CN108663778A - 一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合仿生鱼眼‑复眼结构的广角高清成像***，其前级成像***的球形透镜收集广角目标入射的光线并聚焦、后级成像***的小口径透镜组阵列包括多个小口径透镜组，各小口径透镜组的光轴均经过球形透镜中心，且各个小口径透镜组获得局部视场±3°的子图像，相邻的小口径透镜组存在1°的重叠视场，且各个小口径透镜组成像质量在±2.5°视场内的MTF均大于或等于0.3、在边缘3°视场的MTF大于0.1。本发明兼具大范围普查和高分辨率详查的特点，可探测目标的距离范围大，物镜结构简单、稳定好、易于实现和成本低，小口径透镜组成像质量好且具有制造成本低、可选材料范围广的优点。

Description

一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***
技术领域
本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***。
背景技术
光学成像***的分辨率决定了其捕获图像的视觉特性的逼真度，分辨率越高意味着其对目标识别的精度越高；视场则决定了其观察监视区域的大小，大视场能最大限度地消除监控盲区。然而，大视场与高分辨率是光学成像***设计中难以调和的一对突出矛盾，因为大视场要求***有较小的焦距，而高分辨率则要求***有较长的焦距。在侦查预警、遥测遥感和监视监控等领域应用的光电传感器，希望兼具大范围普查和高分辨率详查的特点。如何在大视场范围内获得与人眼视觉相当甚至更优的分辨能力，是现代光电载荷设计面临的最大挑战之一。与人眼视觉敏锐度相当的成像***瞬时视场约为50″，而现代大视场光电载荷要求在全视场将近100°的范围内（包括水平和竖直方向）能够保持高分辨率，意味着整个成像***的探测器像素要求达到一亿量级。传统的小视场相机扫描成像辅以后续图像拼接处理的方法，因动态响应能力较差，一般用于静态场景，而不能用于动目标的识别感知。另一方面，更重要的问题是如此大视场成像的光学***，其像面通常都不再是一个平面，因此传统的单片或拼接式探测器阵列显然不能满足要求。人眼的晶状体呈扁球形，视场角较小；且对应中央凹处人眼分辨能力最高，而随着视场角增大，分辨能力显著降低。鱼眼的构造与人眼相似，但是晶状体是圆球形，其突出优点是视场角很大，可以达到220°，但是观察距离较近。仿生鱼眼镜头就是利用鱼眼广角成像原理设计的短焦距镜头，视场角接近或超过180°，缺点是镜组复杂，畸变较大且分辨率不高，特别是边缘视场的变形非常明显，多用于视频监控。
与高等动物的单眼不一样，昆虫的视觉由复眼产生。复眼由许多小眼构成，例如蜻蜓每只复眼有28000个小眼，蝇眼每只复眼约有3200个小眼。这些小眼排列成球面状，以获得大的空间视野（接近240°）。但是小眼直径一般为15~50μm，其承担的局部视场仅有几度，分辨能力比人眼低，视力仅有1m左右。因此，基于昆虫的视觉的复眼结构来实现广角高清成像时，其空间分辨率受视场直接限制，如果消除上述限制，已经成为一项基于昆虫的视觉的复眼结构来实现广角高清成像领域亟待解决的关键技术问题。
美国杜克大学Brady教授课题组在论文“David J. Brady and Nathan Hagen.Multiscale lens design, Optics Express 17(13):10659-10674, 2009”中提出多尺度设计的概念，将成像***分为物镜透镜组和后端小相机阵列两部分，并先后在一系列论文中公开了十亿像素级相机的多尺度设计结果，其中物镜采用两个半球碗形透镜同心包覆在一个球形透镜上的胶合透镜形式，小相机采用多个透镜组合形式，为了得到较好像质，部分透镜采用了非球面或衍射元件，使得可选材料受限，加工成本较高，而完全采用球面透镜则又导致***像质降低，小相机的局部视场不超过±2.6°，且在2.2°以外边缘视场的调制传递函数（MTF）数值小于0.1。但是，其胶合透镜形式为半球碗与被包覆的中心球的曲率半径相等，要求两个透镜材料的热膨胀系数以及折射率必须匹配，使得可选材料受限，力学稳定性和热稳定性较差，且两个透镜的曲率半径偏差和偏心误差必须控制好，导致制造成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，本发明兼具大范围普查和高分辨率详查的特点，可探测目标的距离范围大，物镜结构简单、稳定好、易于实现和成本低，小口径透镜组成像质量好且具有制造成本低、可选材料范围广的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，包括前级成像***和后级成像***，所述前级成像***包括单个的球形透镜，所述后级成像***包括小口径透镜组阵列，所述球形透镜收集广角目标入射的光线并聚焦到以球形透镜的球形透镜中心为中心的球形中继像面上，所述小口径透镜组阵列包括多个均匀排布在以球形透镜中心为中心的球面上的小口径透镜组，各小口径透镜组的光轴均经过球形透镜中心，且各个小口径透镜组获得局部视场±3°的子图像，相邻的小口径透镜组获取的子图像之间存在1°的重叠视场，且各个小口径透镜组成像质量在±2.5°视场内的调制传递函数MTF均大于或等于0.3、在边缘3°视场的调制传递函数MTF大于0.1。
