CN107613168A - 一种基于变形目镜和oled微显示器的高分辨全景夜视系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，属于微光夜视、近红外光电成像技术领域。具体包括三个低照度摄像机组件、图像处理模块、OLED微显示器模块和变形目镜。三个低照度摄像机组件接收视场范围内的光亮度图像并将其转化为电子图像信号，由图像处理模块对获取的三幅图像进行拼接得到全景图像，进一步针对OLED微显示器的子像素排列方式，实现对全景图像的压缩显示，最后经过变形目镜将微显示器上压缩的图像恢复到正常状态。本发明实现了在低照度条件下，高分辨全景图像的成像与显示，可广泛用于夜间侦查、驾驶、监控等领域，同时还可用于需求大视场的观察条件但对颜色不敏感的某些特殊领域。

Description

一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统

技术领域

本发明涉及一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，具体涉及一种工作于400nm～1.1μm波段的宽视场、高分辨率的夜视成像与显示系统，属于微光夜视、近红外光电成像技术领域。

背景技术

作为开拓人眼视觉的夜视技术，在夜间观察、瞄准、驾驶、导航等军事应用中始终发挥着巨大的作用。特别是在执行一些特殊的夜间军事任务时(例如特种兵作战、车辆/直升机辅助驾驶仪等)，夜视仪可以将微弱的夜间光或近红外光的能量增强，使士兵在很低的照度下也可以观察到周围的场景。

夜视系统的观察视场在很大程度上决定了使用者能否像裸眼观察时那样具有良好的感知和识别能力。在诸如夜间侦查岗位的值班人员、装甲车、运钞车等急需对岗位或外围周边态势进行有效警戒的情况下，通常需要尽可能宽的视场，即在强调作用距离的同时更强调成像视场范围。而由于传统的光电成像系统分辨率(包括成像器件、显示器和光学系统等)难以适应在大视场条件下对目标景物探测和识别的要求，即增大视场角和提高分辨率之间存在矛盾，无法同时满足大视场和高分辨率的要求，因此，通常传统的夜视系统成像视场都不超过60°。

随着全景成像技术的兴起和不断发展，也为提高夜视系统的视场大小提供了诸多切实可行的方法。目前在目标场景获取方面，通过成像传感器的像素增加以及多传感器结合等方法，已经获得了大视场高分辨的成像系统。

然而，在全景图像的显示方面，由于通过拼接得到的全景图像的纵横比通常较大且分辨率很高，仅采用现有的单一显示器来实现全景显示时，若在保证不牺牲图像垂直分辨率的情况下，势必会极大地损失的图像水平分辨率；若在保证不牺牲图像水平分辨率的情况下，则需进一步增大显示器的尺寸，或进行显示器的拼接，但均难以实现小型化，特别是在一些便携仪器的显示方面，一方面微显示器的分辨率不足，另一方面显示器的尺寸也会受到空间、重量以及目镜视场等多种限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，在低照度条件下，仅采用单一OLED微显示器来实现宽视场全景图像的成像与显示，且能够同时保证图像的水平和垂直分辨率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，包括三个低照度摄像机组件、图像处理模块、OLED微显示器模块和变形目镜。

各组成部分的连接关系为：三个低照度摄像机组件、图像处理模块和OLED微显示器模块按前后顺序依次相连接；变形目镜位于OLED微显示器模块之后，OLED微显示器的有效显示区位于变形目镜的物面上，且OLED微显示器的有效显示区中心位于变形目镜的光轴上。

所述的三个低照度摄像机组件由沿圆弧支架水平安装的三个同步控制的低照度CCD摄像机组成，各摄像机成像视场(与探测器光敏面尺寸和物镜焦距有关)，摄像机光轴沿圆弧支架径向向外且相邻摄像机光轴的夹角与摄像机水平视场-δ一致(δ为重叠视场)。由此实现视场范围内全景图像的同时获取，并分别成像在各摄像机的光敏面上，实现光亮度图像到电子图像信号的转换。

所述的图像处理模块采用DSP或FPGA数字图像处理板，负责接收输入的3路视频图像信号，并对相邻摄像机视场的图像进行有效拼接处理，之后针对于OLED微显示器的子像素结构，进行驱动信号重编码，实现有效的全景视频图像的驱动。

所述驱动信号重编码的方法为：所述图像处理模块将经过拼接处理得到的宽视场全景图像的每三个水平像素信号按照RGB三信号的组合模式进行重新编码，并以OLED微显示器的子像素作为独立显示像素，得到的重编码驱动信号。

所述的OLED微显示器模块由特定不带像素滤光片阵列(CFA)的常规彩色OLED微显示器(像素数M×N)及其驱动电路板组成，将OLED微显示器的1个RGB显示像素分成3个灰度像素驱动显示，在不改变微显示器外形的情况下，构成一种3M×N像素的全景微显示器，接收由图像处理模块产生的图像视频显示重编码驱动信号，实现宽视场全景灰度视频图像(水平方向3倍压缩)实时显示。

