便携式大视场成像装置及方法
【专利摘要】本发明提出了一种便携式大视场成像装置及方法，用于解决现有大视场成像装置结构复杂、体积大的技术问题，成像装置包括成像主透镜、微透镜阵列、波带片、探测器和信号处理单元；成像主透镜采用双层玻璃的共心球透镜结构；微透镜阵列采用由多个微透镜单元紧密排布的半球结构，微透镜单元采用双胶合玻璃透镜结构；波带片采用多个菲涅尔波带片单元组成的半球结构，同一环带中菲涅尔波带片单元的半径相同；微透镜阵列、波带片和探测器依次在成像主透镜的成像主光轴一侧共轴排布，探测器与成像主光轴垂直且与信号处理单元电性连接。本发明具有体积小、视场大及分辨率高的特点，可应用于森林监控、对地监测、天文观测和空间监管。
【专利说明】
便携式大视场成像装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明属于光学成像技术领域，涉及一种大视场成像装置及方法，具体涉及一种便携式大视场成像装置及方法，可用于森林监控、对地监测、天文观测和空间监管等领域。
【背景技术】
[0002]随着空间技术的发展，人们越来越迫切地希望获取大视场范围内丰富的场景信息，所以大视场、高分辨率空间图像信息的实时获取显得尤为重要。作为图像获取的必要组成部分，大视场、高分辨率成像系统的设计压力也越来越大。传统的大视场成像系统主要包括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、折反射大视场成像系统和多传感器阵列大视场成像系统，但都无法兼顾大视场、高分辨率。
[0003]在科研中，人们将目光逐渐投入到结合计算成像的新型大视场、高分辨率的小型光学成像系统研制上来。目前在结合计算成像的大视场成像有3种方式:①结合多个小视场成像子系统的大视场成像方式，②结合多层曲面的复眼式大视场成像方式，③结合球透镜与微相机阵列的大视场成像方式。
[0004]其中，第①种方式采用多个不同子系统的结构设计，利用相邻子系统的部分重叠，结合图像处理算法实现大视场成像，例如:中国专利申请，授权公告号CNl02821238B，名称为“一种宽视场超高分辨率光学成像系统”的发明专利，公开了一种宽视场超高分辨率光学成像系统，该发明利用相邻成像子系统的图像交叠，通过图像处理装置以及具有系统控制功能的系统控制装置获得大视场成像效果，但是系统体积大，工程实现难度大，故而一般不采用;第②种方式采用大尺寸多层曲面透镜的设计，模拟仿真生物曲面复眼成像，利用多探测器组合，接收大视场像面，例如:中国专利申请，授权公告号CN102944934B，名称为:“一种多层曲面复眼式大视场成像系统”的发明专利，公开了一种多层曲面复眼式大视场成像系统，该发明采用多层复眼结构设计思想，通过多路CCD探测器组合的方式，实现大视场成像，但系统体积和质量都较大，且大尺寸的曲面透镜造价高，还需进一步探索发展;第③种方式采用共心主透镜与相机阵列相结合的结构设计，首先利用共心主透镜的球对称结构校正场相关的像差，其次利用微相机阵列进一步校正球透镜的残留像差，每个微相机阵列单元对应一个探测器，接着利用多探测器的半球排布模拟曲面探测器成像，最终利用多探测器成像的拼接融合最终实现大视场成像效果，例如:中国专利申请，授权公告号CN102866480B，名称为“一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统”，公开了一种基于计算成像技术的大视场光学成像系统，该发明通过共心球透镜的设计以及微相机阵列的计算排布实现了大视场、高分辨率成像，但平面探测器与曲面像无法完全匹配会造成部分边缘畸变，而且微相机阵列体积过大限制了该系统的应用范围。