优选地，所述小口径透镜组阵列中相邻小口径透镜组的光轴夹角为5°。
优选地，所述前级成像***还包括单镜筒，所述单镜筒前端安装球形透镜、后端设有球冠，所述球冠的中心与球形透镜中心重合，所述球冠上排布用于安装各小口径透镜组的小孔阵列，所述小孔阵列中任意小孔的中心线均通过球形透镜中心。
优选地，所述球形透镜和单镜筒之间采用轴孔配合进行径向定位，采用孔肩进行轴向定位。
优选地，所述小口径透镜组中所有透镜均为平面或球面透镜。
优选地，所述小口径透镜组包括依次布置的双凸透镜、双胶合透镜、双胶合透镜、调焦镜组以及焦平面探测器，所述双凸透镜、双胶合透镜、双胶合透镜、调焦镜组依次将球形中继像面上的中继像成像到焦平面探测器上，所述双胶合透镜、双胶合透镜之间靠近双胶合透镜双胶合透镜处设有孔径光阑。
优选地，所述小口径透镜组还包括镜筒，所述双凸透镜、双胶合透镜、双胶合透镜安装在镜筒的前端且分别采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位；所述调焦镜组以及焦平面探测器安装在镜筒的后端的镜室内，所述调焦镜组以及焦平面探测器采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位。
优选地，所述调焦镜组由平凸透镜和弯月形透镜组成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***通过各个小口径透镜组获得局部视场±3°的子图像，相邻的小口径透镜组获取的子图像之间存在1°的重叠视场，且各个小口径透镜组成像质量在±2.5°视场内的调制传递函数MTF均大于或等于0.3、在边缘3°视场的调制传递函数MTF大于0.1，提高了后级成像***的成像能力，克服了鱼眼镜头边缘视场畸变大、空间分辨率低和复眼镜头探测距离短等缺点，能够实现100°以上大视场实时成像，且全视场内保持优于10″的空间分辨率，成像性能接近衍射极限，兼具大范围普查和高分辨率详查的特点。
2）在本发明提高了后级成像***的成像能力的基础上，可以实现简化前级成像***，前级成像***包括单个的球形透镜，与现有技术采用多个透镜组合或胶合的形式相比具有结构简单、稳定好、易于实现和成本低的优点。
3）本发明的成像***可探测目标的距离范围大，对数百米至数千米范围内的目标无需调焦均能成像。
4）本发明的小口径透镜组中所有透镜均进一步采用平面或球面透镜，与现有技术采用非球面或衍射元件相比，具有制造成本低、可选材料范围广的优点，与现有技术同样采用球面透镜的方案相比，成像质量更好。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中前级成像***的镜筒结构图。
图3是本发明实施例中后级成像***的小口径透镜组的镜筒结构图。
图4是本发明实施例中后级成像***的小口径透镜组的光路设计图。
图5是本发明成像***在探测无穷远目标时的MTF曲线图。
图6是本发明成像***在探测无穷远目标时的弥散斑图（点列图）。
图7是本发明成像***在探测300m远目标时的MTF曲线图。
图例说明：1、前级成像***；11、球形透镜；111、球形透镜中心；112、球形中继像面；12、单镜筒；13、球冠；2、后级成像***；21、小口径透镜组阵列；22、小口径透镜组；221、双凸透镜；222、双胶合透镜；223、双胶合透镜；224、调焦镜组；225、焦平面探测器；226、镜筒；227、镜室；228、平凸透镜；229、弯月形透镜；23、孔径光阑；3、图像处理***。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***包括前级成像***1和后级成像***2，前级成像***1包括单个的球形透镜11，后级成像***2包括小口径透镜组阵列21，球形透镜11收集广角目标入射的光线并聚焦到以球形透镜11的球形透镜中心111为中心的球形中继像面112上，小口径透镜组阵列21包括多个均匀排布在以球形透镜中心111为中心的球面上的小口径透镜组22，各小口径透镜组22的光轴均经过球形透镜中心111，且各个小口径透镜组22获得局部视场±3°的子图像，相邻的小口径透镜组获取的子图像之间存在1°的重叠视场，且各个小口径透镜组22成像质量在±2.5°视场内的调制传递函数MTF均大于或接近0.3、在边缘3°视场的调制传递函数MTF大于0.1。