CN112595418B - 一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机 - Google Patents
一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，解决现有偏振成像系统结构复杂，装调难度较大，成像范围小，不能准确获取目标的位置信息、强度信息和目标材质信息的问题。该相机包括依次设置的曲面复眼单元、光学中继转像子单元和大面阵平面探测器；曲面复眼单元包括支撑壳体、子透镜阵列和偏振片阵列；支撑壳体表面设置有多个安装孔；子透镜阵列包括多个曲面子透镜，多个曲面子透镜按照六边形方式自中心向周边进行排布；偏振片阵列包括多个偏振片，多个偏振片位于曲面子透镜的入射光路上；光学中继转像子单元用于将曲面复眼单元获取的曲面图像信息引导到大面阵平面探测器上；大面阵平面探测器用于采集不同偏振方向的图像信息。
Description
技术领域
本发明属于偏振光学成像系统设计以及光电探测领域，具体涉及一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机。
背景技术
偏振成像技术通过采集目标辐射或反射的电磁波信息，可以综合获得目标偏振和图像等多维特征，有效增强图像之间的对比度，突出目标的细节特征，提高目标探测与识别能力。
目前主要的偏振成像探测方法可分为四种：分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型。分时型偏振成像系统在光路中通过手动/电动的方式旋转偏振片到不同偏振方向获得目标光波的全部偏振分量，该方法简单易行，但是实时性较差，不能对动态场景进行偏振成像。分振幅型偏振成像技术采用多个偏振分束器将目标光束分割成不同偏振方向的偏振光，进而被多个探测器接收，实现对同一个场景实时成像，但是此种成像方式由于采用多路分光的工作模式，一方面增加了系统体积和光能损耗，另一方面设计时无法保证每个通道光学元件参数一致，每个探测器之间的参数差异均会导致探测信息存在偏差，难以保证探测精度。分孔径偏振成像系统将同轴系统中一部分光学元件进行离轴化设计，使整个系统分成多个子孔径成像通道，在每个通道设置不同的偏振片以获取不同状态的偏振图像。这种成像方式结构紧凑，可以大幅度降低成本，但是分孔径的光学系统仍然很复杂，并且在Y方向上有较大的偏移量，导致装配调试增加难度。焦平面分割型是将微阵列偏振片集成到感光芯片上，从而实现图像偏振测量，这种方式集成化程度高，具有很高的时间分辨率，但是目前制备工艺难度较大。
综上所述，现有技术偏振成像系统复杂、装调难度较大、成像范围小、很难做到大视场拍摄，不能准确获取目标的位置信息、强度信息和目标材质信息。
发明内容
本发明的目的是解决现有偏振成像系统复杂，装调难度较大，成像范围小，不能准确获取目标的位置信息、强度信息和目标材质信息的问题，提出一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，实现大视场偏振成像。
为实现以上发明目的，本发明技术方案为：
一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，包括依次设置的曲面复眼单元、光学中继转像子单元和大面阵平面探测器；所述曲面复眼单元包括支撑壳体、子透镜阵列和偏振片阵列，用于采集超大视场范围内的目标偏振信息；所述支撑壳体为半球形壳体，且半球形壳体表面设置有多个安装孔；所述子透镜阵列包括位于第二球型曲面上的多个曲面子透镜，多个曲面子透镜设置安装孔内，且按照六边形方式自中心向周边进行排布；所述偏振片阵列包括位于第一球型曲面的多个偏振片，且第一球型曲面与第二球型曲面同心；所述偏振片设置在安装孔内，且位于曲面子透镜的入射光路上，任一偏振片与其周围六个偏振片的偏振方向均不相同；同一安装孔内的偏振片和曲面子透镜形成一个成像子眼，每个成像子眼周边设置有六个相邻且不同偏振方向的成像子眼，相邻成像子眼存在一定的重叠率，七个成像子眼形成一个偏振成像单元，每个偏振成像单元中的七个成像子眼均对目标场景中的同一目标进行成像，从而获取其多个不同偏振方向的图像信息；所述光学中继转像子单元用于将曲面复眼单元获取的曲面图像信息引导到大面阵平面探测器上；所述大面阵平面探测器位于光学中继转像子单元的后方，用于采集不同偏振方向的图像信息。
