基于单光学系统的全景环带立体成像技术

摘要

本文提出了一种基于全景环带透镜(PAL)的新型全景环带立体成像系统。 这种新型的PAL光学系统的优势在于利用了原单PAL的中央盲区，使之成为另一PAL单元的成像区域，增加了传感器像素的利用率。与普通PAL系统的不同点在于本系统下PAL单元前方反射面不是完全镀反射膜，而是环状反射膜、中间镀透射膜，投射区域用于透过从上方PAL进入的光线，从PAL光学系统的成像原理可知，这不会对下PAL单元造成任何影响。在设计过程中要克服诸多难点。最大的问题在于PAL系统于与鱼眼光学系统类似，存在较大的入瞳漂移，在单PAL设计过程中会出现较大的入瞳误差，导致在优化过程中较容易中断，若采用多重结构同时设计双PAL结构，优化效率低且更易出现软件无法找到入瞳的问题。为了解决这一问题，本设计方案采用二次成像的方法，首先独立设计两PAL单元，然后找到下部PAL单元处于反射面前的一个虚拟成像面，将上部PAL单元的像成像于此虚拟像面上，最后联合优化达到设计要求，这种二次成像连接上下PAL单元的方法可以大大降低了系统的设计难度。在精确获得物体的过程中，考虑到入瞳漂移给系统带来的基线距离随物体位置而变化的问题，本文将上下PAL入瞳偏移与物点在环状像上距成像圆的半径都拟合为关于视场角的多项式函数，这样可以较准确的获取物体的距离信息，且计算过程也更简单。同时本文还在理论上分析了本系统的最大分辨率，认为其主要取决于上下PAL单元基线距。为了验证设计方案的可实施性，本文提供了系统的实物图，该系统可以提取立体信息的视场角为60°～105°;提取深度信息的分辨率约为在500mm范围内区域高于1线/cm;为了使系统适用于较暗的光照环境下，其F#约为3。系统完全达到预期的指标，能较好的提取出立体信息。