共心宽视场高分辨率成像方法研究

摘要

如今的高分辨率相机已经可以获得千万像素的图像，而且随着图像传感器的分辨率的增加，我们可以获得数十亿像素量级的相机。相机的分辨率决定了捕捉到的图像的视觉保真度。更高的分辨率意味着更高的保真度，也就是在执行自动视觉任务如目标物体检测、识别、跟踪时更高的精度。对于一个传统的光学成像系统来讲，视场角和分辨率是一对矛盾体。宽视场角要求光学成像系统具有较小焦距，此时其成像分辨率较低，而高分辨率则要求光学系统具有较长的焦距。所以，能够兼顾宽视场和高分辨率成像的光学系统，将成为下一代光学遥感、预警及监控系统的发展趋势。然而，任意一个相机的分辨率，其本质上都是受到几何像差限制的。此外，视场角的增大通常会导致光学成像系统质量和体积的增加，因此在相机设计过程中，应该权衡的问题是如何在保证宽视场和高分辨率成像的同时使得其结构小型和轻量化。透镜系统的比例法则表明，利用计算成像的方法来校正光学成像系统的几何像差，可以设计出前所未有的高分辨率相机，并且这种相机的结构简单紧凑。在这篇文章中，我们提出一种可用于十亿像素量级成像的共心宽视场高分辨率相机结构。该共心宽视场高分辨率相机具有球对称结构，由主次两级光学系统以及包围其的若干平面图像传感器构成，可以获得宽达120的连续视场。
　　本研究主要内容包括：⑴分别计算了传统成像系统和计算成像系统的成像分辨率与透镜比例因子 M之间的数学关系，推导得出限制传统成像系统成像分辨率的比例法则和限制计算成像系统成像分辨率的解析比例法则，进而对两者进行比较分析；⑵基于球形透镜的易于实现较大视场和较小畸变的特点，利用不同材料的球形表面组合设计了共心球形主光学系统，由于该结构的旋转对称性，系统不存在如纵向色差、像散、彗差等轴外像差，通过ZEMAX光学设计软件优化其不同组合形式的调制传递函数MTF，达到减小主物镜的其余几何像差的目的；⑶设计小视场角的次级光学系统，进一步校正共心主物镜的残余像差来提高成像质量，同时将共心主物镜的宽视场均分为若干等大的子视场，通过子视场的叠加来实现宽视场成像。次级光学系统由若干个完全一致的中继透镜组构成，对主物镜不同视场角的像差进行校正；⑷设计了两种共心宽视场相机，给出其设计参数，并利用 ZEMAX光学设计软件仿真其二维轮廓图、MTF与空间频率关系图以及像差特性曲线。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 宽视场高分辨率成像技术的研究现状

1.3 论文内容与结构形式

第二章 像差理论与共心光学系统

2.1赛德尔像差

2.2 色差

2.3 光学系统的像质评价

2.4 共心光学系统

第三章 计算成像与图像质量提升

3.1 几何像差与图像质量

3.2 透镜系统的空间分辨率

3.3 计算成像系统的空间分辨率

3.4 计算成像与传统成像系统的比例法则

第四章 共心宽视场高分辨率相机设计

4.1 共心相机的设计原理

4.2 共心主物镜的设计与优化

4.3 次级光学系统的设计

第五章 仿真结果与分析

5.1 共心主物镜的设计实例与仿真结果分析

5.2 共心宽视场相机的设计实例与仿真结果分析

5.3 共心宽视场相机的图像重建仿真结果

第六章 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

1、基本情况

2、教育背景

3、攻读硕士学位期间的研究成果