CN104317156B - 同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置 - Google Patents
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Abstract
同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置属于大视场数字成像系统，目的在于解决现有技术存在的探测器尺寸不足和球面镜头成像受限制的问题。本发明包括三组成像系统，每组成像系统包括一个同心球物镜和相应的像面探测器阵列，三组成像系统的同心球物镜完全相同，拍摄区域完全一致，像面都为球形曲面，探测器阵列上的每个探测器感光区的形状为正六边形或包含该六边形的任意形状，所述探测器阵列呈六角分布，相邻两个探测器的中心水平角不大于每个探测器感光水平角的3倍，且大于2个探测器中心连线方向的封装角度；三组探测器阵列相互错开互补排列，三组成像系统得到的图像拼接得到完整的大视场高分辨率视频图像。
Description
技术领域
本发明属于大视场数字成像系统，具体涉及一种同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置。
背景技术
隆博格(Luneburg)镜头是一种可对全视场无穷远物体成像的同心球对称渐变折射率镜头；该物镜的优点在于：首先，物镜的所有面共有一个曲率中心，也就是球对称性，所有方向上的成像光束完全对称，在像面上的成像光斑也完全一样，这样自然就使得此类镜头视场很大；其次透镜的像面为球形曲面，曲率中心也和透镜光学面的曲率中心在相同的位置坐标点上，镜头的角放大率为1，没有除球差和色差以外的其它像差；最后，同心镜头结构简单，便于设计，已被成功用于微波频段然的成像；然而，隆博格镜头并不适用于可见光波段，这是因为它所要求的渐变折射率材料的折射率范围在1到之间，常见的玻璃材料并不能连续的覆盖该折射率范围，同时渐变折射率镜头加工和制造起来非常困难。
CCD和CMOS相机具有灵敏度高，结构紧凑，重量轻，像元位置准确等优点，同时它能使光学成像和计算机处理技术结合在一起等优点，使得数字成像完全取代了传统的胶片，然而，单片探测器的有限大小限制了现代成像系统向着大视场，高分辨的发展趋势，成为了大部分光学成像系统的瓶颈。
有效解决探测器尺寸不足的方法主要是多探测器的拼接，多探测器拼接的方案包括机械拼接，光学拼接，相机扫描等，机械拼接是将探测器首尾相接连接在一起，该方案结构紧凑，但是探测器边缘有漏缝，采集到的图像信息不全；光学拼接主要是利用棱镜将像面分割成空间分离的多个像面，然后安置多个探测器，相邻探测器首尾重叠，形成大视场的探测器阵列，由于棱镜分光会引入严重色差，影响像质，此外该方法存在拼接缝隙，分光会造成能量损失，同时对后工作距有一定要求，从而使其应用受到限制；扫描方案利用扫描镜扫描视场，其结构比较简单，然而缺乏实时性，运动部件使得系统的可靠性较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置，解决现有技术存在的探测器尺寸不足和球面镜头成像受限制的问题，实现球面无缝拼接成像。
为实现上述目的，本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置包括三组成像系统，每组成像系统包括一个同心球物镜和相应的探测器阵列，三组成像系统的同心球物镜完全相同，拍摄区域完全一致，像面都为球形曲面，每组探测器阵列上的每个探测器感光区的形状为正六边形或包含该六边形的任意形状，所述探测器阵列呈六角分布，相邻两个探测器的中心水平角不大于每个探测器感光水平角的3倍，且大于2个探测器中心连线方向的封装角度；三组探测器阵列相互错开互补排列，三组成像系统得到的图像拼接得到完整的大视场高分辨率视频图像。
所述六角分布具体指：行与行之间相互错开半个探测器的角度，相邻三个探测器中心连线为正三角形。
所述三组探测器阵列相互错开互补排列具体指：以任意一组探测器阵列的排布为基础，在该布局下，该探测器阵列产生两组间隙，其他两组探测器阵列的位置分别对应于这两组间隙的位置，三组探测器阵列圆周方向相互错开互补。
所述三组同心球物镜的光轴与相应的探测器阵列的交点都记为O，第一组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的正右方0°、左上方120°和左下方120°；第二组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的右上方60°、正左方180°和右下方60°；第三组探测器阵列距点O最近的探测器为一个，该探测器的中心点与点O重合。
本发明的有益效果为：本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置采用三组完全相同的同心球物镜对远距离成像，因为三个镜头相距较近，对应的像方视场几乎完全一样，采用探测器交错互补的三组阵列，构成了一幅完整的大视场图像，真正实现了无缝，无运动部件的视场拼接；
本发明采用分层球壳同心球物镜设计方法，避免了渐变折射率材料的使用，球透镜的每一层球壳都采用相同折射率的同种材料，所有球壳共用一个曲率中心，在优化过程中，球壳厚度和两个面的曲率半径并不是相互独立的变量，但是由于只需矫正球差和色差，数量较少的几层球壳就可以获得足够的自由度用以优化，保留了同心球物镜结构简单和大视场的优点，并克服了渐变折射率材料的成本高，加工制造难的问题。
本发明的探测器拼接方法，配合大视场高分辨的同心球物镜的球面像面，球面上的六角排布法可以有效的提高像素利用率，使得各个探测器采集到的图像有足够的用于交叠的区域，实现无缝视场覆盖，同时交叠区域又不至于过大，浪费像素，加之三个系统同时工作，无运动部件，系统稳定可靠，实时性良好，比较适合航拍监控，卫星遥感等领域。
附图说明
图1为本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置结构示意图；
