[发明专利]适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种适用于大动态范围近半球视场恒定分辨率多光谱光学系统。主要用于高分辨率机载/星载对地观测，也可用于城市安全监控、国土普查等领域。

背景技术

高分辨率对地观测技术能够利用卫星或者飞机等平台携带各类成像传感器，获取地球表面自然与社会的各类景观信息，满足各类应用需求。高分辨率对地观测，其目的在于研究生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源、保护环境、防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；直接支持各类土木工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；除此之外，对地观测技术还可以为民众生活提供各种基于位置的服务。一个光学成像系统的分辨率决定了其捕获的图像的视觉保真度，对应对地观测任务的多样化和高技术化要求，对地观测系统正朝着宽视场、大动态范围、小畸变、远距离、宽光谱、高精度、轻小型化等方向发展。

然而在传统光学系统研制过程中，宽视场和高分辨率是互为矛盾的，这增加了光学系统的设计和加工难度。从实际需求出发，人们总是希望尽可能的获取足够多的信息。目前，近半球视场成像的系统主要有鱼眼透镜超半球凝视成像系统和环带凝视全景成像系统，存在视场盲区或图像畸变、全视场相对照度不均匀和轴上轴外分辨率不同的问题，而且受焦距较短的影响分辨率一般不高。目前所采用的较多的高分辨率光学系统以折反式或者全反射式为主，折反射式系统和同轴全反射系统的视场一般很小，全视场很难超过10°；离轴反射系统可以在一个成像方向上实现一个很宽(超过50°)的视场，在另一个方向上只有非常窄的视场，但是该系统的设计装调都很困难。因此，新型宽视场、小畸变、高分辨率的轻型光学成像系统具有很大的应用价值。

中心对称结构的球镜容易获得较大视场、较小几何畸变、均匀的相对照度和轴上轴外均匀的分辨率。文献S.Rim，P.Catrysse，R.Dinyari，K.Huang，and P.Peumans，"The optical advantages of curved focal plane arrays，"in Proc.SPIE5678，48-58(2005)提出用一个包含球透镜和曲面探测器的衍射受限相机；加利福尼亚大学的Luneburg在Mathematical Theory of Optics期刊中提出采用变折射率的单心系统来进行像差校正；文献G.Krishnan and S.Nayar，"Towards a true spherical camera，"Proc.SPIE 7240，724002(2009)提出同时利用球透镜和球面探测器实现大视场成像。这类系统缺陷在于只采用单心球镜结构，系统存在较大球差和色差，且其像面为球面，受限于目前曲面探测器的发展，实现球形像面的困难较大。2010年美国杜克大学D.J.Brady等人，在美国国防部先进研究项目局DARPA规划部署的AWARE(Advanced Wide FOV Architectures for Image Reconstruction and Exploitation)项目支持下，提出一种名为Gigagon的改进系统结构，利用排列于球镜像面上的平面探测器阵列成像；并于2012年研制出名为AWARE-2的二十亿超高像素相机。该相机由一个直径为60mm的单心球透镜和环绕其外球面的200多个微型相机构成，每台微型相机装有型号为Aptina MT9F002的14M像素CMOS传感器，能够同时获得120°×50°宽视场和38μrad瞬时视场，满足宽视场、高分辨率、多波段目标识别和日/夜的全天候监测能力的需求。该方案采用二次成像方式，中心球透镜实现小视场范围内的高成像质量，之后再用中继系统成像。缺点在于小相机的数量很多，对于加工、制造、装调都是很大的挑战。