[发明专利]同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置

说明书

技术领域

本发明属于大视场数字成像系统，具体涉及一种同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置。

背景技术

隆博格(Luneburg)镜头是一种可对全视场无穷远物体成像的同心球对称渐变折射率镜头；该物镜的优点在于：首先，物镜的所有面共有一个曲率中心，也就是球对称性，所有方向上的成像光束完全对称，在像面上的成像光斑也完全一样，这样自然就使得此类镜头视场很大；其次透镜的像面为球形曲面，曲率中心也和透镜光学面的曲率中心在相同的位置坐标点上，镜头的角放大率为1，没有除球差和色差以外的其它像差；最后，同心镜头结构简单，便于设计，已被成功用于微波频段然的成像；然而，隆博格镜头并不适用于可见光波段，这是因为它所要求的渐变折射率材料的折射率范围在1到之间，常见的玻璃材料并不能连续的覆盖该折射率范围，同时渐变折射率镜头加工和制造起来非常困难。

CCD和CMOS相机具有灵敏度高，结构紧凑，重量轻，像元位置准确等优点，同时它能使光学成像和计算机处理技术结合在一起等优点，使得数字成像完全取代了传统的胶片，然而，单片探测器的有限大小限制了现代成像系统向着大视场，高分辨的发展趋势，成为了大部分光学成像系统的瓶颈。

有效解决探测器尺寸不足的方法主要是多探测器的拼接，多探测器拼接的方案包括机械拼接，光学拼接，相机扫描等，机械拼接是将探测器首尾相接连接在一起，该方案结构紧凑，但是探测器边缘有漏缝，采集到的图像信息不全；光学拼接主要是利用棱镜将像面分割成空间分离的多个像面，然后安置多个探测器，相邻探测器首尾重叠，形成大视场的探测器阵列，由于棱镜分光会引入严重色差，影响像质，此外该方法存在拼接缝隙，分光会造成能量损失，同时对后工作距有一定要求，从而使其应用受到限制；扫描方案利用扫描镜扫描视场，其结构比较简单，然而缺乏实时性，运动部件使得系统的可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置，解决现有技术存在的探测器尺寸不足和球面镜头成像受限制的问题，实现球面无缝拼接成像。

为实现上述目的，本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置包括三组成像系统，每组成像系统包括一个同心球物镜和相应的探测器阵列，三组成像系统的同心球物镜完全相同，拍摄区域完全一致，像面都为球形曲面，每组探测器阵列上的每个探测器感光区的形状为正六边形或包含该六边形的任意形状，所述探测器阵列呈六角分布，相邻两个探测器的中心水平角不大于每个探测器感光水平角的3倍，且大于2个探测器中心连线方向的封装角度；三组探测器阵列相互错开互补排列，三组成像系统得到的图像拼接得到完整的大视场高分辨率视频图像。

所述六角分布具体指：行与行之间相互错开半个探测器的角度，相邻三个探测器中心连线为正三角形。

所述三组探测器阵列相互错开互补排列具体指：以任意一组探测器阵列的排布为基础，在该布局下，该探测器阵列产生两组间隙，其他两组探测器阵列的位置分别对应于这两组间隙的位置，三组探测器阵列圆周方向相互错开互补。

所述三组同心球物镜的光轴与相应的探测器阵列的交点都记为O，第一组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的正右方0°、左上方120°和左下方120°；第二组探测器阵列距点O最近的探测器为三个，三个探测器的中心点分别位于点O的右上方60°、正左方180°和右下方60°；第三组探测器阵列距点O最近的探测器为一个，该探测器的中心点与点O重合。

本发明的有益效果为：本发明的同心球物镜探测器球面阵列视频采集装置采用三组完全相同的同心球物镜对远距离成像，因为三个镜头相距较近，对应的像方视场几乎完全一样，采用探测器交错互补的三组阵列，构成了一幅完整的大视场图像，真正实现了无缝，无运动部件的视场拼接；

本发明采用分层球壳同心球物镜设计方法，避免了渐变折射率材料的使用，球透镜的每一层球壳都采用相同折射率的同种材料，所有球壳共用一个曲率中心，在优化过程中，球壳厚度和两个面的曲率半径并不是相互独立的变量，但是由于只需矫正球差和色差，数量较少的几层球壳就可以获得足够的自由度用以优化，保留了同心球物镜结构简单和大视场的优点，并克服了渐变折射率材料的成本高，加工制造难的问题。