CN104079808B - 超高分辨率宽场成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高分辨率宽场成像系统，主要解决现有技术分辨率低、视场畸变严重的问题，其包括：单心球形主物镜(11)、微相机阵列(12)、探测器阵列(13)、微相机控制模块(14)、图像拼接模块(21)、显示器(22)和存储器(23)；入射光线依次经过单心球形主物镜(11)、微相机阵列(12)，到达探测器阵列(13)上成像，微相机控制模块(14)将探测器阵列(13)上生成的图像送到图像拼接模块(21)进行图像拼接，得到宽视场高分辨率图像，存储器(22)对该高分辨率图像进行存储，并通过显示器(23)显示。本发明结构简单，且具有视场宽、分辨率高的优点，可用于空间监视、监控、侦查和告警。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种视场角大于100度的宽视场高分辨率的成像系统，可用于空间监视、城市机场安全监控、对地观测、无人机侦查、舰载预警、天文望远镜及体育赛事转播等领域。
背景技术
业内周知，成像系统的成像视场角与分辨率是一对矛盾体，短焦成像系统具有宏观宽视场成像能力，长焦成像系统具有拍摄细节高分辨率图像的能力，即传统相机不能实现宽视场成像的同时兼具高分辨率，且在监控、对地观测、赛事转播等领域需要同时实现宽视场和高分辨率成像。为了解决这一问题，现有的宽视场成像系统主要有小视场高分辨率单镜头扫描成像系统、鱼眼透镜超半球凝视成像系统、环带凝视全景成像系统。
小视场高分辨率单镜头扫描成像系统虽能实现高分辨率，但其机构复杂，系统的实时性低，其实现的宽视场是伪宽视场不是同一时刻的视场；鱼眼透镜超半球凝视成像系统的视场存在很大的畸变，其中心分辨率高，边缘分辨率低，整个图像无法形成一致的分辨率；环带凝视全景成像系统只能对环带视场成像，中心存在盲区，且系统的杂散光严重，分辨率大打折扣。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种超高分辨率宽场成像系统，以减小图像畸变，提高宽场成像的分辨率和实时性。
为实现上述目的，本发明包括：光学装置和图像处理单元，其特征在于：光学装置包括：单心球形主物镜、微相机阵列、探测器阵列和微相机控制模块；微相机阵列和探测器阵列均匀分布在单心球形主物镜的同一侧，且位于与该主物镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物空间入射至单心球形主物镜，经单心球形主物镜透射后到达微相机阵列，再经微相机阵列二次透射到探测器阵列上成像；微相机阵列中的每一个微相机和探测器阵列中对应的探测器与单心球形主物镜构成一个子光路，物空间的光线通过每个子光路后在探测器上生成一幅子图像，这些子图像经图像处理单元拼接后合成一幅宽场高分辨率图像。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述单心球形主物镜，其中心为两个半球镜，每个半球镜的外侧均包覆着弯月形透镜。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述微相机阵列，由n个相同的微相机组成，其中M为拍摄水平视场角，N为垂直视场角，符号表示向上取整；每个微相机将单心球形主物镜的宽视场分为16.545°的小视场，相邻两个微相机有2.463°的视场重叠。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述探测器阵列采用面阵CMOS探测器，每个探测器位于其对应的微相机的焦平面上。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述微相机控制模块，其与探测器阵列连接，用于控制探测器阵列中各个探测器的曝光时刻、曝光时间，以对场景进行拍照，并将探测器的拍照结果送到图像处理单元进行拼接处理，输出一幅宽视场高分辨率图像。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：图像处理单元包括图像拼接模块、存储器和显示器，该图像拼接模块通过基于特征点匹配的图像拼接算法对在探测器阵列上生成的每一个子图像进行拼接处理，得到宽视场高分辨率图像，该存储器对该高分辨率图像进行存储，并通过显示器显示。
上述超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：图像拼接模块，包括：特征点提取子模块、特征点匹配子模块和图像融合子模块，该特征点提取子模块，提取在探测器阵列上生成的每幅子图像中的特征点；该特征点匹配子模块，对相邻两幅子图像中的特征点进行匹配，得到相邻两幅子图像的重叠区域；该图像融合子模块，根据子图像间的重叠区域，对所有子图像进行融合得到宽场高分辨率图像。
本发明具有如下优点：
