CN105549183B - 基于同心球面物镜的广角成像装置 - Google Patents

基于同心球面物镜的广角成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明是有关一种基于同心球面物镜的广角成像装置,其包括:同心球面物镜,具有物镜视场;小视场场镜子系统,包括:场镜和所述场镜的成像侧设置的对应的探测器;场镜的光轴穿过所述同心球面物镜的球心;场镜的视场是所述物镜视场的一部分;以及扫摆机构,所述的扫摆机构使得所述小视场场镜子系统围绕所述同心球面物镜的球心旋转;所述的扫摆机构具有至少两个扫描位置;其中,所述的小视场场镜子系统分别在所述的至少两个扫描位置采集图像得到至少两幅子图像,所述的至少两幅子图像拼接后得到单帧全幅图像。本发明的广角成像装置结构紧凑,具有大视场成像范围。

Description

基于同心球面物镜的广角成像装置
技术领域
本发明涉及广角成像技术领域,具体来说涉及基于同心球面物镜的广角成像装置。
背景技术
光电探测设备相对于雷达具有高分辨率、被动探测等特点,因此被广泛应用于需要较高分辨率的场合。传统光电探测设备的光学系统的分辨率和视场存在着如式(1)的关系:
N·d=f·tanθ (1)
其中,N表示光电传感器在某个方向上的像元数目,d表示光电传感器在对应方向上的像源间隔尺寸,f为光学系统的焦距,θ为光学系统在对应方向上的视场角度。由式(1)易知,当光电探测设备所选用的光电传感器一定(即N和d一定)时,光学系统的焦距f和视场角的正切值tanθ呈反比,而光学系统的焦距决定了光学系统的光学分辨率水平,因此可以得出,在光电传感器一定的前提下,传统光学系统的光学分辨率越大,则其视场就越小;反之,视场越大,则光学分辨率越低。此外,光电传感器通常使用半导体制造工艺生产,由于半导体工艺的限制,光电传感器的像素间隔d有其下限值,因此,在光电传感器的光敏面尺寸一定(即N·d一定)时,其像素数目N也不能无限制增大。
然而,在某些特定的实际应用场景中,人们往往需要在很大的视场范围内有很高的成像分辨率。如海上搜救需要在最短的时间内,尽可能搜索更大的海面范围内的碎片残骸;又如重要活动的空中监控,需要能够在最短的时间内发现较大区域内的某个或某些特定小区域内可能发生的突发情况,以及在最短时间内定位并跟踪可疑的个人及车辆。
公开号为CN101685203A的中国专利申请公开了一种红外拼接成像装置,其包括同心物镜,棱锥反射镜系统和转像镜系统。但由于采用二次成像导致系统的体积较大。
发明内容
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷,本发明的目的在于,提供一种基于同心球面物镜的广角成像装置,使其结构紧凑,大视场成像。
为了实现上述目的,依据本发明提出的一种基于同心球面物镜的广角成像装置,其包括:同心球面物镜,具有物镜视场;小视场场镜子系统,包括:场镜和所述场镜的成像侧设置的对应的探测器;场镜的光轴穿过所述同心球面物镜的球心;场镜的视场是所述物镜视场的一部分;以及扫摆机构,所述的扫摆机构使得所述小视场场镜子系统围绕所述同心球面物镜的球心旋转;所述的扫摆机构具有至少两个扫描位置;其中,所述的小视场场镜子系统分别在所述的至少两个扫描位置采集图像得到至少两幅子图像,所述的至少两幅子图像拼接后得到单帧全幅图像。
本发明还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其包含至少两路所述的小视场场镜子系统,每个所述的小视场场镜子系统的场镜到同心球面物镜球心的距离相同且光轴在同一个平面,相邻的所述的小视场场镜子系统的光轴之间的夹角大于所述的场镜的视场范围。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其具三路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其具有两路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置、第二扫描位置和第三扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置第二扫描位置和第三扫描位置进行子图像采集,三次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其具有六路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其具有十三路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其具有横向和纵向各三组的九路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置、第二扫描位置、第三扫描位置和第四扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置第二扫描位置、第三扫描位置和第四扫摆位进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其中所述的扫摆机构,横 向上具有至少两个扫描位置,纵向上具有至少两个扫描位置。
