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森林的早晨 360°高阶非球面反射式全景镜头设计hhhh444敢玩神仙道 通胀预期 外汇交易软件

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发表于 2020-9-16 17:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
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360°高阶非球面反射式全景镜头设计hhhh444敢玩神仙道  军人

360°高阶非球面反射式全景镜头设计hhhh444敢玩神仙道  军人

摘要:

为了简化系统设备、进步图像采集及处置惩罚服从,实现单一光学系统环视高清全景成像,根据折反射式光学系统的工作道理,筹划了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质举行优化筹划。该相机采纳高阶非球面反射镜紧缩视场角,将垂直光轴偏向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光举行吸收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。经过对系统像质的优化,获得高清的360°环保全景图像,并对光学系统的垂危性能目标举行了分析。所筹划的360°全景镜头采纳1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4 mm,光圈数为2.2,俯仰角到达75°,像方全视场在150 lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采纳单一光学系统成像,打点了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处置惩罚服从低的题目,同时经过简化系统结构,使该产物合适本钱低、可量产的要求。



关键词:全景成像;高阶非球面;折反射


1 引言

随着平安城市的建立以及聪明城市的成长,安防监控产物及智能家居产物的需求在不停提升,同时车载影象市场范围的扩大,促使民用智能全景摄像机日益精进。而为了扩大相机的拍摄视场角,进而获得更多的图像信息,360°视场角的全景摄像机应势而生。将成像技术与形式识别技术相结合,可将全景相机感知到的海量数据信息举行分析、加工并处置惩罚出故意义的信息,使其在家庭安防监控、消耗文娱电子装备、车载影象及视觉传感器等范围均获得普遍利用。由于传统镜头的成像视场角受限,现在市场上的360°全景相机均是采纳多镜头拍摄,再经过图像的无缝拼接技术实现的全景成像成果,这类相机不但结构复杂,价格高贵,同时图像的采集和处置惩罚服从将大大受限。是以,一款兼具廉价、便携及快速获得图像信息的全景相机是实现可智能化、一体化技术上风的重点研讨偏向[。近年来,国内外研讨者对环保全景成像技术展开了大量研讨,Conroy L等人研讨了采纳两个反射镜配合相机组成的立体视觉系统。Christopher Mei等人研讨了单视点全向平面栅格的全景成像相机标定方式。北京理工大学徐岸人等采纳双曲面反射镜筹划全景成像。哈尔滨产业大学课题组筹划了凹面反射镜获得环形全景图像的柱形物体成像系统。浙江大学课题组对单视点及非单视点折反射相机模子举行了研讨,并提出全景注视成像方式,获得了成像视场角为180°的图像[。但是受限于光学元件的加工工艺,至今未有单一光学系统实现360°全景成像的可量产产物报道。



本文垂危举行360°环保全景光学系统的筹划及优化,利用光学的反射和折射道理,将高阶非球面反射镜引入到全景成像光学系统中,其吸收目标光的垂直光轴偏向俯仰角可从-55°至20°,在不必要云转台及多镜头图像拼接的情况下,采纳单一光学系统即可实现水平360°视场角的无盲区覆盖,有用进步了图像采集与识此外正确度和速度。结构上也较传统折反射式光学系统有所简化,大大低落了产物的生产本钱。同时该全景摄像机还具有画面分辨率高、可远程实时视频传输、可与手机互动、便于照顾等优点。



2 计分剖辨

2.1 性能分析

研讨筹划的全景相机,是基于光轴扭转对称的360°广角成像透镜的全新投影计划,其中透镜的视场和图像传感器的尺寸间接反射而没有任何参考透镜的有用焦距。此外供给了实行斥地的投影计划的广角镜头的大白示例。通太高阶非球面反射投影的方式,经透镜组元件获得360°无死角无缝对接环保全景成像,采集利用者感爱好的图像信息,获得满足的图像。研讨筹划的全景摄像机实现在360°环保全景成像上,较传统的高速快球摄像机所具有的性能上风如表 1所示。