因为整个成像***是关于球形透镜中心11球对称的，各个小口径透镜组22是完全相同的，小口径透镜组22的总数取决于成像***的全视场大小要求，一般可达到100°以上。本实施例中小口径透镜组22的视场为±（3.24°×2.43°）矩形视场，相邻小口径透镜组22的光轴夹角为5°。小口径透镜组22在边缘2.5°视场处的渐晕比例为48%，在边缘3°视场处的渐晕比例为62%，渐晕是为了确保相邻小口径透镜组获取的子图像之间存在重叠视场。
本实施例中，球形透镜11的直径为129.6mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的K9玻璃，球形中继像面112的曲率半径为94.3mm。
如图2所示，本实施例中前级成像***还包括单镜筒12，单镜筒12前端安装球形透镜11、后端设有球冠13，球冠13的中心与球形透镜中心111重合，球冠13上排布用于安装各小口径透镜组22的小孔阵列，小孔阵列中任意小孔的中心线均通过球形透镜中心111。
本实施例中，球形透镜11和单镜筒12之间采用轴孔配合进行径向定位，采用孔肩进行轴向定位，利用精密数控加工中心保证上述偏心量以及轴向位置误差小于20μm。
本实施例中，小口径透镜组22中所有透镜均为平面或球面透镜，与现有技术采用非球面或衍射元件相比，具有制造成本低、可选材料范围广的优点，与现有技术同样采用球面透镜的方案相比，成像质量更好。
如图3和图4所示，本实施例中，小口径透镜组22包括依次布置的双凸透镜221、双胶合透镜222、双胶合透镜223、调焦镜组224以及焦平面探测器225，双凸透镜221、双胶合透镜222、双胶合透镜223、调焦镜组224依次将球形中继像面112上的中继像成像到焦平面探测器225上，双胶合透镜222、双胶合透镜223之间靠近双胶合透镜双胶合透镜223处设有孔径光阑23。双凸透镜221、双胶合透镜222、双胶合透镜223、调焦镜组224的所有透镜均为平面或球面透镜。本实施例中双凸透镜221的两个表面曲率半径分别是76.9533mm和-76.9533mm，中心厚为2mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的H-ZF1玻璃；双胶合透镜222的三个表面曲率半径分别是19.2542mm、13.3511mm和-69.9697mm，中心厚依次为4mm、9.5mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的H-ZBAF50玻璃和D-LAF50玻璃；双胶合透镜223的三个表面曲率半径分别是-10.7640mm、9.8119mm和-9.8119mm，中心厚依次为8mm、1.8mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的H-ZF7LA玻璃和H-ZPK5玻璃；焦平面探测器225选用Semiconductor Components Industries, LLC公司的MT9P006 CMOS探测器，有效像素数为2592×1944，像素大小为2.2μm；孔径光阑23的口径为4.7mm。将各个焦平面探测器223获取的子图像数据传输到图像处理***3，图像处理***3将子图像阵列拼接在一起即可生成广角高清图像。图像处理***3使用的图像拼接方法利用相邻子图像之间存在的重叠视场，基于最小二乘原理进行各子图像阵列的配准，使得重叠视场内的目标图像信息差异最小化，具体算法可参考王娟，师军，吴宪祥. “图像拼接技术综述” 计算机应用研究25(7): 1940-1943, 2008。
如图3和图4所示，小口径透镜组22还包括镜筒226，双凸透镜221、双胶合透镜222、双胶合透镜223安装在镜筒226的前端且分别采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位；调焦镜组224以及焦平面探测器225安装在镜筒226的后端的镜室227内，调焦镜组224以及焦平面探测器225采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位。利用超精密车削加工保证偏心量以及轴向位置误差小于10μm。