前述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其中所述的扫摆机构包括导轨架,所述的导轨架相对所述同心球面物镜的球心旋转,具有至少两个旋转扫描位置;所述的导轨架上设置有至少一个圆形导轨,所述的圆形导轨上安装所述的小视场场镜子系统,所述的小视场场镜子系统相对所述的圆形导轨滑动设置,具有至少两个移动扫描位置。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,至少具有下列优点:
一、本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,具有扫摆机构,通过扫摆机构控制小视场场镜子系统,实现结构紧凑、广角成像。
二、本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,多个小视场场镜子系统沿同心球面物镜的球心旋转,通过简单紧凑的小视场场镜子系统,能够以较小的体积实现大视场高清成像,而且在进一步增大系统视场时,可以不用更改系统设计,仅需要增加场镜数目,保持系统设计及结构的简洁。
三、本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,设置多路小视场场镜子系统,使得通过两次或以上的扫摆就能实现一帧全幅图像的采集,故可以实现较高帧率的大视场图像采集。
四、本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,通过相邻小视场场镜子系统光轴夹角的选择,使得两个扫描位置的图像有一定重叠,便于单帧全幅图像的配准及融合。
五、本发明的基于同心球面物镜的广角成像装置,具有扫摆机构使得对于任何视场,成像装置体积都有一个上限,不会因为扫摆视场增加而增加。
附图说明
图1A是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第一实施例的示意图。
图1B是图1A的侧视示意图。
图2A是第一实施例的广角成像装置在不同位置进行图像扫描采集的示意图。
图2B是第一实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼接的示意图。
图3是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第二实施例的示意图。
图4A是本发明第三实施例的广角成像装置在不同位置进行图像扫描采集的示意图。
图4B是本发明第三实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼 接的示意图。
图5是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第四实施例的示意图。
图6A是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第五实施例的示意图。
图6B是图6A的侧视示意图。
图6C是本发明第五实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼接的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本发明提出的基于同心球面物镜的广角成像装置及广角成像方法其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
请参阅图1A、图1B、图2A、图2B所示,图1A是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第一实施例的示意图;图1B是图1A的侧视示意图;图2A是第一实施例的广角成像装置在不同位置进行图像扫描采集的示意图;图2B是第一实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼接的示意图。
本发明第一实施例的基于同心球面物镜的广角成像装置,包括:同心球面物镜10、三路小视场场镜子系统50及扫摆机构40。
所述的同心球面物镜10,具有62°×11°长方形视场。
所述的三路小视场场镜子系统50,每个小视场场镜子系统50包括:场镜20和在场镜20的成像侧设置的对应的探测器30。每个场镜20的光轴穿过同心球面物镜10的球心。优选的,每个场镜20到同心球面物镜10的球心的距离相同,每个场镜20的光轴在同一个平面(第一平面)。每个场镜20的视场是同心球面物镜10的视场的一部分,例如,每个场镜20的视场为11°×11°范围,但不限于此,也可以是10°×10°或12°×12°的视场范围。本实施例中,相邻的两路小视场场镜子系统50的光轴之间的夹角为20°。
所述的扫摆机构40,使得每个小视场场镜子系统围绕同心球面物镜10的球心旋转,该扫摆机构40具有第一扫描位置A和第二扫描位置B,小视场场镜子系统50分别在所述的第一扫描位置A和第二扫描位置B进行图像采集,在不同的扫描位置采集的图像有部分重叠,小视场场镜子系统50两次采集的图像拼接后得到单帧全幅图像。如图2A、图2B所示,扫摆机构40使得小视场场镜子系统50分别在第一扫描位置A、第二扫描位置B处扫描采集图像,得到六幅子图像,通过图像处理得到62°×11°视场的单帧 全幅图像,其中视场有重叠的两幅图像的重叠区域为1°视场。本实施例中,扫摆机构40包括旋转驱动装置41及支撑架43;该旋转驱动装置41例如是电机。优选的,该旋转驱动装置41的旋转轴线穿过该同心球面物镜10的球心。该支撑架43一端固定在该旋转驱动装置41的旋转轴上,另一端安装小视场场镜子系统50。该旋转驱动装置41旋转时带动支撑架43,使得小视场场镜子系统50分别在扫描位置A、扫描位置B处进行图像采集。
