同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置制造方法
【專利摘要】同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置屬于大視場數(shù)字成像系統(tǒng)，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的探測器尺寸不足和球面鏡頭成像受限制的問題。本發(fā)明包括三組成像系統(tǒng)，每組成像系統(tǒng)包括一個同心球物鏡和相應(yīng)的像面探測器陣列，三組成像系統(tǒng)的同心球物鏡完全相同，拍攝區(qū)域完全一致，像面都為球形曲面，探測器陣列上的每個探測器感光區(qū)的形狀為正六邊形或包含該六邊形的任意形狀，所述探測器陣列呈六角分布，相鄰兩個探測器的中心水平角不大于每個探測器感光水平角的3倍，且大于2個探測器中心連線方向的封裝角度；三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列，三組成像系統(tǒng)得到的圖像拼接得到完整的大視場高分辨率視頻圖像。
【專利說明】同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大視場數(shù)字成像系統(tǒng)，具體涉及一種同心球物鏡探測器球面陣列視頻 采集裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隆博格（Luneburg)鏡頭是一種可對全視場無窮遠(yuǎn)物體成像的同心球?qū)ΨQ漸變折 射率鏡頭；該物鏡的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，物鏡的所有面共有一個曲率中心，也就是球?qū)ΨQ性， 所有方向上的成像光束完全對稱，在像面上的成像光斑也完全一樣，這樣自然就使得此類 鏡頭視場很大；其次透鏡的像面為球形曲面，曲率中心也和透鏡光學(xué)面的曲率中心在相同 的位置坐標(biāo)點(diǎn)上，鏡頭的角放大率為1，沒有除球差和色差以外的其它像差；最后，同心鏡 頭結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)，已被成功用于微波頻段然的成像；然而，隆博格鏡頭并不適用于可 見光波段，這是因?yàn)樗蟮臐u變折射率材料的折射率范圍在1到七之間，常見的玻璃 材料并不能連續(xù)的覆蓋該折射率范圍，同時漸變折射率鏡頭加工和制造起來非常困難。
[0003] C⑶和CMOS相機(jī)具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，像元位置準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，同時它 能使光學(xué)成像和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)結(jié)合在一起等優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)字成像完全取代了傳統(tǒng)的膠 片，然而，單片探測器的有限大小限制了現(xiàn)代成像系統(tǒng)向著大視場，高分辨的發(fā)展趨勢，成 為了大部分光學(xué)成像系統(tǒng)的瓶頸。
[0004] 有效解決探測器尺寸不足的方法主要是多探測器的拼接，多探測器拼接的方案包 括機(jī)械拼接，光學(xué)拼接，相機(jī)掃描等，機(jī)械拼接是將探測器首尾相接連接在一起，該方案結(jié) 構(gòu)緊湊，但是探測器邊緣有漏縫，采集到的圖像信息不全；光學(xué)拼接主要是利用棱鏡將像面 分割成空間分離的多個像面，然后安置多個探測器，相鄰探測器首尾重疊，形成大視場的探 測器陣列，由于棱鏡分光會引入嚴(yán)重色差，影響像質(zhì)，此外該方法存在拼接縫隙，分光會造 成能量損失，同時對后工作距有一定要求，從而使其應(yīng)用受到限制；掃描方案利用掃描鏡掃 描視場，其結(jié)構(gòu)比較簡單，然而缺乏實(shí)時性，運(yùn)動部件使得系統(tǒng)的可靠性較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置，解決現(xiàn)有 技術(shù)存在的探測器尺寸不足和球面鏡頭成像受限制的問題，實(shí)現(xiàn)球面無縫拼接成像。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置包括三組成 像系統(tǒng)，每組成像系統(tǒng)包括一個同心球物鏡和相應(yīng)的像面探測器陣列，三組成像系統(tǒng)的同 心球物鏡完全相同，拍攝區(qū)域完全一致，像面都為球形曲面，探測器陣列上的每個探測器感 光區(qū)的形狀為正六邊形或包含該六邊形的任意形狀，所述探測器陣列呈六角分布，相鄰兩 個探測器的中心水平角不大于每個探測器感光水平角的3倍，且大于2個探測器中心連線 方向的封裝角度；三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列，三組成像系統(tǒng)得到的圖像拼接得到 完整的大視場高分辨率視頻圖像。
[0007] 所述六角分布具體指：行與行之間相互錯開半個探測器的角度，相鄰三個探測器 中心連線為正三角形。
