專利名稱：一種基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大視場、低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人類進入空間、利用空間能力的不斷增強，空間對國家戰(zhàn)略利益的影響日益突出。人類已經(jīng)歷進入空間-利用空間-監(jiān)視空間的階段，正步入控制空間的時代。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)爭發(fā)展的需要，對高分辨率、大視場的平流層空中監(jiān)視系統(tǒng)、天基大范圍目標(biāo)搜索系統(tǒng)的需求越來越迫切，然而傳統(tǒng)的大視場系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這樣的要求。傳統(tǒng)的大視場光學(xué)系統(tǒng)主要有小視場高分辨率掃描成像、魚眼透鏡超半球凝視成像、環(huán)帶凝視全景成像三種。但是，它們都有著其各自的缺點，小視場高分辨率掃描成像必 須具有復(fù)雜的掃描機構(gòu)，直接導(dǎo)致系統(tǒng)的實時性降低，同時也大大降低了系統(tǒng)的可靠性；魚眼透鏡雖可實現(xiàn)超過180°的大視場成像，但其邊緣視場存在著很大的畸變，邊緣視場的照度較低，整個像面上無法形成一致分辨率；環(huán)帶凝視成像系統(tǒng)圍繞光學(xué)系統(tǒng)光軸360°范圍的圓柱視場投影到二維平面上的一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)，雖可實現(xiàn)360°環(huán)帶空間的全景實時成像，但它只能對環(huán)帶視場成像，成像系統(tǒng)存在中心盲區(qū)，系統(tǒng)的雜散光嚴(yán)重，分辨率大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種超大視場、低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，包括共用主鏡、微透鏡陣列、探測器陣列；共用主鏡為由兩個半球鏡組成的單心球鏡，光闌位于兩個半球鏡中間；探測器陣列和微透鏡陣列均勻分布在所述共用主鏡同一例的與單心球鏡同心的兩個不同球面上；不同視場的光線從物方入射至共用主鏡進行一次成像，再經(jīng)過微透鏡陣列進行二次透射后到達至探測器陣列進行二次成像；微透鏡陣列中的每個微透鏡及對應(yīng)的探測器陣列中的探測器與共用主鏡構(gòu)成一個子光路，各子光路所成子圖像拼接后獲得完整的圖像。所述的微透鏡陣列中的各個微透鏡完全相同。所述的探測器陣列中的各個探測器完全相同。所述的探測器為面陣CMOS探測器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明采用由兩個半球鏡組成的單心球鏡作為共用主鏡，整個光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于加工以及裝調(diào)。(2)本發(fā)明的微透鏡陣列采用多個小視場的拼接技術(shù)，從而實現(xiàn)了超大視場，理論上甚至可以實現(xiàn)180度視場。
(3)本發(fā)明的共用主鏡采用球鏡，在共用主鏡一次像面后引入對應(yīng)每個探測器的微透鏡陣列作為二級光學(xué)系統(tǒng)，改變微透鏡參數(shù)使相鄰探測器的視場重疊，解決了傳統(tǒng)單心光學(xué)系統(tǒng)相機相鄰探測器之間存在死區(qū)的問題。(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對稱，因此沒有慧差、像散、畸變等與視場相關(guān)的像差，在大視場條件下不用考慮視場的均勻性問題，在全視場上具有一致分辨率。


圖I為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為本發(fā)明共用主鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2b為本發(fā)明共用主鏡光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線；圖3a為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖3b為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)包括共用主鏡、微透鏡陣列以及探測器陣列。所述的共用主鏡為單心球鏡，由兩個半球鏡組成，光闌位于兩個半球鏡中間。如圖2a所示。