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2.2 筹划道理

高阶非球面反射式全景成像的系统成像结构暗示图如图 1所示,其底子的成像纪律分为单视点成像和非单视点成像。当入射到反射镜面的光芒的延长线交于一点则为单视点成像,否则即为非单视点成像,单视点的成像约束可以盘算得出反射镜面的特定二次曲面,非单视点成像则是按照不同投影方式获得反射镜面的离散数值解,通太高阶方程拟合获得高阶曲面方程。而反射镜面的筹划是按照物点间隔像平面的高度与像点间隔图像中心的半径成线性关系,经过设定差此外比例系数,获得不同外形的反射面,反射镜面与系统成像质量关系亲近,经过对不同比例系数的分析,可以得出分辨率及像散所遭到的影响,根据物体尺寸,获得最优比例系数,从而实现高清成像。



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图1. 360度反射式全景系统成像结构暗示图



反射镜面的筹划中,采纳垂直投影均匀分辨率的道理举行外形筹划,如图 2,设定相机的中心为O,有用焦距为f,反射镜面中心为Om,物体视为中心扭转对称,反射镜面也设定为扭转对称的外形,故在此仅对垂截面的曲线方程举行盘算分析,末了再经过中心扭转获得完整的反射镜面。反射镜曲面微分方程的初始值为曲线极点与成像面的间隔d。设待测物体的高度H=50 mm,半径R=20 mm。物体上A点反射的入射光芒在曲面上的点为B,该点的法向量为n,反射光芒按照小孔成像的道理,成像于像面C点,该点间隔像面的中心为R′。设定物体到相机平面的间隔为d′,入射光芒与相机的光轴夹角为α,反射光芒与相机的光轴夹角为β。入射角即是反射角,其值为θ。反射面B点切线与水平轴夹角为Ф。那末,设反射曲面的截面方程为z= F(r),截面曲线绕光轴扭转一周即获得曲面方程。



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图2. 360度全景镜头反射镜面筹划道理暗示图



由于反射面满足光学反射定律,入射角即是反射角,且满足垂直场景无畸变,故投影关系满足物高d′与像点半径R′成线性比例关系。故可获得以下方程(1)~(3):

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其中a和b为比例系数。在式(1)、(2)中消去θ,获得2Ф=α-β,即获得等式(4),由于Ф是镜面点切线与水平偏向的夹角,是以获得等式(5),按照几多关系,可获得等式(6)~(8):


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联立以上方程,获得反射镜的微分方程如式(9):


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          9



上式可以简化为式(10):



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              10



按照给出具体参数即可求解微分方程,获得反射镜面的曲面方程。在已知物体的尺寸半径R和相机的焦距f,曲线的投影方程比例参数系数a、b,及镜面间隔d时,就获得肯定的镜面曲线。为了获得高清的360°环视图像,应对曲面参数举行优化,找到满足系统光学目标的最优值,获得合适要求的分辨率和像散。


3 筹划及优化
3.1 光学筹划
筹划的高阶非球面反射式高清360°环保全景相机,要求水平视场角为360°,光圈数F=2.2,焦距为f=0.4 mm,俯仰角为20°至-55°。以下是具体的系统光学结构,优化分析以及筹划成果。


首先,经过MATLAB中的ode45求解器来求解2.2推导的反射镜面常微分方程的数值解,再经过曲线拟合获得非球面反射镜面的高阶方程[21]。高阶非球面的表示方式如式(11)~ (13)所示。采纳最小二乘法得出拟合的高阶非球面方程的系数如表 2。


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其中:c为极点曲率,e为离心率,a2,a3,a4为高阶非球面系数。