[0008] 所述三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列具體指：以任意一組探測器陣列的排布為 基礎(chǔ)，在該布局下，該探測器陣列產(chǎn)生兩組間隙，其他兩組探測器陣列的位置分別對應(yīng)于這 兩組間隙的位置，三組探測器陣列圓周方向相互錯開互補(bǔ)。
[0009] 所述三組同心球物鏡的光軸與相應(yīng)的像面探測器陣列的交點(diǎn)記為0,第一組探測 器陣列距點(diǎn)0最近的探測器為三個，三個探測器的中心點(diǎn)分別位于點(diǎn)0的正右方0°、左上 方120°和左下方120° ;第二組探測器陣列距點(diǎn)0最近的探測器為三個，三個探測器的中 心點(diǎn)分別位于點(diǎn)0的右上方60°、正左方180°和右下方60° ;第三組探測器陣列距點(diǎn)0最 近的探測器為一個，該探測器的中心點(diǎn)與點(diǎn)〇重合。
[0010] 本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置采用 三組完全相同的同心球物鏡對遠(yuǎn)距離成像，因?yàn)槿齻€鏡頭相距較近，對應(yīng)的像方視場幾乎 完全一樣，采用探測器交錯互補(bǔ)的三組陣列，構(gòu)成了一幅完整的大視場圖像，真正實(shí)現(xiàn)了無 縫，無運(yùn)動部件的視場拼接；
[0011] 本發(fā)明采用分層球殼同心球物鏡設(shè)計(jì)方法，避免了漸變折射率材料的使用，球透 鏡的每一層球殼都采用相同折射率的同種材料，所有球殼共用一個曲率中心，在優(yōu)化過程 中，球殼厚度和兩個面的曲率半徑并不是相互獨(dú)立的變量，但是由于只需矯正球差和色差， 數(shù)量較少的幾層球殼就可以獲得足夠的自由度用以優(yōu)化，保留了同心球物鏡結(jié)構(gòu)簡單和大 視場的優(yōu)點(diǎn)，并克服了漸變折射率材料的成本高，加工制造難的問題。
[0012] 本發(fā)明的探測器拼接方法，配合大視場高分辨的同心球物鏡的球面像面，球面上 的六角排布法可以有效的提高像素利用率，使得各個探測器采集到的圖像有足夠的用于交 疊的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無縫視場覆蓋，同時交疊區(qū)域又不至于過大，浪費(fèi)像素，加之三個系統(tǒng)同時 工作，無運(yùn)動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時性良好，比較適合航拍監(jiān)控，衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置的單個成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置的拼接原理示意圖；
[0016] 其中：1、第一組成像系統(tǒng)，2、第二組成像系統(tǒng)，3、第三組成像系統(tǒng)。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。
[0018] 參見附圖1，本發(fā)明的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置包括三組成像系 統(tǒng)，每組成像系統(tǒng)包括一個同心球物鏡和相應(yīng)的像面探測器陣列，三組成像系統(tǒng)的同心球 物鏡完全相同，拍攝區(qū)域完全一致，像面都為球形曲面，探測器陣列上的每個探測器感光區(qū) 的形狀為正六邊形或包含該六邊形的任意形狀，所述探測器陣列呈六角分布，相同行相鄰 探測器的中心水平角不大于每個探測器感光水平角的3倍，且大于2個探測器行方向的封 裝水平角；不同行相鄰探測器的斜方向中心和球心連線的夾角不大于每個探測器感光斜方 向球心角的3倍，且大于2個探測器斜方向的封裝球心角；三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排 列，三組成像系統(tǒng)得到的圖像拼接得到完整的大視場高分辨率視頻圖像。
[0019] 所述六角分布具體指：行與行之間相互錯開半個探測器的角度，相鄰三個探測器 中心連線為正三角形。
[0020] 所述三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列具體指：三組探測器陣列圓周方向相互粗 開互補(bǔ)，以符合上述條件的一組探測器陣列排布為基礎(chǔ)，在該布局下，陣列產(chǎn)生兩組間隙， 其它兩組探測器陣列的位置分別對應(yīng)于這兩組間隙的位置。
[0021] 所述三組同心球物鏡的光軸與相應(yīng)的像面探測器陣列的交點(diǎn)記為0,第一組探測 器陣列距點(diǎn)0最近的探測器為三個，三個探測器的中心點(diǎn)分別位于點(diǎn)0的正右方0°、左上 方120°和左下方120°;第二組探測器陣列距點(diǎn)0最近的探測器為三個，三個探測器的中 心點(diǎn)分別位于點(diǎn)0的右上方60°、正左方180°和右下方60° ;第三組探測器陣列距點(diǎn)0最 近的探測器為一個，該探測器的中心點(diǎn)與點(diǎn)〇重合。
[0022] 實(shí)施例一：
[0023] 參見附圖2,同心球物鏡由7個間隔，6層玻璃介質(zhì)組成，中心為低色散材料制成的 玻璃球，該玻璃球?yàn)槲镧R提供了正的光焦度，同時該設(shè)計(jì)中還包含了一個空氣間隔，該間隔 為矯正球差和色差提供了有效的幫助；該物鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)為：視場120°，焦距280mm，F(xiàn)/# 為2. 8,工作波段450nm?680nm可見光波段，總長400mm，球面像面半徑為280mm。
