超大视场高分辨率全景环带光学系统设计
全景环带光学系统由全景头部单元和中继透镜系统两部分组成，能够对围绕其光轴360°空间内的景物实现凝视成像。全景环带光学系统视场大、径向畸变小、结构紧凑，上述特性使得它在管道内壁检测、安防监控、机器视觉、视频会议、大气监测、空间飞行导航等领域都有广泛的应用。 在一些特定的应用场景，如监控、机器视觉、全景立体成像等领域还有进一步扩大全景环带光学系统的视场角和提高其分辨率的需求。本文正是围绕上述需求展开了研究，进行了一些尝试。一方面，通过详细分析组成全景环带光学系统的两种全景头部单元结构的场曲特性，从中确定了有利于获得更大视场的全景头部单元结构。然后，在中继透镜系统的设计中引入了新近提出的Qbfs非球面表达方式来校正场曲、像散、畸变等与视场相关的像差。最终设计了视场达到(30°～120°)×360°，全视场F-Theta相对畸变在1％以内的超大视场全景环带光学系统。像质分析和公差分析结果表明所设计的超大视场全景环带光学系统成像质量优秀、公差分配合理;另一方面，我们在保留较大视场的前提下继续提高全景环带光学系统的分辨率。这就意味着其焦距和像面尺寸都要继续增大，在大尺寸图像传感器还比较缺乏的现有条件下，为实现上述目标必然要使用图像拼接的方法。因此，我们提出将高分辨率全景环带光学系统的像面设计为与其场曲相适应的球面面形，以此来降低场曲校正的难度，而球面像面则使用靠近像面的输入端为相同半径球面的光学纤维面板来传递给图像传感器，通过拼接的方式来获取完整图像。根据上述方案，我们设计了焦距达到-24mm的高分辨率全景环带光学系统，其焦距为目前最长焦距全景环带光学系统焦距的两倍以上。最后，研制了一台含有一个光学纤维面板耦合图像传感器的原型样机，对整个圆环形像面进行扫描。通过图像拼接的方式获取了约含1.5亿像素的高分辨率全景图像，验证了所提出方案的有效性和可行性。
全景环带光学系统;像面设计;场曲特性;图像分辨率
浙江大学
博士
测试计量技术及仪器
白剑
2016
中文
TP391.41
148
2017-04-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）