高分辨PAL成像系统的设计研究

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300m处需分辨250mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.     

全景环形成像傅里叶变换光谱仪光学系统设计

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构,该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器,利用Schwarzchild物镜进行准直,结合弹光调制干涉仪,成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性,讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法,并给出了设计结果及优化方案。最后,采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化,结果表明,成像光谱仪工作在8 ｍ~12 ｍ波段,有效焦距为-0.67 mm,侧向视场为40~80,F#0.9,像点弥散斑RMS半径为20.116 m,在一个像元直径内,MTF在16 lp/mm处均高于0.5,且各视场一致性较好,OPD像差在0.4范围内,成像质量良好。     

全景环形透镜二维平面成像展开算法研究

针对基于平面圆柱透视法PCF(Plat Cylinder Perspective)设计的全景环形透镜PAL(Panoramic Annular Lens)的环行像存在畸变失真的现象,对全景环形透镜PAL的二维平面环形像设计了展开算法,分别在切向和径向进行线性化处理.算法采用了线性插值,使展开后图像无盲区,同时建立在FCP成像原理上的转化,实现了对二维平面PAL像进行真实恢复,且效果良好.     

基于球面透视投影约束的全景环形透镜畸变校正

全景环形透镜将折反射面集成到一起,能无扫描地瞬时得到围绕光轴的360度超大视场,在机器人导航、视频监控和虚拟现实领域得到了广泛的应用.其成像机理是将围绕光轴的视场二次反射投影到环形平面上,图像存在严重的切向和径向畸变.本文根据全景环形透镜的特点采用基于球面透视投影模型对图像进行校正.首先建立含有畸变参量的全景环形透镜校正模型,将空间直线点映射为球面点,然后使用遗传算法将球面点拟合为球面上的最佳大圆,求出变形校正参量,进而校正全景环形像.仿真和真实图像实验表明,环形图像的切向和径向畸变得到了很好的校正.     

光电成象系统中的积分抽样效应

光电成象系统涉及空间和时间上的积分和抽样.本文从理论上研究了光电成象系统中的抽样的空间积分效应和前置光学滤波的影响.结果发现前置光学滤波可以等效为抽样象元的空间积分抽样效应.这一原理对设计光电成象系统具有指导意义.利用这一原理也可以改善光电成象系统获取图象的质量.     

星载天底/临边大气紫外全景探测仪光学设计

星载紫外全景探测仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据天底和临边同时探测的研究目标,提出了一种天底视场和临边视场共像面的全新紫外全景探测仪光学系统结构,设计了一个中心波长360nm、带宽20nm、中心视场10°、环形视场360°×(70.31°~72.71°)、焦距5mm、相对孔径1/3.3的全景探测仪光学系统.利用光学系统的畸变增加边缘视场的能量,同时利用光阑像差产生的有效像差渐晕来提高边缘视场的像面照度,边缘视场的相对照度达到98%以上.将天底视场光路和临边视场光路建立多重结构,利用ZEMXA-EE软件的多重结构优化功能同时优化设计天底视场光路和临边视场光路,设计结果表明,天底和临边视场的光学传递函数均大于0.6@38.5lp/mm,满足设计指标要求,且体积和质量小,适合空间应用.     

水平对称视场全景环带成像系统设计

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°^+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。     

水平场景无畸变的折反射全景成像系统

基于透视成像模型，建立了一套较完整的水平场景无畸变的折反射全景成像系统设计方法，分析了该系统的近似透视成像性质；设计制作了特殊面形反射镜，建立了水平场景无畸变的折反射全景成像系统，给出了实验图像，并与双曲面折反射全景成像系统的实景图像和透视全景图像进行了比较。     

Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中的应用

介绍了Q-type新型非球面多项式算法及其相比于传统非球面多项式在加工、制造方面的优势.引入超短焦全景镜头焦距与分辨率的关系,利用Q-type非球面技术,设计了一款焦距0.657mm,焦距像高比≤0.184的全景镜头.该镜头由7组8片透镜组成,包含4面非球面透镜.设计结果表明:在空间频率为227 lp/mm处,调制传递函数值大于0.3,接近衍射极限;在垂直半视场角45°～90°的环景边缘区域,图像角分辨率达到了1.163 7 mm/(°),使得环景展开后有较高分辨率,表明Q-type非球面技术在超短焦全景镜头设计中有一定优越性.     

全景环形透镜环形象的线性化研究

全景环形透镜(PAL)独特的成象性能,即环绕光轴360°产生一个环形象且景深为无穷远,使得由PAL组成的观测系统没有活动部件能同时观察透镜周围的景物.但PAL所成的环形象不便于人眼观察和测量,有畸变、失真,为此,本文根据图象坐标变换,实现了一种环形象的线性恢复,即首先将环形象线性化处理,再对其进行插值,实验结果表明线性化效果较好.该图象处理技术可以为发挥PAL的许多潜在应用创造条件.     