1)本发明的超高分辨率宽场成像系统使用多探测器同时对场景拍摄，与扫描宽视场成像系统相比，具有实时性高的优点。
2)本发明采用的探测器阵列与微相机阵列一一对应，每个探测器获取一个子视场，相邻探测器之间存在一定的视场重叠，通过多个具有重叠的子视场的叠加实现宽视场，消除了现有宽场成像系统中的视场畸变。
3)本发明采用具有旋转对称性的单心球形主物镜，由于该主物镜只有场曲和色差这两种像差没有其余像差，且通过微相机阵列，可校正该主物镜的场曲和色差，因此与现有的宽场成像系统相比，本成像系统像差小，分辨率高。
附图说明
图1是本发明的原理组成框图；
图2是本发明中的光学装置的光路图；
图3是用光学设计软件对本发明仿真生成的调制传递函数MTF曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明的超高分辨率宽场成像系统包括光学装置1和图像处理单元2两部分。其中：
所述光学装置1包括：单心球形主物镜11、微相机阵列12、探测器阵列13和微相机控制模块14；该单心球形主物镜11由四片透镜组成，其中心为两个半球镜，每个半球镜的外侧均包覆着弯月形透镜，即第一半球镜、第二半球镜、第一弯月透镜和第二弯月透镜，两个半球镜采用F_SILICA材料，两个弯月形透镜采用S-NBH8材料；该探测器阵列13是由完全相同的面阵CMOS探测器构成；该微相机阵列12由n个相同的微相机组成，其中M为拍摄水平视场角，N为垂直视场角，符号表示向上取整；每个微相机将单心球形主物镜11的宽视场分为16.545°的小视场，相邻两个微相机有2.463°的视场重叠。微相机阵列12与探测器阵列13是一一对应的，都均匀分布在单心球形主物镜11的同一侧，探测器阵列13位于与该主物镜同心的两个不同球面上，且每个探测器位于其对应的微相机的焦平面上。
所述的图像处理单元2，包括图像拼接模块21、存储器22和显示器23。该存储器22用于存储高分辨图像，该显示器23用于显示图像。该图像拼接模块21是通过计算机软件编程实现，其包括特征点提取子模块211、特征点匹配子模块212和图像融合子模块213；特征点提取子模块211，根据特征点的空间尺度不变性，提取在探测器阵列上生成的每幅子图像中的特征点；特征点匹配子模块212对相邻两幅子图像中的特征点进行匹配，得到相邻两幅子图像的重叠区域；图像融合子模块213根据子图像间的重叠区域，对所有子图像进行融合得到宽场高分辨率图像。
所述微相机控制模块14，其输入端与微相机阵列12连接，其输出端与图像拼接模块21连接，用于控制探测器阵列中各个探测器的曝光时刻、曝光时间，以对场景拍照，并将探测器的拍照结果送到图像拼接模块21进行拼接处理，输出一幅宽视场高分辨率图像。
如图2所示，微相机阵列12中的每个微相机是由8片薄透镜构成，其从左至右依次采用S-BAH10材料的第一薄透镜、采用S-LAH51材料的第二薄透镜、采用S-TIH53材料的第三薄透镜、采用S-FSL5材料的第四薄透镜、采用S-NBH55材料的第五薄透镜、采用S-BSM16材料的第六薄透镜、采用S-TIM5材料的第七薄透镜和采用S-BSL7材料的第八薄透镜。该微相机阵列12与单心球形主物镜11构成光学结构，其结构参数如下表所示：
表1 光学结构参数表
| 厚度 | 曲率半径 | 玻璃材料 | |
| 物平面 | Infinity | Infinity | 空气 |
| 第一弯月透镜 | 13.613 | 31.800 | S-NBH8 |
| 第一半球镜 | 18.187 | 18.187 | F_SILICA |
| 第二半球镜 | 18.187 | Infinity | F_SILICA |
| 第二弯月透镜 | 13.613 | -18.187 | S-NBH8 |
| 89.079 | -31.800 | 空气 | |
| 第一薄透镜 | 6.500 | 42.121 | S-BAH10 |
| 5.748 | -42.121 | 空气 | |
| 第二薄透镜 | 6.495 | 11.794 | S-LAH51 |
| 第三薄透镜 | 6.374 | -14.993 | S-TIH53 |
| 2.594 | Infinity | 空气 | |
| 第四薄透镜 | 5.362 | -5.096 | S-FSL5 |
| 第五薄透镜 | 1.247 | -4.205 | S-NBH55 |
| 0.499 | -6.628 | 空气 | |
| 第六薄透镜 | 2.007 | 20.334 | S-BSM16 |
| 1.371 | -20.334 | 空气 | |
| 第七薄透镜 | 6.505 | 8.763 | S-TIM5 |
| 2.438 | 8.348 | 空气 | |
| 第八薄透镜 | 0.400 | Infinity | S-BSL7 |
本发明系统的工作原理如下：