[0024]參照圖3(a)，同一行相鄰探測器中心點(diǎn)的水平角間距為25.6°，則α= 25.6° /3 = 8.53°，第一組成像系統(tǒng)1中，以光軸和像面的交點(diǎn)為像面中心點(diǎn)，則該中心點(diǎn) 的水平和俯仰角坐標(biāo)為（〇, 〇)，臨近該像面中心點(diǎn)有3個探測器，正右方探測器中心點(diǎn)的角 度坐標(biāo)為（α，0)，左上方探測器中心點(diǎn)的角度坐標(biāo)為<2 ,-力《/2)，左下方探測器中心 點(diǎn)的角度坐標(biāo)為(-?/2,Vi/W，其中3α表示同一行相鄰探測器中心點(diǎn)的水平角距離，其 余的探測器按照六角規(guī)律向外依次排布。
[0025]參照圖3(b)，第二組成像系統(tǒng)2中，以光軸和像面的交點(diǎn)為像面中心點(diǎn)，該中心點(diǎn) 的水平和俯仰角坐標(biāo)為（〇, 〇)，臨近該像面中心點(diǎn)有3個探測器，正左方探測器中心點(diǎn)的角 度坐標(biāo)為（_α，0)，右上方探測器中心點(diǎn)的角度坐標(biāo)為(α/2，-V^a/2j，右下方探測器中心 點(diǎn)的角度坐標(biāo)為/2,7^/2),其余的探測器按照六角規(guī)律向外依次排布。
[0026]參照圖3(c)，第三組成像系統(tǒng)3中，以光軸和像面的交點(diǎn)為像面中心點(diǎn)，該中心點(diǎn) 的水平和俯仰角坐標(biāo)為（〇, 〇)，臨近該像面中心點(diǎn)有1個探測器，該探測器中心點(diǎn)與像面中 心點(diǎn)重合，其余的探測器按照六角規(guī)律向外依次排布。
[0027]參照圖3 (d)，通過軟件算法和電子學(xué)處理將上述三組成像系統(tǒng)像面通過拼接組合 可以形成大視場高分辨無縫的全景視場圖，用于滿足客戶的應(yīng)用需求。
[0028]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例 性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，由于本發(fā)明的重要特點(diǎn)在于探測器陣列的布局方式，文 中的描述旨在說明其原理方法，任何其它的描述方式或不同數(shù)學(xué)上的變動可能只是對該布 局的一個旋轉(zhuǎn)或平移操作，并沒有在原理上和本發(fā)明有所不同，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在 不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修 改、替換和變形，則這些非本質(zhì)的變化、修改、替換和變形仍認(rèn)為在本發(fā)明的申請保護(hù)范圍 以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置，其特征在于，包括三組成像系統(tǒng)，每組成 像系統(tǒng)包括一個同心球物鏡和相應(yīng)的像面探測器陣列，三組成像系統(tǒng)的同心球物鏡完全相 同，拍攝區(qū)域完全一致，像面都為球形曲面，探測器陣列上的每個探測器感光區(qū)的形狀為正 六邊形或包含該六邊形的任意形狀，所述探測器陣列呈六角分布，相鄰兩個探測器的中心 水平角不大于每個探測器感光水平角的3倍，且大于2個探測器中心連線方向的封裝角度； 三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列，三組成像系統(tǒng)得到的圖像拼接得到完整的大視場高分 辨率視頻圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置，其特征在于，所 述六角分布具體指：行與行之間相互錯開半個探測器的角度，相鄰三個探測器中心連線為 正三角形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置，其特征在于，所 述三組探測器陣列相互錯開互補(bǔ)排列具體指：以任意一組探測器陣列的排布為基礎(chǔ)，在該 布局下，該探測器陣列產(chǎn)生兩組間隙，其他兩組探測器陣列的位置分別對應(yīng)于這兩組間隙 的位置，三組探測器陣列圓周方向相互錯開互補(bǔ)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的同心球物鏡探測器球面陣列視頻采集裝置，其特征在于，所 述三組同心球物鏡的光軸與相應(yīng)的像面探測器陣列的交點(diǎn)記為0,第一組探測器陣列距點(diǎn) 0最近的探測器為三個，三個探測器的中心點(diǎn)分別位于點(diǎn)0的正右方0°、左上方120°和左 下方120° ;第二組探測器陣列距點(diǎn)0最近的探測器為三個，三個探測器的中心點(diǎn)分別位于 點(diǎn)0的右上方60°、正左方180°和右下方60° ;第三組探測器陣列距點(diǎn)0最近的探測器 為一個，該探測器的中心點(diǎn)與點(diǎn)〇重合。
【文檔編號】G03B37/04GK104317156SQ201410512466
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】龐武斌, 賈樹強(qiáng), 張廣, 許偉才, 黃瑋 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所