可得到每环光学透镜的口径D_i；

光电探测器阵列需接收由曲面非均匀透镜阵列所会聚的所有光线。且所有光电探测器的光敏面均在一个平面内。较佳地，光电探测器阵列中各光电探测器具有相同的光敏元尺寸。同时，其空间位置满足曲面非均匀透镜阵列的光学会聚要求。

具体工作过程如下：

第一步：基于前置光学系统实现入射光的会聚。

第二步：基于曲面非均匀光学透镜阵列，对前置光学系统的像面进行分割，使之满足对数极坐标映射要求，并同时获得较大的探测视场。

第三步：基于曲面非均匀光学透镜阵列中的光学透镜，将入射光分别会聚于所对应的光电探测器的光敏面上。

第四步：基于光电探测器阵列中的光电探测器进行光电转换，分别将入射光强转换为相应的电信号，从而实现对数极坐标映射成像。

有益效果

1、大视场

本发明的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，由于采用曲面光学透镜阵列结构，扩大了成像系统的视场，从而可实现大视场成像。

2、高灵敏度

本发明的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，由于采用会聚成像，提高了量子效率，增加了对数极坐标映射传感器的灵敏度。

3、可消除信息冗余

本发明的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，依据对数极坐标映射要求，采用曲面非均匀透镜阵列对前置光学系统像面进行分割。即：视场中心区域的采样率(分辨率)较高。视场边缘区域的采样率随着半径的增大而降低。因此，消除了视场边缘的信息冗余。

4、尺度与旋转不变性

本发明的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，采用曲面非均匀透镜阵列对前置光学系统像面进行分割，进而实现硬件对数极坐标映射，从而使成像系统在具备大视场的前提下，具备了目标的尺度与旋转不变性。即：可将笛卡尔坐标系下的目标尺度与旋转变化分别转换为对数极坐标系下的平移运动，有利于提高目标探测与跟踪的速度与精度。

附图说明

图1为基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法的示意图；

图2为前置光学系统的一次像面分割图；

图3为曲面光学透镜阵列的结构示意图；

图4为曲面光学透镜阵列的截面图；

图5为单透镜的光路图。

其中：1-前置光学系统、2-前置光学系统的像面、3-曲面非均匀透镜阵列、4-光电探测器面阵、5-像面分割后的子区域、6-用于固定光学透镜的曲面基底结构、7-光学透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，按由上至下的顺序由前置光学系统、曲面非均匀透镜阵列及光电探测阵列构成，如图1所示。

所述前置光学系统为会聚系统，主要对入射光进行会聚。

所述曲面非均匀透镜阵列由按曲面分布的非均匀光学透镜构成，如图3所示：以曲面的顶点为中心，设置M(M>2)环光学透镜，每环内均匀设置N(N>3)个光学透镜，N个光学透镜的圆心均匀分布于环内。在同一圆环内，N个光学透镜的口径及其他光学参数相同；相邻圆环内的光学透镜口径及其他光学参数的设置满足对数极坐标映射的要求。

所述光学透镜环数M>2，光学透镜个数N>3；

所述光电探测阵列用于对曲面非均匀透镜阵列的会聚光进行光电转换，光电探测器阵列的整体光敏面垂直于透镜阵列顶点与光电探测器阵列中心之间的连线。光电探测器阵列中的每一光电探测器均对应曲面非均匀透镜阵列中的一个光学透镜。即：在光电探测器阵列中，第i环、第j个探测器与非均匀透镜阵列中的第i环、第j个光学透镜相对应，且光学透镜的光轴通过所对应光电探测器的光敏面中心。

前置光学系统为会聚系统，位于整个系统的最上端，主要实现入射光的会聚。依据对数极坐标映射要求，对前置光学系统后的像面进行区域分割，如图2所示。在本发明中，子区域分割的过程是这样实现的：

在前置光学系统的像面内，以光轴为中心，分割成M(M>2)环区域，每环均匀分割出N(N>3)个半径相同的圆形子区域，则其采样角δ=2π/N。设像面上距离光轴最近的圆环为第1环，第1环内每个子区域的半径为r₁，第1环子区域中心距离像面中心的距离为R₁，即第1环的半径为R₁；则R₁=r₁/tan(δ/2)。同时，像面内第i环的半径R_i为：

$R_i=R_1{\left(\frac{N+\mathrm{\π}}{N-\mathrm{\π}}\right)}^{i-1}---\left(1\right)$

在曲面非均匀透镜阵列中，每一透镜的位置和视场角由前置光学系统像面圆形子区域的位置及半径决定；曲面非均匀透镜阵列中每一透镜的位置与像面中圆形子区域的位置是一一对应的；即：在像面中，第i环、第j个圆形子区域与非均匀透镜阵列中的第i环、第j个光学透镜相对应；不同口径的光学透镜构成的环形透镜组沿曲面的经线方向排列，且互相不重合，其相互位置满足对数极坐标映射要求；每一透镜的光轴需落在其对应的圆形子区域中，优选为圆心附近；

曲面的中心轴为OP,半径为R₀，第i环内透镜的口径为D_i，透镜的视场角为β。距曲面顶点最近的一环为第1环，第1环透镜的光轴与OP之间的夹角为θ，其后每环透镜的光轴与OP之间的夹角由分割后的像面子区域决定；系统的视场由非均匀透镜阵列的规模决定，其视场大于2arctan(R_max/R₀)。R_max为曲面非均匀透镜阵列中最外环任意透镜中心点距离OP的距离，如图4所示；

设透镜的口径为D_i，透镜视场角为β_i，透镜主截面与像面之间的夹角为α_i，且两者之间沿光轴方向的距离为d,OP＝1，透镜所对应像面子区域的半径为r_i，如图5所示，因此，有