不同视场的光线从物空间入射至单心球形主物镜11，经单心球形主物镜11透射后到达微相机阵列12，再经微相机阵列12二次透射到探测器阵列13上成像；微相机阵列12中的每一个微相机和探测器阵列13中对应的探测器与单心球形主物镜11构成一个子光路，物空间的光线通过每个子光路后在探测器上生成一幅子图像，图像拼接模块21通过基于特征点匹配的图像拼接算法对在探测器阵列上生成的每一个子图像进行拼接处理，得到宽视场高分辨率图像，存储器22对该高分辨率图像进行存储，并通过显示器23显示。
本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明：
将表1中本发明的光学结构参数输入给光学设计软件ZEMAX，生成本发明系统的调制传递函数MTF曲线图，如图3所示。图3的横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数MTF的大小，其中的曲线是不同视场角下的子午和弧矢光线的MTF曲线。从图3可见，不同视场角的MTF曲线走势一致，说明该成像系统无视场畸变。此外，在空间频率300lp/mm处的MTF曲线仍在0.1以上，说明本发明具有较好的光学性能。
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。基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超高分辨率宽场成像系统，包括：光学装置(1)和图像处理单元(2)，其特征在于：光学装置(1)包括：单心球形主物镜(11)、微相机阵列(12)、探测器阵列(13)和微相机控制模块(14)；微相机阵列(12)和探测器阵列(13)均匀分布在单心球形主物镜(11)的同一侧，且位于与该主物镜同心的两个不同球面上；不同视场的光线从物空间入射至单心球形主物镜(11)，经单心球形主物镜(11)透射后到达微相机阵列(12)，再经微相机阵列(12)二次透射到探测器阵列(13)上成像；微相机阵列(12)中的每一个微相机和探测器阵列(13)中对应的探测器与单心球形主物镜(11)构成一个子光路，物空间的光线通过每个子光路后在探测器上生成一幅子图像，这些子图像经图像处理单元(2)拼接后合成一幅宽场高分辨率图像；
所述微相机阵列(12)，由n个相同的微相机组成，其中M为拍摄水平视场角，N为垂直视场角，符号表示向上取整；每个微相机将单心球形主物镜(11)的宽视场分为16.545°的小视场，相邻两个微相机有2.463°的视场重叠。
2.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述单心球形主物镜(11)，其中心为两个半球镜，每个半球镜的外侧均包覆着弯月形透镜。
3.根据权利要求2所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：两个半球镜采用F_SILICA材料，两个弯月形透镜均采用S-NBH8材料。
4.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：每一个微相机包括8片薄透镜，从左至右依次采用S-BAH10、S-LAH51、S-TIH53、S-FSL5、S-NBH55、S-BSM16、S-TIM5、S-BSL7材料。
5.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述探测器阵列(13)采用面阵CMOS探测器，每个探测器位于其对应的微相机的焦平面上。
6.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：所述微相机控制模块(14)，其与探测器阵列(13)连接，用于控制探测器阵列(13)中各个探测器的曝光时刻、曝光时间，以对场景进行拍照，并将探测器的拍照结果送到图像处理单元(2)进行拼接处理，输出一幅宽视场高分辨率图像。
7.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：图像处理单元(2)包括图像拼接模块(21)、存储器(22)和显示器(23)，该图像拼接模块(21)通过基于特征点匹配的图像拼接算法对在探测器阵列上生成的每一个子图像进行拼接处理，得到宽视场高分辨率图像，该存储器(22)对该高分辨率图像进行存储，并通过显示器(23)显示。
8.根据权利要求7所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于：图像拼接模块(21)，包括：特征点提取子模块(211)、特征点匹配子模块(212)和图像融合子模块(213)，该特征点提取子模块(211)，提取在探测器阵列上生成的每幅子图像中的特征点；该特征点匹配子模块(212)，对相邻两幅子图像中的特征点进行匹配，得到相邻两幅子图像的重叠区域；该图像融合子模块(213)，根据子图像间的重叠区域，对所有子图像进行融合得到宽场高分辨率图像。
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