进一步地，相邻成像子眼的光轴夹角为7°，每个成像子眼的视场为14°，相邻成像子眼的重叠率为49.99％。
进一步地，所述偏振成像单元中的七个成像子眼的偏振方向均不同，共包括七个偏振方向。
进一步地，所述曲面子透镜为由两块透镜组成的胶合透镜。
进一步地，所述光学中继转像子单元主要由七片透镜组成。
进一步地，所述安装孔为阶梯孔，所述曲面子透镜和偏振片设置在阶梯孔内，且通过压圈固定。
进一步地，所述支撑壳体通过五轴数控机床制作。
进一步地，所述超大视场偏振相机的光学系统总焦距为5mm，视场为98°×98°，相对孔径为1/3.5，最大口径小于36mm，光学总长为152mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明超大视场偏振相机能够获取超大视场场景的偏振图像信息，偏振信息可以有效提高目标之间的对比度，突出目标的细节特征，增强目标识别效果，更加深入、全面地了解目标的属性和行为。
2.本发明超大视场偏振相机中，曲面子透镜和偏振片被设计成批量生产和可互换的，使得系统结构简单，易于安装和更换，装配和维护难度较小，从而降低了成本。同时，光学中继转像子单元中所有透镜面型均可采用标准面型，所用材料均是常规材料，可最大限度的降低成本。
3.本发明超大视场偏振相机能够实现超大视场场景的多偏振方向成像，视场可达98°×98°。除了输出偏振图像，该相机还可以实现图像高分辨率重构以及扩展景深，还可以进行目标的实时跟踪与识别。
4.本发明超大视场偏振相机的相邻子眼由于存在较高的重叠率，因此能够探测动态目标的运动轨迹并且有效提高了探测的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机的原理图；
图2为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机的结构示意图图；
图3为本发明偏振片阵列的排布模式示意图；
图4为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机光线追迹示意图；
图5为用ZEMAX光学设计软件对中心成像子眼进行仿真生成的调制传递函数曲线图。
图6为用ZEMAX光学设计软件对边缘成像子眼分别进行仿真生成的调制传递函数曲线图。
附图标记：1-曲面复眼单元，2-光学中继转像子单元，3-大面阵平面探测器，11-支撑壳体，12-子透镜阵列，13-偏振片阵列，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜，25-第五透镜，26-第六透镜，27-第七透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，该超大视场偏振相机受自然界生物复眼结构的启发，将子透镜排列成曲面以获取大视场场景信息，而为了获取大视场范围内的偏振信息，将偏振片以六边形排列的方式扩散至整个孔径阵列，配合现有算法即可提取出大视场场景的偏振图像，本发明超大视场偏振相机能够获取超大视场场景的偏振图像信息，偏振信息可以有效提高目标之间的对比度，突出目标的细节特征，增强目标识别效果，更加深入、全面地了解目标的属性和行为。
如图1所示，本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机包括曲面复眼单元1、光学中继转像子单元2和大面阵平面探测器3。曲面复眼单元1用于采集超大视场范围内的目标信息，包括支撑壳体11、子透镜阵列12和偏振片阵列13；支撑壳体11为半球形壳体，半球形壳体表面设置有多个安装孔；子透镜阵列12包括位于第二球型曲面上的多个曲面子透镜，单个曲面子透镜的形状是具有一定半径的球面，且曲面子透镜是由两块透镜组成的胶合透镜，此种方式可增大单个子眼的视场角，提高单个子通道的成像质量，多个曲面子透镜设置安装孔内，按照六边形方式自中心向周边进行排布；偏振片阵列13包括位于第一球型曲面上的多个偏振片，且第一球型曲面与第二球型曲面同心；多个偏振片设置在安装孔，且位于曲面子透镜的入射光路上，任一偏振片与其周围六个偏振片的偏振方向均不相同。光学中继转像子单元2用于将曲面复眼单元1形成的图像信息引导到大面阵平面探测器3上；大面阵平面探测器3位于光学中继转像子单元2的后方，用于采集不同偏振方向的图像信息，下面对超大视场偏振相机包括的三个部分进行详细的说明。