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了便携式大视场成像装置及方法，用于解决现有大视场成像装置及方法因结构复杂、体积大造成的不便携的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0007]一种便携式大视场成像装置，包括:成像主透镜I，用于采集光信号，获取大视场图像;探测器4，用于接收平面图像信息；信号处理单元5，用于处理平面图像信息；探测器4位于成像主透镜I的成像主光轴一侧，并与成像主透镜I共主光轴排布，且与信号处理单元5电性连接;在成像主透镜I与探测器4之间，依次设置有微透镜阵列2和波带片3;成像主透镜I采用共心球透镜结构;微透镜阵列2采用由多个微透镜单元紧密排布的半球结构，用于改变大视场图像的光路方向，同时校正该大视场图像的残留像差，并将其分割成多个均匀小视场图像;波带片3采用多个菲涅尔波带片单元组成的半球结构，用于校正均匀小视场图像的出射光路，并进行像面转换，获得平面图像信息；成像主透镜1、微透镜阵列2与波带片3共心。
[0008]上述便携式大视场成像装置，共心球透镜采用双层玻璃结构。
[0009]上述便携式大视场成像装置，由多个微透镜单元紧密排布的半球结构，是由多个微透镜单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带排列形成的，每个微透镜单元对应1°视场角，其中微透镜单元采用双胶合玻璃透镜结构。
[0010]上述便携式大视场成像装置，多个菲涅尔波带片单元组成的半球结构，是由多个菲涅尔波带片单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带排列形成的，且同一环带中菲涅尔波带片单元的半径相同。
[0011 ]上述便携式大视场成像装置，多个微透镜单元与多个菲涅尔波带片单元，在微透镜阵列球面以及波带片球面上的相应位置一一对应，其中微透镜单元和菲涅尔波带片单元的尺寸均为微米数量级。
[0012]上述便携式大视场成像装置，探测器4与成像主透镜I的主光轴垂直。
[0013]上述便携式大视场成像装置的成像方法，包括如下步骤:
[0014]步骤1:利用成像主透镜I采集光信号，得到曲面大视场光信号；
[0015]步骤2:利用微透镜阵列2分割所述曲面大视场光信号并改变其光路方向，同时校正该原始大视场光信号的残留像差，获取多个近似平面的均匀小视场光信号；
[0016]步骤3:利用波带片3改变所述多个近似平面的均匀小视场光信号的光路方向，获取与成像主透镜I的主光轴平行的水平光信号，得到多个均匀的平面光信号；
[0017]步骤4:利用探测器4接收所述多个均匀的平面光信号，得到原始平面大视场像面信息；
[0018]步骤5:利用信号处理单元5处理所述原始平面大视场像面信息，获得高分辨率的大视场成像效果。
[0019]上述便携式大视场成像装置的成像方法，步骤5中所述的处理原始平面大视场像面信息，包括对原始平面大视场像面信息的图像融合、亮度均匀化及超分辨率重建。
[0020]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0021]I)本发明由于在主透镜与探测器之间的主光轴上依次设置共心小体积微透镜阵列与共心高集成度的波带片，与现有技术中在主透镜与探测器之间设置多个微相机阵列的大视场成像系统的结构相比，降低了系统的体积重量降低，拓展了系统的应用领域。
[0022]2)本发明由于采用微透镜阵列与菲涅尔波带片校正光路方向，将曲面像转换为平面像，匹配现有平面探测器，与现有大视场成像技术中采用探测器曲面排布模拟曲面探测器的结构相比，消除了曲面成像的边缘畸变，提高了系统边缘视场的成像分辨率。
[0023]3)本发明由于采用平面探测器结构，与现有大视场成像技术中采用多探测器的半球排布模拟曲面探测器的结构相比，降低了系统结构的复杂度，拓宽了系统的应用范围。
【附图说明】
[0024]图1是本发明中整体结构示意图；
[0025]图2是本发明中的成像方法原理示意图；
[0026]图3是本发明中微透镜阵列的结构示意图；
[0027]图4是本发明中波带片的结构示意图；
[0028]图5是本发明中的成像方法流程框图；
[0029]图6是本发明中不同视场的调制传递函数仿真曲线图；
[0030]图7是本发明中不同视场的仿真点列图。
【具体实施方式】
