CN208046731U - 仿生光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及大视场高分辨成像技术领域，特别是仿生光学成像系统。该成像系统至少包括两个子系统，每个子系统包括一个同心球物镜和至少两个子孔径相机，每个子系统的每个子孔径相机的光轴通过相应的子系统的同心球物镜的中心，设置子孔径相机成像的图像间隔设定视场角，再通过各子系统的图像交叉重叠对间隔设定视场角的空缺部分进行互补，并在设定的视场范围内连续，使得相邻子孔径相机间隔一定角度，有效防止了子孔径之间的干涉现象，使成像系统渐晕降低，视场范围内具有良好的照度均匀性，解决了现有大视场高分辨光学成像系统存在结构干涉和采集图像边缘视场渐晕导致的成像质量较差、拼接困难等问题。

Description

仿生光学成像系统

技术领域

本实用新型涉及大视场高分辨成像技术领域，特别是仿生光学成像系统。

背景技术

光学成像设备相对于雷达具有高分辨率、可视化、被动探测等特点，因此被广泛应用于监视、侦查、搜救等各种领域。假设光学系统的视场角为θ，角分辨率为γ，成像视场范围外接于图像传感器的矩形光敏面，图像传感器的单边像元数为N_H×N_V，则存在：

由此可知，当选定图像传感器后(N_H与N_V为定值)，γ值越小(即角分辨率越高)，则θ值越小(即视场角越小)，视场角受到角分辨率限制；当角分辨率γ一定时，限于图像传感器的制造工艺，N_H和N_V不可能无限大，因此光学系统视场角θ最大值受图像传感器参数限制。

然而，在一些典型应用情况下，往往要求光学系统在很大的视场范围内具有很高的成像分辨率。如海上搜救需要在最短的时间内，尽可能搜索最大的海面范围，寻找失踪人员或碎片残骸；又如重要活动的空中监控，需要及时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，定位并跟踪可疑的个人及车辆。这些应用情况都要求系统同时具备大视场角、高角分辨率以及高的成像总分辨率，因此，如何解决视场大小与分辨率之间的制约关系问题成为技术应用的关键因素。

为实现大视场和高分辨率的光学成像系统，通过扫描式拼接成像原理，利用线阵或面阵CCD整体旋转扫描进行大视场高分辨率成像；或使图像传感器固定不动，利用振镜扫描改变视场范围，进行图像拼接；又或使用广角镜头，利用图像传感器平移，多次成像实现大视场高分辨率成像，但上述扫描式拼接成像的共同缺点是存在成像时间差，在拍摄静态目标时无明显表现，但如果目标与相机之间存在相对运动，则会导致很大的重影问题。为了解决上述问题，还可利用多个摄像机以不同角度对准同一个球心获取图像再进行拼接；或利用多个摄像机分层安装，忽略层次之间的视场范围差别，对准不同方向成像再进行拼接，但多摄像机成像的共同缺点是在视场角一定的情况下，随着总分辨率的增加，系统体积成指数增加，扩展性和实用性不强。

有中国专利公告号为CN103698900B的专利文献公开了一种用于大规模高分辨率遥感相机的光学成像系统，其中微小透镜阵列位于前置物镜和探测器焦平面之间，前置物镜采用同心对称的球形透镜结构，以获取大视场场景；微小透镜阵列的每个通道由一组分离的双胶合透镜组构成，用于在其所承担通道的小视场范围内实现精细像差校正，形成多个独立的成像通道，将整个视场内信息无任何损失地全部成像至探测器焦平面上，在大视场内各处都获得衍射极限性能的高分辨率成像。但上述光学成像系统将个子孔径采集传感器并列设置，真正实施时每个相邻的子孔径之间必然存在子孔径干涉，且子孔径边缘视场渐晕严重，严重影响了成像质量和图像拼接效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供仿生光学成像系统，用以解决现有大视场高分辨光学成像系统存在结构干涉和采集图像边缘视场渐晕导致的成像质量较差的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种仿生光学成像系统，包括以下系统技术方案：

系统方案一：一种仿生光学成像系统，包括至少两个子系统，每个子系统包括一个同心球物镜和至少两个子孔径相机，每个子系统的每个子孔径相机的光轴通过相应的子系统的同心球物镜的中心，每个子系统的各子孔径相机采集的图像间隔设定视场角，通过各子系统采集的图像交叉重叠并在设定的视场范围内连续。