曲面复眼单元1：该单元包含三个组成部分，分别为支撑壳体11、子透镜阵列12和偏振片阵列13。支撑壳体11是一个带有六边形排列阶梯孔的金属半球壳体，其中相邻孔之间存在一定的距离，该半球壳通过五轴数控机床加工制作而成，支撑壳体11的这种设计一方面可隔离成像子眼间隙的杂散光，并防止成像子眼之间信息串扰，另一方面保证子透镜阵列12安装深度的一致性，并提高了子透镜阵列12固定的可靠性。偏振片阵列13位于子透镜阵列12前方，分布于第一球型曲面。子透镜阵列12则是模仿复眼中成像子眼的排布方式，分布在与第一球型曲面同心的第二球型曲面上，用于获得超大视场成像。安装时，曲面子透镜安装在支撑壳体11的阶梯孔内，用压圈固定。每个曲面子透镜前方各安装一个不同偏振方向的偏振片，曲面子透镜被设计成批量生产和可互换的，所以系统装配和维护将变得简单，易于安装和更换，从而降低了成本。
半球壳体上每个包含偏振片和曲面子透镜的孔都称为一个子通道，即复眼中的成像子眼，所有成像子眼呈六边形排列，每个成像子眼周边都有六个相邻的不同偏振方向的成像子眼，每七个带有不同偏振方向偏振片的曲面子透镜为一个偏振成像单元，其中相邻成像子眼具有一定的视场重叠。每个偏振成像单元中的七个成像子眼都可以对目标场景中的同一目标进行成像，从而获取其多个不同偏振方向的图像信息，实现大视场范围高分辨率偏振成像。
光学中继转像子单元2：该光学中继转像子单元不仅能够很好的控制光学像差形成良好像质的平面像，而且保证相邻成像子眼的像面不发生重叠。光学中继转像子单元2共包含七片透镜，主要负责将曲面复眼单元1形成的曲面像转换成平面像以便平面图像传感器接收。这种光学设计解决了以下问题：1)将光线引导到平面上并形成图像；2)校正像差以提高成像质量；3)控制相邻通道的图像大小以防止成像平面上的串扰。该单元所有透镜面型均采用标准面型，所用材料均是常规材料，这样可最大限度的降低成本。
大面阵平面探测器3：大面阵平面探测器3具体可采用大面阵的COMS图像传感器，该图像传感器可以把连续的光学图像采样为离散的数字图像，配以现有算法根据相机结构和子图像特征将各成像子眼的偏振图像进行重构计算，进而得出较好的最终图像。此外，还具有更高的分辨率和较强的抗干扰抗辐射能力，能够很好的应用于超大视场场景的目标探测领域。
下面结合附图对本发明超大视场偏振相机的实施例进行详细的描述。
图1所示为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机结构示意图，包括三个部分：曲面复眼单元1、光学中继转像子单元2和大面阵平面探测器3。该超大视场偏振相机的结构与自然界并置型复眼结构类似，自然界并置型复眼也是由角膜，晶体锥和感杆束三部分组成，从而该相机可以具有自然界复眼的优点，比如可以捕获超大视场场景信息。该超大视场偏振相机中的子透镜阵列12按照图3中六边形工作模式分布，其中相邻成像子眼存在一定的重叠率，因此每个探测单元中的七个成像子眼可以同时捕获同一个场景中同一个目标的偏振和图像信息，最终配合适当的算法可以重构出超大视场场景内的偏振图像信息。
图2所示为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机的详细组成。曲面复眼单元1由三个部分组成，支撑壳体11，子透镜阵列12和偏振片阵列13。支撑壳体11是一个带有六边形排列的阶梯孔阵列的金属半球壳，通过机械加工制作。支撑壳体11除了起到安装固定曲面子透镜的作用之外，还可以防止相邻成像子眼的光线串扰。子透镜阵列12中的每个曲面子透镜是由一组胶合镜组组成，并安装在半球壳的阶梯孔内，在每个曲面子透镜前方各安装一片不同偏振方向的偏振片，形成偏振片阵列13。光学中继转像子单元2包含七片透镜，分别为第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25、第六透镜26、第七透镜27，将曲面复眼单元1形成的焦曲面转换成像质良好的焦平面，并且控制相邻子图像不发生重叠。图像传感器CMOS负责图像采集，利用视场重叠的优势，并通过图像重构算法复原出超大视场场景的偏振图像。