[0031]以下结合附图和具体实施例，对本发明的目的、技术方案和技术效果作进一步详细描述。
[0032]参照图1，是本发明的系统结构示意图，包括:主透镜1、微透镜阵列2、波带片3、探测器4和信号处理单元5。微透镜阵列2、波带片3和探测器4依次在成像主透镜I的成像主光轴一侧共轴排布，同时探测器4与信号处理单元5电性连接。
[0033]主透镜I采用两个半球镜的共心球透镜结构，材料为高折射率、高阿贝常数的镧冕玻璃LAK33，用于接收场景的辐射光能量;一般成像系统的都会引入一系列像差如球差、彗差、像散、色差和畸变，需引入多个光学元件的相互配合校正像差，故而系统结构一般较为复杂，由于该主透镜I的旋转对称性结构设计可校正彗差、像散、畸变及轴向色差等像差，所以可采用简单的球状结构获得较高分辨率的成像效果;且由于主透镜I采用球透镜结构，可获取180°内的大视场成像效果。
[0034]微透镜阵列2采用半球形结构，位于主透镜I的成像主光轴一侧，与主透镜I共心排布，用于校正主透镜I的残留像差并且初步改变通过主透镜I后的光路方向，可将原始光路初步转换成平行光路，从而将主透镜I的曲面像面初步转换成平面像面;微透镜阵列2中的微透镜单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带分布最终形成半球状结构，同一环带上的微透镜单元沿单元厚度方向紧密排列，微透镜单元排列于环保型冕牌玻璃H-K9L的半球状基底上；由于双胶合透镜的设计可以消除球差、色差、彗差这三种像差，而共心主透镜残留有部分球差及色差，故而每个微透镜单元采用材料为环保型重火石玻璃H-ZF62与高折射率镧系火石玻璃N-LASF41的双胶合透镜设计，进一步校正主透镜I的残留像差，提高系统的成像分辨率;每个微透镜单元对应I°的视场角，故而微透镜阵列将主透镜I的大视场均匀分割成大小为1°的小视场;微透镜单元在微米数量级，可保证系统的便携性；
[0035]波带片3采用菲涅尔波带片的结构，与主透镜I共球心排布，且设置于微透镜阵列2之后;波带片3在合成熔融石英玻璃LITH0SIL-Q的基底上激光雕刻，尺寸在微米数量级，进一步校正光路方向，保证全系统的小体积和质量;波带片3中的菲涅尔波带片单元以波带片3的球面中心为基点，沿球面径向成多圆形环带分布最终形成半球状结构，每个菲涅尔波带片单元对应着球面相应位置处的一个微透镜单元;根据不同视场中的焦距，计算每个菲涅尔波带片单元的中心半径，由于同一环带上的菲涅尔波带片单元对应相同的焦距所以半径相等，而不同环带上的菲涅尔波带片单元对应不同的焦距故而半径不相等;波带片3可用于进一步改变光路方向，同时结合微透镜阵列，将该出射光路会聚于同一焦平面上，使得曲面像面转换为平面像面，校正边缘视场畸变，与现有的平面探测器相匹配。
[0036]探测器4采用CCD探测器，该探测器4在波带片3之后与成像主透镜I共主光轴，且探测器平面与成像主透镜I的中心光路垂直，用于接收平面成像效果；该探测器4接收校正后的光信号，实时传输到信号处理单元5。
[0037]信号处理单元5与探测器4电性连接，接收探测器4的光信号；根据计算成像原理，在信号处理单元5中利用图像处理原理将各视场的光信号进行融合、亮度均匀化及超分辨率重建等步骤，最终输出大视场、高分辨率成像效果。
[0038]参照图2，是本发明中的成像方法原理示意图:场景光从物空间入射至成像主透镜I，经成像主透镜I透射后到达微透镜阵列2，再经微透镜阵列2二次透射到菲涅尔波带片3，利用菲涅尔波带片3进一步改变光路方向，后透射到探测器4上成像;最终在信号处理单元5中，利用进图像融合原理、亮度均匀化原理以及图像超分辨率重建原理输出160°大视场、高分辨率图像。其中，微透镜阵列2与波带片3的结构示意图分别如图3和图4所示。
[0039]参照图3，是本发明中微透镜阵列的结构示意图:微透镜阵列2中的微透镜单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带分布最终形成半球状结构，同一环带上的微透镜单元沿的厚度方向紧密排列，微透镜单元都粘贴于环保型冕牌玻璃H-K9L的半球状基底上。