有益效果是，本系统方案一通过设置至少两个子系统，对应的每个系统设置至少两个子孔径相机，使得子孔径相机成像的图像间隔设定视场角，再通过各子系统的图像交叉重叠对间隔设定视场角的空缺部分进行互补，并在设定的视场范围内连续，使得相邻子孔径相机间隔一定角度，有效防止了子孔径之间的干涉现象，使成像系统渐晕降低，视场范围内具有良好的照度均匀性，解决了现有大视场高分辨光学成像系统采集图像之间存在干涉和边缘视场渐晕导致的成像质量较差、拼接困难的问题。

系统方案二：在系统方案一的基础上，每个子系统的各子孔径相机的光轴与相应子系统的同心球物镜的主光轴成设定相机夹角。

系统方案三、系统方案四：分别在系统方案一或系统方案二的基础上，各子系统的同心球物镜的主光轴之间成设定系统夹角。

系统方案五、系统方案六：分别在系统方案三或系统方案四的基础上，所述成像系统包括四个子系统，分别为第一子系统、第二子系统、第三子系统和第四子系统，所述第一子系统、所述第二子系统、所述第三子系统和所述第四子系统成2×2并排设置。

系统方案七、系统方案八：分别在系统方案五或系统方案六的基础上，每个子系统包括至少六个子孔径相机，每个子系统的子孔径相机在水平或垂直方向设置两排，每排设置3个。

系统方案九、系统方案十：分别在系统方案七或系统方案八的基础上，还包括控制器，所述控制器连接每个子孔径相机，以获取间隔图像，并将所述间隔图像进行拼接处理，输出完成图像。

附图说明

图1是一种仿生光学成像系统示意图；

图2是单一子系统组成示意图；

图3是无中间像面时子系统内部同心球物镜与单个子孔径相机示意图；

图4是有中间像面时子系统内部同心球物镜与单个子孔径相机示意图；

图5是视场排布示意图；

图6是视场重叠拼接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

本实用新型提供一种仿生光学成像系统，利用仿生光学复眼成像的原理，使用多个分系统，每个分系统均包含一个同心球物镜与多个子孔径相机，通过视场交叉重叠与后期图像拼接处理，实现广角高清成像，利用同心球物镜成像特性沿球心旋转对称的优势，通过简单复制光路设计，更改少量参数，即可完成多个分系统并列设计，能保持系统设计及结构的简洁，每个分系统中的子孔径相机位置均是固定不变的，无需扫描机构，后续软硬件处理系统相对简单，应用范围广泛，可适用但不限于可见光、红外波段成像。本实用新型中采用至少两个子系统，对应的子系统中设置有至少两个子孔径相机，即可构成复眼结构，以下为本实用新型的一种最佳的实施方式，使用多个分辨率为5120×5120的图像传感器实现一个视场角大于120°×80°，有效像素大于5亿的大视场高分辨率仿生光学成像系统，如图1所示，包括四个子系统，由第一子系统100、第二子系统200、第三子系统300和第四子系统400组成。

每个子系统均包括1个同心球物镜和6个子孔径相机，如图2所示，以第一子系统100为例子，包括101同心球物镜、102子孔径相机、103子孔径相机、104子孔径相机、105子孔径相机、106子孔径相机和107子孔径相机。每个子孔径相机均能与同心球物镜配合组成一个完整的成像光路，一个子系统的子孔径相机分为2排，每排3个，光轴均穿过同心球物镜的球心，且到球心的距离都相同。在同心球物镜和子孔径相机之间有存在中间像面和不存在中间像面两种情况，如图3、图4所示，子孔径相机的数量没有绝对限制，且子孔径相机可分布在同一层也可分为多层。

采用6个子孔径相机的子系统中，设定单个子孔径相机视场为22°，当期望视场重叠率为10％时，相邻两个子孔径相机光轴夹角为2×22°×(1-10％)＝39.6°，对应的间隔的设定视场角度为17.6°，上述对角度的限定，最终对应为对子孔径相机的位置关系的限定。因此，如图5所示，第一子系统100通过对应的子孔径相机得到的图像的视场排布，得到图像1020、1030、1040、1050、1060、1070；第二子系统200通过对应的子孔径相机得到的图像的视场排布，得到图像2020、2030、2040、2050、2060、2070；第三子系统300通过对应的子孔径相机得到的图像的视场排布，得到图像3020、3030、3040、3050、3060、3070；第四子系统400通过对应的子孔径相机得到的图像的视场排布，得到图像4020、4030、4040、4050、4060、4070，可知在同一个子系统中的任意两个相邻子孔径相机视场并不重叠。在不同的子系统之间，通过设计调整子孔径相机的光轴方向，即可改变视场中心位置，使视场发生交叉重叠，如图5和图6所示，例如1020与2020，视场发生重叠的两个光轴之间夹角为22°×90％＝19.8°。上述方法的每个子系统中的子孔径光轴各不一样，设计过程相对繁琐，另一种方法是设计完全一样的4个子系统，分别调整每个子系统的视场中心对准方向，使相邻子系统的主光轴之间具有19.8°的角度差，也能实现视场交叉重叠。