折反射周视系统研究进展与展望

折反射周视系统作为近十几年发展起来的一种新型周视视觉实现形式,相比相机旋转扫描、多相机图像拼接和鱼眼镜头大视场成像等常规方法,在小型化、结构灵活性、成本和实时性方面具有优势。本文综述了折反射周视系统的成像模型、系统标定、畸变校正和全视场清晰成像等基本问题研究状况,讨论了折反射周视系统在红外成像和立体视觉领域的扩展应用研究现状,最后总结了目前存在的问题,并提出未来折反射周视成像系统将围绕非单视点成像模型、提高空间分辨力的方法和处理算法实时实现开展研究。     

Single-camera panoramic stereo system model based on skew ray tracing

This study integrates panoramic imaging and stereo vision theory to propose an innovative 3D optical positioning method for single-camera panoramic stereo imaging systems. The conventional single-viewpoint theory based on pinhole modeling is replaced by a skew ray tracing methodology to establish the geometrical relationships of object and image. An analytical model of a single-CCD panoramic stereo imaging system is then established by adopting a catadioptric imaging system, a single-CCD stereo panoramic vision system and the presented skew ray camera calibration method.     

基于OLED微显示器和变形目镜的全景显示技术

全景成像在特种车辆内夜间驾驶与观察、警戒监视等应用中具有广泛的应用需求。本文提出了一种基于OLED微显示器和变形目镜的全景图像显示方法,并设计了一套全景显示实验系统,通过图像处理模块完成全景图像数据的存储、缓存、图像预处理和传输,以OLED微显示器的子像素作为显示像素进行驱动信号重编码,实现全景灰度图像的水平3倍压缩显示,最后利用变形目镜将OLED微显示器上显示的压缩图像复原,以供人眼正常观察。实验结果表明:采用现有系统搭建的变形目镜基本实现了双像素靶标条纹的亚像素分辨,并验证了本文全景显示方案的可行性。     

基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统

全景鱼眼光学系统的成像圆通常为完整的圆形,小于感光芯片的垂直方向尺寸,相比长方形芯片,圆形成像圆面积较小,芯片有效像素利用率低。结合全景鱼眼光学系统成像圆小于芯片的特点,介绍一种基于自由曲面设计的全景鱼眼光学系统,可实现椭圆形成像区域,大大提高芯片有效像素的利用率。采用光学设计软件,构建自由曲面模型,运用玻璃镜片加塑料镜片混合构成的方法,通过消像差和控制不同温度场下焦点漂移设计非对称全景鱼眼光学系统的成像区域为椭圆,实现了镜头成像像高X方向接近芯片的水平尺寸,Y方向接近芯片的垂直尺寸。在不考虑制造公差的理想情况下,对于4:3芯片,根据圆和椭圆面积公式可得圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为58.9%,椭圆形成像区域的芯片像素有效利用率约为78.5%。仿真和计算结果表明,采用椭圆形成像光学设计比圆形成像光学设计的芯片有效像素利用率提升15%左右。     

反向追迹法获取水下对空全景图像

在水下透过波浪对海面及空中目标成像，所获取的目标图像会发生畸变。为定量分析波浪对图像畸变的影响，建立一种理想的水下对空成像模型，得到透过波浪的全景图像。首先，在给定的成像模型下，运用主光线反向追迹法，由斯涅耳定律计算出与水下入射光线对应的水上折射光线的方向矢量，从而得到天球上目标点与成像靶面上单像素点的物像对应关系。然后，对整个成像靶面上的像素点进行遍历，形成水下对空全景图像。最后，在4种特殊的海面波浪波形下，利用MATLAB环境计算出天空圆形目标及背景的水下对空全景图像。计算结果表明:运用反向追迹法能够有效地计算出水下对空全景图像，通过调整波浪参数，可以定量分析图像的畸变程度。主光线反向追迹法适用于分析透过具有一阶可导波浪的水下对空全景图像的畸变特征，为研究更复杂波浪下的水下对空图像畸变特征奠定了基础。     

一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用,根据应用技术指标,在传统全景环形透镜的基础上,结合探测器尺寸限制,精细调整四个球面的曲率半径,以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统,补偿全景环形透镜产生的像差,采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合,负透镜采用熔石英,正透镜采用氟化钙,从而使色差最小。最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,列出重要的公差参数,为后续加工装调提出要求。优化结果表明,光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了0.7以上,各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm,完全满足设计指标要求,也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统。该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178°,F数为3.5,其像差得到了较理想校正,调制传递函数在空间频率40 lp/mm处均大于0.37,成像性能较好,满足实际应用要求。同时,对设计的系统进行了公差分析。     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计

为了实现校准能见度仪中标准散射体的快速准确定标,建立了用于校准能见度仪的标准散射体的定标系统.研究了定标系统中全景成像折反光学系统的设计方法.根据抛物面反射镜的光学特性推导出抛物面面型的计算方法.根据定标系统对光学系统的要求,完成全景成像色度计光学系统的设计.对全景成像折反光学系统进行建模仿真并设计实验验证光学系统的设计与仿真结果的正确性.实验结果表明:全景成像折反光学系统的空间检测俯仰角范围为0°~90°,方位角范围为0°~360°,且最小角分辨率为1°,与仿真结果基本一致,满足用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计要求.     

双凹面镜一步周视彩虹全息术

提出一种一步法周视彩虹全息术.利用两个凹面反射镜作为成像系统.无需严格的共轭再现及精确的复位对准过程.便能一步记录获得可360°观察的平板彩虹全息图.