[0040]参照图4，是本发明中波带片的结构示意图:波带片3中的菲涅尔波带片单元在合成熔融石英玻璃LITH0SIL-Q的基底上激光雕刻，菲涅尔波带片单元以波带片3的球面中心为基点，沿球面径向成圆形多环带分布最终形成半球状结构。
[0041 ]参照图5，是本发明中的成像方法流程框图，包括如下步骤:
[0042]步骤1:利用成像主透镜I采集场景的光信号，得到曲面大视场光信号；
[0043]步骤2:利用微透镜阵列2分割曲面大视场光信号并初步改变曲面大视场光信号的光路方向，同时校正该原始大视场光信号的残留的球差和轴向色差，获取多个近似平面的均勾小视场光信号；
[0044]步骤3，利用波带片3进一步改变多个近似平面的均匀小视场光信号的光路方向，获取与成像主透镜I的主光轴平行的水平光信号，得到多个均匀的平面光信号；
[0045]步骤4，利用探测器4接收多个均匀的平面光信号，得到原始平面大视场像面信息；
[0046]步骤5，利用信号处理单元5对原始平面大视场像面信息进行图像融合、亮度均匀化以及超分辨率重建等处理，获得高分辨率的大视场成像效果。
[0047]以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
[0048]1、仿真条件
[0049]在用P-W法计算初始结构的基础上，采用ZEMAX光学设计软件优化整个系统，模拟成像效果。
[0050]2、仿真内容
[0051](I)对系统调制传递函数进行仿真，其结果如图6所示。
[0052](2)对系统成像面光路分布情况进行仿真，其结果如图7所示。
[0053]参照图6，是本发明中不同视场的调制传递函数仿真曲线图:图6(a)、图6(b)、图6
(C)和图6(d)分别表示0°视场、8°视场、10°视场和16°视场的调制传递函数曲线，曲线的横坐标表示空间频率，纵坐标表示调制传递函数(MTF)数值的大小，T与S分别表示不同视场的子午和弧矢方向的MTF曲线，DIFF.UMIT表示系统在这一视场的衍射极限。
[0054]图6(a)中，0°视场的子午(T)与弧矢(S)方向上的MTF曲线与系统的衍射极限曲线几乎重合，且在截止频率501p/mm处高达0.86，说明在0°视场系统成像质量较好；图6(b)中，8°视场子午(T)与弧矢(S)方向上的MTF曲线与系统的衍射极限曲线趋势一致，在截止频率501p/mm处MTF数值为0.35，满足成像要求；图6(c)中，10°视场子午(T)与弧矢(S)方向上的MTF曲线与系统的衍射极限曲线趋势一致，在截止频率501p/mm处MTF数值为0.30，满足成像要求；图6(d)中，10°视场子午(T)与弧矢(S)方向上的MTF曲线与系统的衍射极限曲线趋势一致，虽然子午与弧矢方向上的MTF曲线有部分分离，整体趋势相同，在截止频率501p/mm处MTF数值为0.30，满足成像要求。
[0055]参照图7，是本发明中不同视场的仿真点列图:图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)分别表示0°视场、8°视场、10°视场和16°视场的系统点列图。点列图的原理是模拟光学系统在像面上的成像，即是通过计算，把一系列物方点通过光学系统以后，成像在像面上的情况实际绘制出来。图中均方根半径指典型的弥散斑的大小，可以定量的反映这个系统实际的斑点大小，图中几何弥散斑半径指全部弥散斑的直径;评判时保证均方根半径小于系统所选探测器的像元尺寸即可。
[0056]图7(a)中，0°视场的系统均方根半径为0.442μπι，远小于系统拟定的探测器的像元尺寸；图7(b)中，8°视场的系统均方根半径为3.823μπι，小于系统拟定的探测器的像元尺寸5.5μπι;图7(c)中，10°视场的系统均方根半径为5.383μπι，小于系统拟定的探测器的像元尺寸5.5μπι;图7(d)中，16°视场的系统均方根半径为4.973μπι，小于系统拟定的探测器的像元尺寸5.5μπι;综上，本发明具有优良的光学性能。