图2为本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置的单个成像系统结构示意图；
图3为本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置的拼接原理示意图；
其中：1、第一组成像系统，2、第二组成像系统，3、第三组成像系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置包括三组成像系统，每组成像系统包括一个同心球物镜和相应的探测器阵列，三组成像系统的同心球物镜完全相同，拍摄区域完全一致，像面都为球形曲面，每组探测器阵列上的每个探测器感光区的形状为正六边形或包含该六边形的任意形状，所述探测器阵列呈六角分布，相同行相邻探测器的中心水平角不大于每个探测器感光水平角的3倍，且大于2个探测器行方向的封装水平角；不同行相邻探测器的斜方向中心和球心连线的夹角不大于每个探测器感光斜方向球心角的3倍，且大于2个探测器斜方向的封装球心角；三组探测器阵列相互错开互补排列，三组成像系统得到的图像拼接得到完整的大视场高分辨率视频图像。
所述六角分布具体指：行与行之间相互错开半个探测器的角度，相邻三个探测器中心连线为正三角形。
所述三组探测器阵列相互错开互补排列具体指：三组探测器阵列圆周方向相互粗开互补，以符合上述条件的一组探测器阵列排布为基础，在该布局下，阵列产生两组间隙，其它两组探测器阵列的位置分别对应于这两组间隙的位置。
所述三组同心球物镜的光轴与相应的探测器阵列的交点都记为O，第一组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的正右方0°、左上方120°和左下方120°；第二组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的右上方60°、正左方180°和右下方60°；第三组探测器阵列距点O最近的探测器为一个，该探测器的中心点与点O重合。
实施例一：
参见附图2，同心球物镜由7个间隔，6层玻璃介质组成，中心为低色散材料制成的玻璃球，该玻璃球为物镜提供了正的光焦度，同时该设计中还包含了一个空气间隔，该间隔为矫正球差和色差提供了有效的帮助；该物镜的设计参数为：视场120°，焦距280mm，F/#为2.8，工作波段450nm～680nm可见光波段，总长400mm，球面像面半径为280mm。
参照图3(a)，同一行相邻探测器中心点的水平角间距为25.6°，则α＝25.6°/3＝8.53°，第一组成像系统1中，以光轴和像面的交点为像面中心点，则该中心点的水平和俯仰角坐标为(0,0)，临近该像面中心点有3个探测器，正右方探测器中心点的角度坐标为(α,0)，左上方探测器中心点的角度坐标为左下方探测器中心点的角度坐标为其中3α表示同一行相邻探测器中心点的水平角距离，其余的探测器按照六角规律向外依次排布。
参照图3(b)，第二组成像系统2中，以光轴和像面的交点为像面中心点，该中心点的水平和俯仰角坐标为(0,0)，临近该像面中心点有3个探测器，正左方探测器中心点的角度坐标为(-α,0)，右上方探测器中心点的角度坐标为右下方探测器中心点的角度坐标为其余的探测器按照六角规律向外依次排布。
参照图3(c)，第三组成像系统3中，以光轴和像面的交点为像面中心点，该中心点的水平和俯仰角坐标为(0,0)，临近该像面中心点有1个探测器，该探测器中心点与像面中心点重合，其余的探测器按照六角规律向外依次排布。
参照图3(d)，通过软件算法和电子学处理将上述三组成像系统像面通过拼接组合可以形成大视场高分辨无缝的全景视场图，用于满足客户的应用需求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，由于本发明的重要特点在于探测器阵列的布局方式，文中的描述旨在说明其原理方法，任何其它的描述方式或不同数学上的变动可能只是对该布局的一个旋转或平移操作，并没有在原理上和本发明有所不同，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形，则这些非本质的变化、修改、替换和变形仍认为在本发明的申请保护范围以内。
Claims (2)
1.同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置，其特征在于，包括三组成像系统，每组成像系统包括一个同心球物镜和相应的探测器阵列，三组成像系统的同心球物镜完全相同，拍摄区域完全一致，像面都为球形曲面，每组探测器阵列上的每个探测器感光区的形状为正六边形或包含该六边形的任意形状，所述探测器阵列呈六角分布，相邻两个探测器的中心水平角不大于每个探测器感光水平角的3倍，且大于2个探测器中心连线方向的封装角度；三组探测器阵列相互错开互补排列，三组成像系统得到的图像拼接得到完整的大视场高分辨率视频图像；
所述六角分布具体指：行与行之间相互错开半个探测器的角度，相邻三个探测器中心连线为正三角形；
所述三组探测器阵列相互错开互补排列具体指：以任意一组探测器阵列的排布为基础，在该布局下，该探测器阵列产生两组间隙，其他两组探测器阵列的位置分别对应于这两组间隙的位置，三组探测器阵列圆周方向相互错开互补。
2.根据权利要求1所述的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置，其特征在于，所述三组同心球物镜的光轴与相应的探测器阵列的交点都记为O，第一组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的正右方0°、左上方120°和左下方120°；第二组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的右上方60°、正左方180°和右下方60°；第三组探测器阵列距点O最近的探测器为一个，该探测器的中心点与点O重合。
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