所述变形目镜的水平和垂直方向的放大率相差3倍，其作用是将OLED微显示器上压缩显示的全景图像放大和水平3倍拉伸，以恢复成正常的宽视场光学图像。

所述变形目镜包括：第一双胶合柱面透镜，第一双胶合球面透镜，第二双胶合球面透镜，第二双胶合柱面透镜和大目镜。所述第一双胶合柱面透镜，第一双胶合球面透镜，第二双胶合球面透镜，第二双胶合柱面透镜和大目镜依次共光轴排列。第一双胶合柱面透镜，第一双胶合球面透镜，第二双胶合球面透镜和第二双胶合柱面透镜构成一组透镜组，用于获得水平和垂直方向3:1的变倍比；大目镜用于将透镜组形成的像进一步放大并成像于人眼。

其中的第一双胶合柱面透镜，第一双胶合球面透镜，第二双胶合球面透镜，第二双胶合柱面透镜均由光学玻璃或光学塑料制作。

所述变形目镜光学系统中，第一双胶合柱面透镜和第一双胶合球面透镜之间的距离为78.6mm，第一双胶合球面透镜和第二双胶合球面透镜之间的距离为11.3mm，第二双胶合球面透镜和第二双胶合柱面透镜之间的距离为78.6mm，第二双胶合柱面透镜和大目镜之间的距离为24mm。

本发明的基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统的工作过程为：三个低照度摄像机组件接收视场范围内的光亮度图像，并将其成像到光敏面上，经过光电转换后将3组光学图像转换成电子图像信号。再由图像处理模块对多组电子图像信号做信号处理，以实现将多幅图像拼接成一幅宽视场全景图像，进一步针对OLED微显示器子像素的排列方式，对图像的纵横比进行电子压缩，产生重编码驱动信号。OLED微显示器模块接收到重编码驱动信号后，将形成的宽视场全景图像作压缩变形显示。最后经由变形目镜完成对图像纵横比的光学解压缩，从而使一幅正常的宽视场全景图像成像于人眼。

有益效果

本发明的基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统能够实现在低照度条件下，高分辨宽视场全景图像的成像与显示，相比于传统夜视系统具有以下优点：

1、采用数字视频器件(CCD)作为传感器取代像增强器，可以有效地减少整个系统的体积和重量；

2、采用多图像传感器拼接方式，实现了宽视场、高分辨图像的获取；

3、搭配小型化数字显示器(OLED微显示器)，能够实现高分辨图像显示的同时也便于进行数字图像处理等操作；

4、利用变形目镜通过改变图像的纵横比，可以显著地扩展现有微显示器的显示能力，使得仅用一块微显示器，即可实现宽视场、高分辨的图像显示，从而避免了显示器拼接带来的问题；

5、可广泛用于夜间侦查、驾驶、监控等领域，同时还可用于需求大视场的观察条件但对颜色不敏感的某些特殊领域。

附图说明

图1是本发明的基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统结构示意图；

图2是OLED微显示器的子像素排列示意图；

图3是本发明给出的一种变形目镜结构示意图；

图4是由OLED微显示器压缩变形显示的全景效果图；

图5是经过变形目镜进行光学解压缩后得到的全景效果图。

其中，1-三个低照度摄像机组件，2-图像处理模块，3-OLED微显示器模块，4-变形目镜，5-低照度CCD摄像机，6-圆弧支架，7-子像素，8-第一双胶合柱面透镜，9-第一双胶合球面透镜，10-第二双胶合球面透镜，11-第二双胶合柱面透镜，12-大目镜。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统具体包括：三个低照度摄像机组件1、图像处理模块2、OLED微显示器模块3、变形目镜4，如图1所示。其中，三个低照度摄像机组件1用于获取大视场范围的三组光亮度图像，并产生三组对应的电子图像信号；图像处理模块2对三组电子图像信号进行处理，将三幅图像拼接成一幅宽视场全景图像，并针对于OLED微显示器的子像素排列方式，产生水平方向压缩显示的重编码驱动信号；OLED微显示器模块3接收到重编码驱动信号后，压缩显示宽视场全景图像；变形目镜4使在OLED微显示器模块3上显示的受到压缩的图像恢复到正常状态。

本实施例的三个低照度摄像机组件1由三个同步控制的低照度CCD摄像机5组成，并沿圆弧支架6水平安装。各低照度CCD摄像机5均装配镜头，其成像视场角为60°×45°，分辨率为768×582。由于各低照度CCD摄像机5之间存在视场重叠，且重叠视场角为10°，故由三个低照度摄像机组件1拍摄到的总的视场角为160°×45°。