如图3和图4所示，调焦镜组224由平凸透镜228和弯月形透镜229组成。本实施例中，平凸透镜228的球面曲率半径是15.3726mm，中心厚为2mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的H-ZK14玻璃；弯月形透镜229的两个表面曲率半径分别是8.3106mm和4.2142mm，中心厚为6mm，材料为成都光明光电股份有限公司生产的H-ZF7LA玻璃。
本实施例混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***针对数百米至数千米范围可变的探测目标，且工作在可见光波段，本实施例成像***的总长264.725mm，有效焦距为50.3948mm，入瞳孔径为16.585mm，在100°全视场内整个可见光波段的衍射极限分辨率优于10″。成像***在100°全视场内能够接近衍射极限成像，当探测距离为无穷远目标时，***的全色MTF如图5所示，弥散斑（点列图）如图6所示；当探测距离为300m远时，***的全色MTF如图7所示，***无需调焦而成像性能没有显著变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：包括前级成像***（1）和后级成像***（2），所述前级成像***（1）包括单个的球形透镜（11），所述后级成像***（2）包括小口径透镜组阵列（21），所述球形透镜（11）收集广角目标入射的光线并聚焦到以球形透镜（11）的球形透镜中心（111）为中心的球形中继像面（112）上，所述小口径透镜组阵列（21）包括多个均匀排布在以球形透镜中心（111）为中心的球面上的小口径透镜组（22），各小口径透镜组（22）的光轴均经过球形透镜中心（111），且各个小口径透镜组（22）获得局部视场±3°的子图像，相邻的小口径透镜组（22）获取的子图像之间存在1°的重叠视场，且各个小口径透镜组（22）的成像质量在±2.5°视场内的调制传递函数MTF均大于或等于0.3、在边缘3°视场的调制传递函数MTF大于0.1。
2.根据权利要求1所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述小口径透镜组阵列（21）中相邻小口径透镜组的光轴夹角为5°。
3.根据权利要求2所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述前级成像***还包括单镜筒（12），所述单镜筒（12）前端安装球形透镜（11）、后端设有球冠（13），所述球冠（13）的中心与球形透镜中心（111）重合，所述球冠（13）上排布用于安装各小口径透镜组（22）的小孔阵列，所述小孔阵列中任意小孔的中心线均通过球形透镜中心（111）。
4.根据权利要求3所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述球形透镜（11）和单镜筒（12）之间采用轴孔配合进行径向定位，采用孔肩进行轴向定位。
5.根据权利要求1所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述小口径透镜组（22）中所有透镜均为平面或球面透镜。
6.根据权利要求1所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述小口径透镜组（22）包括依次布置的双凸透镜（221）、双胶合透镜（222）、双胶合透镜（223）、调焦镜组（224）以及焦平面探测器（225），所述双凸透镜（221）、双胶合透镜（222）、双胶合透镜（223）、调焦镜组（224）依次将球形中继像面（112）上的中继像成像到焦平面探测器（225）上，所述双胶合透镜（222）、双胶合透镜（223）之间靠近双胶合透镜双胶合透镜（223）处设有孔径光阑（23）。
7.根据权利要求6所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述小口径透镜组（22）还包括镜筒（226），所述双凸透镜（221）、双胶合透镜（222）、双胶合透镜（223）安装在镜筒（226）的前端且分别采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位；所述调焦镜组（224）以及焦平面探测器（225）安装在镜筒（226）的后端的镜室（227）内，所述调焦镜组（224）以及焦平面探测器（225）采用轴孔配合进行径向定位、采用孔肩进行轴向定位。
8.根据权利要求7所述的混合仿生鱼眼-复眼结构的广角高清成像***，其特征在于：所述调焦镜组（224）由平凸透镜（228）和弯月形透镜（229）组成。
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