请参阅图3所示,是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第二实施例的示意图。
本发明第二实施例的基于同心球面物镜的广角成像装置,包括:同心球面物镜10、六路小视场场镜子系统50及扫摆机构40。
所述的同心球面物镜10,具有130°×12°长方形视场。
所述的六路小视场场镜子系统50,每个小视场场镜子系统50包括:场镜20和场镜20的成像侧设置的对应的探测器30。每个场镜20的光轴穿过同心球面物镜10的球心,优选的,每个场镜20到同心球面物镜10的球心的距离相同,每个场镜20的光轴在同一个平面(第一平面)。每个个小视场场镜子系统50的视场是12°×12°。本实施例中,相邻的两路小视场场镜子系统50的光轴之间的夹角为21°。
所述的扫摆机构40使得每个小视场场镜子系统围绕同心球面物镜10的球心旋转,该扫摆机构40具有第一扫描位置A和第二扫描位置B,小视场场镜子系统50分别在所述的第一扫描位置A和第二扫描位置B进行图像采集,在不同的扫描位置采集的图像有部分重叠,小视场场镜子系统50两次采集的图像拼接后得到单帧全幅图像。如图3所示,扫摆机构40使得小视场场镜子系统50分别在第一扫描位置A、第二扫描位置B下扫摆采集图像得到十二幅子图像,通过图像处理得到129°×12°视场的单帧全幅图像,其中视场有重叠的两幅图像的重叠区域为1.5°视场。本实施例的扫摆机构40与第一实施例的扫摆机构相同,包括旋转驱动装置41及支撑架43;该旋转驱动装置41例如是电机。优选的,该旋转驱动装置41的旋转轴线穿过该同心球面物镜10的球心。该支撑架43一端固定在该旋转驱动装置41的旋转轴上,另一端安装小视场场镜子系统50。该旋转驱动装置41旋转时带动支撑架43,使得小视场场镜子系统50分别在扫描位置A、扫描位置B处进行图像采集。
请参阅图4A、图4B所示,图4A是第三实施例的广角成像装置在不同位置进行图像扫描采集的示意图;图4B是第三实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼接的示意图。
本发明第三实施例的基于同心球面物镜的广角成像装置,包括:同心球面物镜10、两路小视场场镜子系统50及扫摆机构40。
所述的同心球面物镜10,具有62°×11°方形视场。
所述的两路小视场场镜子系统50,每个小视场场镜子系统50包括:场镜20和场镜20的成像侧设置的对应的探测器30。每个场镜20的光轴穿过同心球面物镜10的球心,优选的,每个场镜20到同心球面物镜10的球心的距离相同,每个场镜20的光轴在同一个平面(第一平面)。每个小视场场镜子系统50的视场是11°×11°。本实施例中,相邻的两路小视场场镜子系统50的光轴之间的夹角为30°。
所述的扫摆机构40与第一实施例的扫摆机构相似,不同之处在于具有三个扫描位置。所述的扫摆机构40使得每个小视场场镜子系统50围绕同心球面物镜10的球心旋转,该扫摆机构40具有第一扫描位置A、第二扫描位置B、第三扫描位置C,小视场场镜子系统50分别在所述的第一扫描位置A、第二扫描位置B和第三扫描位置C进行图像采集,在不同的扫描位置采集的图像有部分重叠,小视场场镜子系统50三次采集的图像拼接后得到单帧全幅图像。如图4A、图4B所示,小视场场镜子系统50分别在第一扫描位置A、第二扫描位置B和第三扫描位置C下扫摆采集图像得到六幅子图像,通过图像配准、拼接及融合得到62°×11°视场的单帧全幅图像,其中视场有重叠的两幅图像的重叠区域为1°视场。本实施例通过增加扫描位置,可以减少小视场场镜子系统的数目,减轻负载。
请参阅图5所示,是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第四实施例的示意图。
本发明第四实施例的基于同心球面物镜的广角成像装置,包括:同心球面物镜10、十三路小视场场镜子系统50及扫摆机构40。
所述的同心球面物镜10,具有360°×15°圆周视场。
所述的十三路小视场场镜子系统50,每个小视场场镜子系统50包括:场镜20和场镜20的成像侧设置的对应的探测器30。每个场镜20的光轴穿过同心球面物镜10的球心,优选的,每个场镜20到同心球面物镜10的球心的距离相同,每个场镜20的光轴在同一个平面(第一平面)。每个小视场场镜子系统50的视场是15°×15°。本实施例中,相邻的两路小视场场镜子系统50的光轴之间的夹角为27.7°。
所述的扫摆机构40与第一实施例的扫摆机构相似,不同之处在于本实施例的扫摆机构40安装有十三路小视场场镜子系统50。所述的扫摆机构40使得每个小视场场镜子系统50围绕同心球面物镜10的球心旋转,该扫摆机构40具有第一扫描位置A、第二扫描位置B,小视场场镜子系统50分别在所述的第一扫描位置A、第二扫描位置B进行图像采集,得到二十六幅子图像,通过图像配准、拼接及融合得到360°×15°视场的单帧全幅图像,其中视场有重叠的两幅图像的重叠区域为1.15°视场。本实施例的广角成 像装置可以但不限于应用于空基(空基是指空中平台,例如飞机)及地基(地基是指地面基地或平台)的预警、重要场所的无死角监控等领域。
请参阅图6A、图6B、图6C所示,图6A是本发明基于同心球面物镜的广角成像装置第五实施例的示意图、图6B是图6A的侧视示意图、图6C是第五实施例的广角成像装置在不同位置采集的子图像拼接的示意图。
本发明第五实施例的基于同心球面物镜的广角成像装置,包括:同心球面物镜10、九路小视场场镜子系统50及扫摆机构60。