本实施例的图像处理模块2为基于FPGA的数字图像处理开发板，接收由三个低照度摄像机组件1输出的三组电子图像信号，并进行图像拼接处理，形成一整幅全景图像，同时，针对于OLED微显示器子像素的驱动模式，产生水平方向压缩显示的重编码驱动信号。

本实施例的OLED微显示器模块3由特定不带像素滤光片阵列(CFA)的常规彩色OLED微显示器及其驱动电路板组成，其中，所用OLED微显示器的分辨率为800(×3)×600。

目前，彩色OLED微显示器的单个像素点由水平排列的RGB三个子像素构成，并通过三基色彩色滤光片分别实现片上的RGB三原色显示。由于像素宽度与高度基本相当，因此每个RGB子像素呈长方形结构。对于彩色图像的显示，由于人眼视觉可分辨尺寸大于子像素尺寸，因此，在视觉上，人眼感知到的是RGB三色信号的合成颜色，从而实现彩色图像的有效显示，即彩色OLED微显示器是以三个RGB子像素作为一个显示像素。

而对于本实施例中的OLED微显示器，则是由彩色OLED微显示器通过去除彩色滤光片得到的。OLED微显示器的子像素排列结构如图2所示，以单一子像素7作为一个显示像素，则可以得到2400×600分辨率的新型OLED微显示器。由于夜视条件下拍摄到的图像为单色灰度图像，所以可以将2400×600分辨率的全景灰度图像在800(×3)×600分辨率的OLED微显示器上显示，避免了显示器的拼接，但会使图像的纵横比会变为原来的1/3。图像处理模块2将经过拼接处理得到的宽视场全景图像的每三个水平像素信号按照RGB三信号的组合模式进行重新编码，并将得到的重编码驱动信号输出到去除彩色滤光片的OLED微显示屏的驱动电路上，从而实现了对全景图像纵横比的压缩操作，即图像的变形压缩显示。

本实施例中，经过重编码驱动获得的2400×600像素高分辨OLED微显示器的单个像素单元呈长方形，长宽比为3:1。为了使得其长宽比恢复到1:1，需要使用变形目镜4进行图像纵横比的光学解压缩操作。所述的变形目镜4在水平和垂直两个方向的焦距不同，使得水平和垂直方向的变倍比为3:1，从而使受到压缩的图像恢复到正常状态。变形目镜4通过将长方形的显示像素拉伸变形为正方形的显示像素，进而将恢复了的宽视场全景光学图像成像于人眼，最终实现了该夜视系统的宽视场成像效果。

本实施例的变形目镜4的结构示意图如图3所示，包括第一双胶合柱面透镜8，第一双胶合球面透镜9，第二双胶合球面透镜10，第二双胶合柱面透镜11，大目镜12。其中第一双胶合柱面透镜8，第一双胶合球面透镜9，第二双胶合球面透镜10，第二双胶合柱面透镜11，大目镜12依次共光轴排列。第一双胶合柱面透镜8，第一双胶合球面透镜9，第二双胶合球面透镜10和第二双胶合柱面透镜11均由光学玻璃制作，并构成一组透镜组，用于获得水平和垂直方向3:1的变倍比；大目镜12采用由北方长城光电仪器公司生产的大目镜，用于将四块透镜组形成的像进一步放大并成像于人眼。

本实施例的变形目镜4光学系统中，第一双胶合柱面透镜8和第一双胶合球面透镜9之间的距离为78.6mm，第一双胶合球面透镜9和第二双胶合球面透镜10之间的距离为11.3mm，第二双胶合球面透镜10和第二双胶合柱面透镜11之间的距离为78.6mm，第二双胶合柱面透镜11和大目镜12之间的距离为24mm。其中，第一双胶合柱面透镜8和第二双胶合柱面透镜11直径为23.4mm，厚度为11.39mm，焦距为50mm；第一双胶合球面透镜9和第二双胶合球面透镜10直径为25.4mm，厚度为6.84mm，焦距为125mm。光学系统图如图3所示。

本实施例的工作过程为：三个低照度摄像机组件1接收视场范围内的光亮度图像，并将其成像到光敏面上，经过光电转换后将3组光学图像转换成电子图像信号。再由图像处理模块2对多组电子图像信号做信号处理，以实现将多幅图像拼接成一幅宽视场全景图像，进一步针对OLED微显示器子像素的排列方式，对图像的纵横比进行电子压缩，产生重编码驱动信号。OLED微显示器模块3接收到重编码驱动信号后，将形成的2400×600高分辨宽视场全景图像作压缩变形显示。最后经由变形目镜4完成对图像纵横比的光学解压缩，从而使一幅正常的宽视场全景图像成像于人眼。