最终得到重叠之后的总视场范围为121°×81.4°，如图6所示，由于角分辨率为22°/5120＝0.004296875°，总视场对应有效分辨率为28160×18944≈5.3亿像素。由于子系统内部子孔径相机之间光轴夹角较大，因此不存在结构干涉问题，同时内部视场未共用，不存在因为视场共用而引起的视场边缘渐晕现象。

本实用新型给出一种实施存在中间像面的同心球物镜和子孔径相机构成采集装置的透镜的参数，如表一所示，其中同心球物镜由4片透镜组成，依次为同心球物镜第一片镜、同心球物镜第二片镜、同心球物镜第三片镜和同心球物镜第四片镜，子孔径相机由9片透镜组成。

表一

透镜	曲率半径	厚度	玻璃材料
				物面	Infinity	Infinity	空气
同心球物镜第一片镜	50.000	22.490	H-F4
				同心球物镜第二片镜	27.510	27.510	H-K9L
同心球物镜第三片镜	Infinity	27.510	H-K9L
				同心球物镜第四片镜	-27.510	22.490	H-F4
	-50.000	31.600	空气
				一次像面位置	-77.160	98.400	空气
子孔径相机第一片镜	41.137	6.000	H-ZF52
					283.812	23.770	空气
子孔径相机第二片镜	27.410	4.500	H-BAK8
				子孔径相机第三片镜	-28.970	5.000	H-ZLAF75A
	66.020	8.850	空气
				光阑	Infinity	10.050	空气
子孔径相机第四片镜	161.316	2.500	H-ZF52
				子孔径相机第五片镜	8.940	4.280	H-LAF50B
	-18.070	1.530	空气
				子孔径相机第六片镜	-15.887	4.000	H-ZF52
	-87.523	14.500	空气
				子孔径相机第七片镜	-490.073	5.000	H-ZF88
	-19.530	4.580	空气
				子孔径相机第八片镜	-13.320	3.000	H-F4
	-39.915	1.000	空气
				子孔径相机第九片镜	11.072	7.500	H-ZF88
	7.150	3.523	空气
				图像传感器保护玻璃	Infinity	0.500	H-K9L
	Infinity	0.530	空气
				像面	Infinity	/	/

将表一中的光学系统基本参数输入光学设计软件ZEMAX，并使用多重结构功能设置子孔径相机光轴与同心球物镜光轴之间的夹角，可以得到系统的相对照度曲线，整个视场范围内的相对照度均大于0.9。

以上给出了本实用新型涉及的具体实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。在本实用新型给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本实用新型中的相应技术手段基本相同、实现的目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种仿生光学成像系统，其特征在于，包括至少两个子系统，每个子系统包括一个同心球物镜和至少两个子孔径相机，每个子系统的每个子孔径相机的光轴通过相应的子系统的同心球物镜的中心，每个子系统的各子孔径相机采集的图像间隔设定视场角，通过各子系统采集的图像交叉重叠并在设定的视场范围内连续。

2.根据权利要求1所述的仿生光学成像系统，其特征在于，每个子系统的各子孔径相机的光轴与相应子系统的同心球物镜的主光轴成设定相机夹角。

3.根据权利要求1或2所述的仿生光学成像系统，其特征在于，各子系统的同心球物镜的主光轴之间成设定系统夹角。

4.根据权利要求3所述的仿生光学成像系统，其特征在于，所述成像系统包括四个子系统，分别为第一子系统、第二子系统、第三子系统和第四子系统，所述第一子系统、所述第二子系统、所述第三子系统和所述第四子系统成2×2并排设置。

5.根据权利要求4所述的仿生光学成像系统，其特征在于，每个子系统包括至少六个子孔径相机，每个子系统的子孔径相机在水平或垂直方向设置两排，每排设置3个。

6.根据权利要求5所述的仿生光学成像系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器连接每个子孔径相机，以获取间隔图像，并将所述间隔图像进行拼接处理，输出完成图像。