成像光学系统的核心元件为其中的成像物镜,系统性能也受到物镜视场角、分辨率和体积的制约。在传统物镜系统设计中,要兼顾大视场和高成像分辨率时,往往要增加系统的透镜片数,增大光学系统的体积。但小型化和轻量化是先进光学系统设计的发展趋势,也是硬性指标,对于这种体积受限的紧凑型成像系统,需要研究特殊的方式,扩大系统视场达到设计目标。
阵列面型的灵感来源于生物复眼,生物复眼和人类的单眼孔成像相比,具有较大的扩展视场、更小的像差及成像畸变、更高的时间分辨率和无穷远的景深。然而,复眼成像在取得以上成像优势的同时,牺牲了成像分辨率。研究表明,若要将复眼的图像分辨率提升到与人类的单眼孔成像相同的水平,整个镜头的半径至少为1m。在传统的单眼孔光学成像系统中,能够实现全视场90°成像的仅有鱼眼镜头、本书12.5节介绍的折反镜头、双通道视场融合镜头等形式。另一种具有大视场能力的单眼孔成像结构,即同心球透镜,常被用作多尺度成像的主镜,结合曲面分布的图像传感器阵列形成多尺度系统,如图12-57所示,可以实现大视场成像,但其探测器阵列成本及最终装配成本仍然无法控制,使得造价非常昂贵。
如上所述,复眼特征的阵列面型具有大的成像视场但分辨率较低,而单眼孔镜头同心球透镜具有简单的结构和高成像分辨率,但像面弯曲。因此要在足够紧凑的系统结构中实现大视场的高分辨率成像,可以将同心球透镜和阵列面型的优势结合。同心球透镜接收来自大视场的光线信息,微透镜阵列可以用于与视场相关的残余像差校正。其具体原理可以描述为:首先给系统结构引入同心球透镜作为主体结构,用于采集大视场信息和初步的像差校正;后继部分为多个微小孔径拼接而成的曲面微透镜阵列;将同心球镜头所成的弯曲像面成在平面上,进行场曲和其他局部像差的校正,即获得大视场的平场成像。
在像面上获得所有小孔径的图像信息后,可以通过后续的图像处理将所有区域的图像拼接缝合。如图12-58所示,将不同孔径的图像首先进行平场校正(FFC),再将较暗或相邻重叠的部分进行修剪,最终组合形成完整图像。(www.xing528.com)
图12-57 同心多尺度系统
图12-58 分割视场成像的图像处理过程
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