图3所示为本发明偏振片阵列13的排布模式示意图，图中每个小圆代表一个成像子眼，小圆内填充物的不同角度代表不同偏振方向的偏振片，共P0-P6七个偏振方向。七个成像子眼以其中一个为中心呈六边形规则排列，组成一个探测单元，再分别以其余周边六个各自为中心，每个周围都排列有六个不同偏振方向的偏振片，依次按这种方式排布开来。这种排布方式满足无论以哪个成像子眼为中心，其周边都有六个不同偏振方向的成像子眼与其组成一个探测单元。图3中虚线圈内的一个单元以偏振方向P0为中心，周边P1、P2、P3、P4、P5、P6以六边形排列。若以周边P6为中心，则圈内单元的中心P0以及P1、P5成为新的单元的周边，和另外的P4、P2、P3共同组成新的探测单元。
图4所示为本发明基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机光线追迹图。该单元的相邻成像子眼光轴夹角为7°，每个成像子眼的视场为14°，相邻成像子眼重叠率接近50％，小眼个数为127，曲面子透镜口径为7.4mm，球壳半径为68mm。系统总焦距为5mm，光学中继转像子单元2的焦距为14mm，，视场为98°×98°，相对孔径为1/3.5，最大口径小于36mm，光学总长为152mm，本发明子系统2的总焦距为5mm，可以探测工作距离为500m的目标。
图5和图6所示本发明用ZEMAX光学设计软件对中心和边缘成像子眼分别进行仿真生成的调制传递函数(MTF)曲线图，其横坐标表示空间频率，纵坐标表示MTF值，其中的曲线表示在不同视场下子午光线和弧矢光线的MTF值。图5和图6分别显示在空间频率为55lp/mm时中心和边缘成像子眼不同视场的MTF值达到0.4以上，说明本发明具有较好的光学性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，其特征在于：包括依次设置的曲面复眼单元（1）、光学中继转像子单元（2）和大面阵平面探测器（3）；
所述曲面复眼单元（1）包括支撑壳体（11）、子透镜阵列（12）和偏振片阵列（13），用于采集超大视场范围内的目标偏振信息；
所述支撑壳体（11）为半球形壳体，且半球形壳体表面设置有多个安装孔；
所述子透镜阵列（12）包括位于第二球型曲面上的多个曲面子透镜，所述曲面子透镜为由两块透镜组成的胶合透镜；多个曲面子透镜设置在安装孔内，且按照六边形方式自中心向周边进行排布；所述偏振片阵列（13）包括位于第一球型曲面的多个偏振片，且第一球型曲面与第二球型曲面同心；所述偏振片设置在安装孔内，且位于曲面子透镜的入射光路上，任一偏振片与其周围六个偏振片的偏振方向均不相同；
同一安装孔内的偏振片和曲面子透镜形成一个成像子眼，每个成像子眼周边设置有六个相邻且不同偏振方向的成像子眼，相邻成像子眼存在一定的重叠率，七个成像子眼形成一个偏振成像单元，每个偏振成像单元中的七个成像子眼均对目标场景中的同一目标进行成像，从而获取其多个不同偏振方向的图像信息；相邻成像子眼的光轴夹角为7°，每个成像子眼的视场为14°，相邻成像子眼的重叠率为49.99%；偏振成像单元中的七个成像子眼的偏振方向均不同，共包括七个偏振方向；
所述光学中继转像子单元（2）用于将曲面复眼单元（1）获取的曲面图像信息引导至大面阵平面探测器（3）上；所述大面阵平面探测器（3）位于光学中继转像子单元（2）的后方，用于采集不同偏振方向的图像信息。
2.根据权利要求1所述的基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，其特征在于：所述光学中继转像子单元（2）由七片透镜组成。
3.根据权利要求2所述的基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，其特征在于：所述安装孔为阶梯孔，所述曲面子透镜和偏振片设置在阶梯孔内，且通过压圈固定。
4.根据权利要求3所述的基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，其特征在于：所述支撑壳体（11）通过五轴数控机床制作。
5.根据权利要求4所述的基于仿生曲面复眼的超大视场偏振相机，其特征在于：所述超大视场偏振相机的光学系统总焦距为5mm，视场为98°×98°，相对孔径为1/3.5，最大口径小于36mm，光学总长为152mm。
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