本实施例的整体系统经过搭建联调后，分别采集到的由OLED微显示器压缩变形显示的全景效果图如图4所示，经过变形目镜4进行光学解压缩后得到的全景效果图如图5所示。可以看出，本实施例在仅采用单一OLED微显示器的情况下，配合变形目镜的拉伸放大功能，能够实现高分辨全景图像的成像与显示，且对宽视场全景图像具有较好的观察效果以及良好的还原度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的一种具体实施例，用于解释本发明，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 (10)

1.一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：包括三个低照度摄像机组件、图像处理模块、OLED微显示器模块和变形目镜；

三个低照度摄像机组件、图像处理模块和OLED微显示器模块按前后顺序依次相连接；变形目镜位于OLED微显示器模块之后，OLED微显示器的有效显示区位于变形目镜的物面上，且OLED微显示器的有效显示区中心位于变形目镜的光轴上。

2.如权利要求1所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述的图像处理模块采用DSP或FPGA数字图像处理板，负责接收输入的3路视频图像信号，并对相邻摄像机视场的图像进行有效拼接处理，之后针对于OLED微显示器的子像素结构，进行驱动信号重编码，实现有效的全景视频图像的驱动。

3.如权利要求1所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述变形目镜的水平和垂直方向的放大率相差3倍，作用是将OLED微显示器上压缩显示的全景图像放大和水平3倍拉伸，以恢复成正常的宽视场光学图像。

4.如权利要求2所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述驱动信号重编码的方法为：所述图像处理模块将经过拼接处理得到的宽视场全景图像的每三个水平像素信号按照RGB三信号的组合模式进行重新编码，并以OLED微显示器的子像素作为独立显示像素，进而得到重编码驱动信号。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述的OLED微显示器模块由特定不带像素滤光片阵列(CFA)的常规彩色OLED微显示器(像素数M×N)及其驱动电路板组成，将OLED微显示器的1个RGB显示像素分成3个灰度像素驱动显示，在不改变微显示器外形的情况下，构成一种3M×N像素的全景微显示器，接收由图像处理模块产生的图像视频显示重编码驱动信号，实现宽视场全景灰度视频图像实时显示。

6.如权利要求2所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述的三个低照度摄像机组件由沿圆弧支架水平安装的三个同步控制的低照度CCD摄像机组成，各摄像机成像视场(与探测器光敏面尺寸和物镜焦距有关)，摄像机光轴沿圆弧支架径向向外且相邻摄像机光轴的夹角与摄像机水平视场一致，δ为重叠视场；由此实现视场范围内全景图像的同时获取，并分别成像在各摄像机的光敏面上，实现光亮度图像到电子图像信号的转换。

7.如权利要求1或3所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述变形目镜(4)包括：第一双胶合柱面透镜(8)，第一双胶合球面透镜(9)，第二双胶合球面透镜(10)，第二双胶合柱面透镜(11)和大目镜(12)；所述第一双胶合柱面透镜(8)，第一双胶合球面透镜(9)，第二双胶合球面透镜(10)，第二双胶合柱面透镜(11)和大目镜(12)依次共光轴排列；第一双胶合柱面透镜(8)，第一双胶合球面透镜(9)，第二双胶合球面透镜(10)和第二双胶合柱面透镜(11)构成一组透镜组，用于获得水平和垂直方向3:1的变倍比；大目镜12用于将透镜组形成的像进一步放大并成像于人眼。

8.如权利要求7所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述变形目镜(4)光学系统中，第一双胶合柱面透镜(8)和第一双胶合球面透镜(9)之间的距离为78.6mm，第一双胶合球面透镜(9)和第二双胶合球面透镜(10)之间的距离为11.3mm，第二双胶合球面透镜(10)和第二双胶合柱面透镜(11)之间的距离为78.6mm，第二双胶合柱面透镜(11)和大目镜(12)之间的距离为24mm。

9.如权利要求7或8所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：所述的第一双胶合柱面透镜(8)，第一双胶合球面透镜(9)，第二双胶合球面透镜(10)，第二双胶合柱面透镜(11)均由光学玻璃或光学塑料制作。

10.如权利要求1所述的一种基于变形目镜和OLED微显示器的高分辨全景夜视系统，其特征在于：工作过程为：三个低照度摄像机组件接收视场范围内的光亮度图像，并将其成像到光敏面上，经过光电转换后将3组光学图像转换成电子图像信号；再由图像处理模块对多组电子图像信号做信号处理，以实现将多幅图像拼接成一幅宽视场全景图像，进一步针对OLED微显示器子像素的排列方式，对图像的纵横比进行电子压缩，产生重编码驱动信号；OLED微显示器模块接收到重编码驱动信号后，将形成的宽视场全景图像作压缩变形显示；最后经由变形目镜完成对图像纵横比的光学解压缩，从而使一幅正常的宽视场全景图像成像于人眼。