共心寬視場高分辨率成像方法研究.pdf

1、如今的高分辨率相機已經(jīng)可以獲得千萬像素的圖像，而且隨著圖像傳感器的分辨率的增加，我們可以獲得數(shù)十億像素量級的相機。相機的分辨率決定了捕捉到的圖像的視覺保真度。更高的分辨率意味著更高的保真度，也就是在執(zhí)行自動視覺任務(wù)如目標物體檢測、識別、跟蹤時更高的精度。對于一個傳統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)來講，視場角和分辨率是一對矛盾體。寬視場角要求光學(xué)成像系統(tǒng)具有較小焦距，此時其成像分辨率較低，而高分辨率則要求光學(xué)系統(tǒng)具有較長的焦距。所以，能夠兼顧寬視場和高分

2、辨率成像的光學(xué)系統(tǒng)，將成為下一代光學(xué)遙感、預(yù)警及監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而，任意一個相機的分辨率，其本質(zhì)上都是受到幾何像差限制的。此外，視場角的增大通常會導(dǎo)致光學(xué)成像系統(tǒng)質(zhì)量和體積的增加，因此在相機設(shè)計過程中，應(yīng)該權(quán)衡的問題是如何在保證寬視場和高分辨率成像的同時使得其結(jié)構(gòu)小型和輕量化。透鏡系統(tǒng)的比例法則表明，利用計算成像的方法來校正光學(xué)成像系統(tǒng)的幾何像差，可以設(shè)計出前所未有的高分辨率相機，并且這種相機的結(jié)構(gòu)簡單緊湊。在這篇文章中，我們提出

3、一種可用于十億像素量級成像的共心寬視場高分辨率相機結(jié)構(gòu)。該共心寬視場高分辨率相機具有球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，由主次兩級光學(xué)系統(tǒng)以及包圍其的若干平面圖像傳感器構(gòu)成，可以獲得寬達120的連續(xù)視場。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴分別計算了傳統(tǒng)成像系統(tǒng)和計算成像系統(tǒng)的成像分辨率與透鏡比例因子 M之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，推導(dǎo)得出限制傳統(tǒng)成像系統(tǒng)成像分辨率的比例法則和限制計算成像系統(tǒng)成像分辨率的解析比例法則，進而對兩者進行比較分析；⑵基于球形透鏡的易于實現(xiàn)較大視場

4、和較小畸變的特點，利用不同材料的球形表面組合設(shè)計了共心球形主光學(xué)系統(tǒng)，由于該結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性，系統(tǒng)不存在如縱向色差、像散、彗差等軸外像差，通過ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件優(yōu)化其不同組合形式的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，達到減小主物鏡的其余幾何像差的目的；⑶設(shè)計小視場角的次級光學(xué)系統(tǒng)，進一步校正共心主物鏡的殘余像差來提高成像質(zhì)量，同時將共心主物鏡的寬視場均分為若干等大的子視場，通過子視場的疊加來實現(xiàn)寬視場成像。次級光學(xué)系統(tǒng)由若干個完全一致的中繼透鏡組構(gòu)