不同視場的光線從光學(xué)系統(tǒng)物方進入共用主鏡，由共用主鏡進行一次成像；在共用主鏡一次像面后方引入對應(yīng)探測器陣列的微透鏡陣列，微透鏡陣列上各個微透鏡完全相同，從一次像面出射的光由微透鏡陣列進行二次成像后到達探測器陣列并最終成像；探測器陣列上各個探測器也完全相同，且探測器陣列和微透鏡陣列均勻分布在共用主鏡的同一側(cè)的兩個同心球面上，整個光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)對稱。每個探測器對應(yīng)一個小視場，調(diào)整微透鏡參數(shù)，從而使相鄰探測器的視場重疊，如圖3a所示，每個微透鏡及其對應(yīng)的探測器與共用主鏡一起組成一個子光路，所成圖像為完整圖像的一幅子圖像。如圖2b、圖3b所示，由于共用主鏡采用單心球鏡，結(jié)構(gòu)對稱，因此不同視場上的MTF曲線基本重合，這說明本發(fā)明在全視場具有一致分辨率，但系統(tǒng)存在較大的球差和色差，導(dǎo)致系統(tǒng)MTF較低，MTF曲線遠(yuǎn)小于光學(xué)系統(tǒng)衍射極限(圖中黑線)，系統(tǒng)的成像質(zhì)量較差。然而，對于計算成像系統(tǒng)而言，其獲得的最終圖像質(zhì)量由其特殊的光學(xué)系統(tǒng)和后續(xù)數(shù)字圖像處理單元共同決定。僅僅通過光學(xué)系統(tǒng)成像或許不能得到理想的圖像，但是通過后續(xù)數(shù)字圖像處理對圖像進行復(fù)原之后就能最終獲得一幅清晰的圖像。因此，需要在后期對本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像進行復(fù)原。對于一個IOOmm 口徑的球鏡，在可見光波長范圍內(nèi)，會有大小為I. 5mm的色度離焦。然而，大多數(shù)色度離焦帶來的像面模糊都集中在色度通道。因為人眼對色度通道帶來的像面模糊不敏感，本發(fā)明中軸向色差帶來的像質(zhì)下降不明顯，在圖像后期處理中主要考慮球差對圖像像質(zhì)的影響。對圖像的后期處理的第一步是將圖像從RGB格式轉(zhuǎn)換為YUV格式。接著對亮度通道進行維納去卷積(消除光學(xué)系統(tǒng)球差對圖像像質(zhì)的影響)，然后再轉(zhuǎn)換為RGB格式。隨后，對圖像進行降噪處理后，將所得的各個小視場圖像通過配準(zhǔn)復(fù)合，最終得到一幅具有完整信息的大視場圖像。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于包括共用主鏡、微透鏡陣列、探測器陣列；共用主鏡為由兩個半球鏡組成的單心球鏡，光闌位于兩個半球鏡中間；探測器陣列和微透鏡陣列均勻分布在所述共用主鏡同一側(cè)的與單心球鏡同心的兩個不同球面上；不同視場的光線從物方入射至共用主鏡進行一次成像，再經(jīng)過微透鏡陣列進行二次透射后到達至探測器陣列進行二次成像；微透鏡陣列中的每個微透鏡及對應(yīng)的探測器陣列中的探測器與共用主鏡構(gòu)成一個子光路，各子光路所成子圖像拼接后獲得完整的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的微透鏡陣列中的各個微透鏡完全相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所 述的探測器陣列中的各個探測器完全相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于所述的探測器為面陣CMOS探測器。
全文摘要
一種基于計算成像技術(shù)的大視場光學(xué)成像系統(tǒng)，采用共用主鏡、微透鏡陣列、探測器陣列的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。入射光線分別通過共用主鏡、微透鏡陣列，最終到達探測器陣列成像，通過計算成像技術(shù)對各子圖像進行圖像復(fù)原(消除球差對圖像像質(zhì)的影響)，將各個子圖像進行配準(zhǔn)復(fù)合后可以獲得一幅完整的清晰圖像。本發(fā)明中共用主鏡采用由兩個半球鏡組成的單心球鏡，整個光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且完全對稱，易于加工、裝調(diào)、測試；具有超大視場、低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等優(yōu)點，特別適用于空間目標(biāo)大范圍搜索及發(fā)現(xiàn)、平流層空中監(jiān)視等。
文檔編號G02B13/06GK102866480SQ20121037845
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者戚均愷, 周峰, 湯天瑾, 莊緒霞, 阮寧娟, 賀金平, 李巖, 胡博 申請人:北京空間機電研究所