$\left\{\begin{array}{c}l=\frac{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)\·\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)+\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}\·\frac{{2r}_i}{\sin {\mathrm{\β}}_i/2}\\ d=l-\frac{D_i}{2\·\tan {\mathrm{\β}}_i/2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

则可得到每环光学透镜的口径D_i；

光电探测器阵列需接收由曲面非均匀透镜阵列所会聚的所有光线。且所有光电探测器的光敏面均在一个平面内。较佳地，光电探测器阵列中各光电探测器具有相同的光敏元尺寸。同时，其空间位置满足曲面非均匀透镜阵列的光学会聚要求。

具体工作过程如下：

第一步：基于前置光学系统实现入射光的会聚。

第二步：基于曲面非均匀光学透镜阵列，对前置光学系统的像面进行分割，使之满足对数极坐标映射要求，并同时获得较大的探测视场。

第三步：基于曲面非均匀光学透镜阵列中的光学透镜，将入射光分别会聚于所对应的光电探测器的光敏面上。

第四步：基于光电探测器阵列中的光电探测器进行光电转换，分别将入射光强转换为相应的电信号，从而实现对数极坐标映射成像。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：按由上至下的顺序由前置光学系统、曲面非均匀透镜阵列及光电探测阵列构成；

前置光学系统为会聚系统，位于整个系统的最上端，主要实现入射光的会聚；依据对数极坐标映射要求，对前置光学系统后的像面进行区域分割；在本发明中，像面子区域分割的过程是这样实现的：

在前置光学系统的像面内，以光轴为中心，分割成M环区域，每环均匀分割出N个半径相同的像面子区域，则其采样角δ＝2π/N；设像面上距离光轴最近的圆环为第1环，第1环内每个像面子区域的半径为r₁，第1环像面子区域中心距离像面中心的距离为R₁，即第1环的半径为R₁；则R₁＝r₁/tan(δ/2)；同时，像面内第i环的半径R_i为：

$R_i=R_1{\left(\frac{N+\mathrm{\π}}{N-\mathrm{\π}}\right)}^{i-1}---\left(1\right)$

在曲面非均匀透镜阵列中，每一透镜的位置和视场角由前置光学系统像面像面子区域的位置及半径决定；曲面非均匀透镜阵列中每一透镜的位置与像面中像面子区域的位置是一一对应的；同一环中的透镜具有同一口径，不同环中的透镜具有不同口径，各环透镜沿曲面的经线方向排列，且互相不重合，其相互位置满足对数极坐标映射要求；每一透镜的光轴需落在其对应的像面子区域中，为圆心附近；

曲面的中心轴为OP，半径为R_O，第i环内透镜的口径为D_i，透镜的视场角为β_i；距曲面顶点最近的一环为第1环，第1环透镜的光轴与OP之间的夹角为θ，其后每环透镜的光轴与OP之间的夹角由分割后的像面子区域决定；系统的视场由非均匀透镜阵列的规模决定，其视场大于2arctan(R_max/R_O)；R_max为曲面非均匀透镜阵列中最外环任意透镜中心点距离OP的距离；

设透镜的口径为D_i，透镜视场角为β_i，透镜主截面与像面之间的夹角为α_i，且两者之间沿光轴方向的距离为d，OP＝l，透镜所对应的像面子区域的半径为r_i，因此，有

$\left\{\begin{array}{c}l=\frac{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)\·\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}{\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2+{\mathrm{\α}}_i)+\sin (\mathrm{\π}/2-{\mathrm{\β}}_i/2-{\mathrm{\α}}_i)}\·\frac{{2r}_i}{\sin {\mathrm{\β}}_i/2}\\ d=l-\frac{D_i}{2\·\tan {\mathrm{\β}}_i/2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

则可得到每环光学透镜的口径D_i。

2.如权利要求1所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：所述前置光学系统为会聚系统，主要对入射光进行会聚。

3.如权利要求1所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：所述曲面非均匀透镜阵列，采用透镜按曲面非均匀地分布：以曲面的顶点为中心，设置M环光学透镜，每环内均匀设置N个光学透镜，N个光学透镜的圆心均匀分布于环内；在同一圆环内，N个光学透镜的口径及其他光学参数相同；相邻圆环内的光学透镜口径及其他光学参数的设置满足对数极坐标映射的要求。

4.如权利要求1或3所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：所述光学透镜环数M>2，光学透镜个数N>3。

5.如权利要求1所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：所述光电探测阵列用于对曲面非均匀透镜阵列的会聚光进行光电转换，光电探测器阵列的整体光敏面垂直于透镜阵列顶点与光电探测器阵列中心之间的连线；光电探测器阵列中的每一光电探测器均对应曲面非均匀透镜阵列中的一个光学透镜；且光学透镜的光轴通过所对应光电探测器的光敏面中心。

6.如权利要求1所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：所述光电探测器阵列中各光电探测器具有相同的光敏元尺寸。

7.如权利要求1所述的一种基于曲面透镜阵列的宽视场对数极坐标映射成像方法，其特征在于：具体工作过程如下：

第一步：基于前置光学系统实现入射光的会聚；

第二步：基于曲面非均匀光学透镜阵列，对前置光学系统的像面进行分割，使之满足对数极坐标映射要求，并同时获得较大的探测视场；

第三步：基于曲面非均匀光学透镜阵列中的光学透镜，将入射光分别会聚于所对应的光电探测器的光敏面上；

第四步：基于光电探测器阵列中的光电探测器进行光电转换，分别将入射光强转换为相应的电信号，从而实现对数极坐标映射成像。