[0057]本发明说明书中未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。
【主权项】
1.一种便携式大视场成像装置，包括: 成像主透镜(I)，用于采集光信号，获取大视场图像； 探测器(4)，用于接收平面图像信息； 信号处理单元(5)，用于处理平面图像信息； 所述探测器(4)位于成像主透镜(I)的成像主光轴一侧，并与其共主光轴排布，且与信号处理单元(5)电性连接； 其特征在于: 在所述成像主透镜(I)与探测器(4)之间，依次设置有微透镜阵列(2)和波带片(3);所述成像主透镜(I)采用共心球透镜结构;所述微透镜阵列(2)采用由多个微透镜单元紧密排布的半球结构，用于改变所述大视场图像的光路方向，同时校正该大视场图像的残留像差，并将其分割成多个均匀小视场图像;所述波带片(3)采用多个菲涅尔波带片单元组成的半球结构，用于校正所述均匀小视场图像的出射光路，并进行像面转换，获得平面图像信息；所述成像主透镜(1)、微透镜阵列(2)与波带片(3)共心。2.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置，其特征在于，所述共心球透镜采用双层玻璃结构。3.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置，其特征在于，所述由多个微透镜单元紧密排布的半球结构，是由多个微透镜单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带排列形成的，每个微透镜单元对应1°视场角，其中微透镜单元采用双胶合玻璃透镜结构。4.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置，其特征在于，所述多个菲涅尔波带片单元组成的半球结构，是由多个菲涅尔波带片单元以半球面中心为基点，沿球面径向成多层圆形环带排列形成的，且同一环带中菲涅尔波带片单元的半径相同。5.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置，其特征在于，所述多个微透镜单元与多个菲涅尔波带片单元，在微透镜阵列球面以及波带片球面上的相应位置一一对应，其中微透镜单元和菲涅尔波带片单元的尺寸均为微米数量级。6.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置，其特征在于，所述探测器(4)与成像主透镜(I)的主光轴垂直。7.根据权利要求1所述的便携式大视场成像装置的成像方法，包括如下步骤: 1)利用成像主透镜(I)采集光信号，得到曲面大视场光信号； 2)利用微透镜阵列(2)分割所述曲面大视场光信号并改变其光路方向，同时校正该原始大视场光信号的残留像差，获取多个近似平面的均匀小视场光信号； 3)利用波带片(3)改变所述多个近似平面的均匀小视场光信号的光路方向，获取与成像主透镜(I)的主光轴平行的水平光信号，得到多个均匀的平面光信号； 4)利用探测器(4)接收所述多个均匀的平面光信号，得到原始平面大视场像面信息； 5)利用信号处理单元(5)处理所述原始平面大视场像面信息，获得高分辨率的大视场成像效果。8.根据权利要求7所述的便携式大视场成像装置的成像方法，其特征在于，步骤5)中所述的处理原始平面大视场像面信息，包括对原始平面大视场像面信息的图像融合、亮度均匀化及超分辨率重建。
【文档编号】G02B27/00GK106054378SQ201610152914
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年3月17日 公开号201610152914.9, CN 106054378 A, CN 106054378A, CN 201610152914, CN-A-106054378, CN106054378 A, CN106054378A, CN201610152914, CN201610152914.9
【发明人】刘杰涛, 许洁, 王娇阳, 杨莹, 张扬, 邵晓鹏
【申请人】西安电子科技大学