所述的同心球面物镜10,具有62°×62°视场范围。
所述的九路小视场场镜子系统50,呈横向三组、纵向三组的三乘三的排列方式。每个小视场场镜子系统50包括:场镜20和场镜20的成像侧设置的对应的探测器30。每个场镜20的光轴穿过同心球面物镜10的球心,优选的,每个场镜20到同心球面物镜10的球心的距离相同。每个小视场场镜子系统50的视场是11°×11°。本实施例中,横向和纵向相邻的两路小视场场镜子系统50的光轴之间的夹角为20°。
所述的扫摆机构60包括旋转驱动装置41及导轨架45;该旋转驱动装置41例如是电机。优选的,该旋转驱动装置41的旋转轴线穿过该同心球面物镜10的球心。该导轨架45的轴线与该旋转驱动装置41的旋转轴重合。该导轨架45上安装有三条圆形导轨47(即横向三组),每条圆形导轨47上间隔安装有三路小视场场镜子系统50(即纵向三组),小视场场镜子系统50相对圆形导轨47移动,具有扫描位置A(图6A中虚线所示位置)和扫描位置B(图6A中实线所示位置)。该旋转驱动装置41旋转时带动导轨架45旋转,使得导轨架45分别在扫描位置I(图6B中实线所示)、扫描位置II(图6B中虚线所示)处进行图像采集。
本实施例的广角成像装置的扫描位置,根据扫摆机构60的导轨架45(横向)所处的位置和小视场场镜子系统50相对圆形导轨47所处的位置(纵向)的不同,具有扫描位置I与扫描位置A的组合、扫描位置I与扫描位置B的组合、扫描位置II与扫描位置A的组合、扫描位置II与扫描位置B的组合等四种扫描位置。所述的九路小视场场镜子系统50分别在前述四种扫描位置进行图像采集,得到四组三十六幅子图像,在不同的扫描位置采集的图像有部分重叠,通过图像配准、拼接及融合得到62°×62°视场的单帧全幅图像(如图6C所示),其中视场有重叠的两幅图像的重叠区域为1°视场。
虽然本发明以上述实施例进行了说明,但并非用以限定本发明的保护范围。前述实施例中所描述的小视场场镜子系统50的设置数量、扫描位置的数量、圆形导轨的数量、导轨架旋转位置的数量均可以做简单变形得到不同组合的实施例。例如,第五实施例中的导轨架45可以选择设置一个圆 形导轨47,导轨架45的图像采集位置可以选择2至9或者更多的位置,这样的简单变形也能实现结构紧凑,大视场成像的技术效果。

Claims (7)

1.一种基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其包括:
同心球面物镜,具有物镜视场;
小视场场镜子系统,包括:场镜和所述场镜的成像侧设置的对应的探测器;场镜的光轴穿过所述同心球面物镜的球心;场镜的视场是所述物镜视场的一部分;以及
扫摆机构,所述的扫摆机构使得所述小视场场镜子系统围绕所述同心球面物镜的球心旋转;所述的扫摆机构具有至少两个扫描位置;
其中,所述的小视场场镜子系统分别在所述的至少两个扫描位置采集图像得到至少两幅子图像,所述的至少两幅子图像拼接后得到单帧全幅图像,
其中,所述广角成像装置包含至少两路所述的小视场场镜子系统,每个所述的小视场场镜子系统的场镜到同心球面物镜球心的距离相同且光轴在同一个平面,相邻的所述的小视场场镜子系统的光轴之间的夹角大于所述的场镜的视场范围。
2.如权利要求1所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其具有三路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
3.如权利要求1所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其具有两路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置、第二扫描位置和第三扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置第二扫描位置和第三扫描位置进行子图像采集,三次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
4.如权利要求1所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其具有六路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
5.如权利要求1所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其具有十三路小视场场镜子系统;所述的扫摆机构,具有第一扫描位置和第二扫描位置;所述的小视场场镜子系统分别在所述的第一扫描位置和第二扫描位置进行子图像采集,两次采集的子图像拼接后得到单帧全幅图像。
6.如权利要求1所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其中所述的扫摆机构,横向上具有至少两个扫描位置,纵向上具有至少两个扫描位置。
7.如权利要求6所述的基于同心球面物镜的广角成像装置,其特征在于其中所述的扫摆机构包括导轨架,所述的导轨架相对所述同心球面物镜的球心旋转,具有至少两个旋转扫描位置;所述的导轨架上设置有至少一个圆形导轨,所述的圆形导轨上安装所述的小视场场镜子系统,所述的小视场场镜子系统相对所述的圆形导轨滑动设置,具有至少两个移动扫描位置。
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