高阶非球面系数初步盘算后,挑选合适的初始结构,筹划球面透镜系统成像,并选用合适的CCD装配。采纳zemax软件举行仿真,分析系统的成像质量。光学系统的筹划目标要求:成像目标间隔50 mm时,可分辨细节为1 mm。筹划镜头要求可搭载1/4 inch的CCD相机,,全视场吸收像面直径D为2.7 mm,,获得的图像分辨率与相机像素尺寸的2倍成反比,故筹划要求像方全视场分辨率应到达150 lp/mm,镜头的相对照度不低于60%。采纳光圈数和视场角与筹划要求附近的初始结构,如图 3所示。镜头由一片塑料高阶非球面镜以及10片玻璃球面透镜组成,光学性能目标f=1.0 mm,视场角为全视场75°,轴外光芒在高阶非球面反射镜的反射感化下会聚到前组透镜组,即第2片负透镜,在第2、3片负透镜感化下发散,分管较大视场,增大通光口径。接着采纳三胶合透镜结构,消除位置色差及球差。然后再用一片正透镜紧缩光芒角度,减小其负担的视场,有助于后续校正像差。由于第2、3片负透镜使得系统存在桶形畸变,由于边沿视场照度会出现迟钝下降趋向,少许畸变的存在,可使照度获得响应抵偿。后组先经过正透镜紧缩视场,再经过与前组偏向相反的三胶合结构举行畸变抵偿,并进一步校正系统像差。


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图3. 360度全景镜头系统结构光路图



经过对镜头的焦距f举行团体缩放,使之向目标焦距值靠近,焦距缩放至f′=0.4 mm,优化进程中,为了保证透镜的量产性,凹透镜的曲率半径要大于镜片口径的0.9倍,像面半高度限制在1.35 mm,并将垂直光轴偏向为基准的俯仰角为增大至20°至-55°。并控制TTL总长度小于50 mm,系统中非球面反射镜采纳塑料模压制备,玻璃透镜采纳成都光亮的环保型玻璃制备。经过利用数MTFA、MTFT、MTFS优化像质,予以适当权重,并经过AXCL、LACL利用数控制色差。


优化进程中经过像差情况调解目标值以及权重值,同时在评价函数中自建立控制利用符以控制全部光学系统的高级像差,频频优化使其到达筹划要求。经过优化,获得的系统光路图、传递函数MTF、点列图、相对照度如图 4所示,系统各个视场在150 lp/mm条件下的MTF值均大于0.3,并在低频具有杰出的反差,传递函数曲线相对会合、平滑,对照度以及成像质量较好,合适筹划要求。


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图4.360度全景镜头



3.2 畸变评价

系统采纳反射镜面要获得大视场的图像信息,就只能增大反射镜的曲率半径,但这样又会使得图像的畸变变大,所以说大视场一定会带来图像的变形,必要权衡两者之间的关系。由于系统的传递函数MTF在评价像质时,不能权衡畸变,而非球面反射式成像系统采纳平面圆柱投影法举行成像,将三维转换到二维圆环地域,采纳常规的方形地域的畸变评价方式并不适用。为了公道的描摹系统的成像畸变题目,引入反射角光芒追迹的方式。已知反射角为β,如图 2所示,其在垂直于像面的成像高度为tan β·f,tan β·f可以看做理想像高,主光芒与像面的现实交点位置为现实的成像位置,我们用相对畸变来表示畸变量,其界说为主光芒现实像高与理想像高的差值与理想像高的比值,即:



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              14



其中:p为相对畸变,ri为主光芒现实像高,β为主光芒反射角,f为光学系统有用焦距。经过筹划及优化,经过式(14)盘算获得,成像相对畸变均小于60%。图 5为光学系统的场区及畸变曲线。



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图5.畸变



为了测试筹划的全景镜头的现实畸变,对1 cm×2 cm的方格阵列采集图像,如图 6所示。全景镜头采集的原始图像如图 7(a)所示,丈量盘算实在际畸变约为58%,与理论盘算成果合适。经过算法展开的二分图像如图 7(b)所示,其径向相对畸变经过算法校正后低于4%。



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图6.丈量全景镜头畸变实行



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图7.全景镜头



4 样品实拍及图像表示

360°全景摄像机可利用于智能监控、视觉传感器、商务视频会议会议等场景,图 8为现实生产的样品实拍图,图 9为利用处景的成像成果展现,和图像展开成果。可见实在现了360°环视高清无死角成像,且成像清楚,径向畸变很小,不影响图像的展开成果。满足了筹划要求,在现实利用中有着不成估量的远景。



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图8.360°环保全景镜头和相机样品



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图9.全景图像



5 结论

本文先容了实现单一光学系统全景成像的高阶非球面反射式360°全景镜头的筹划。首先通太高阶非球面反射镜获得成像装配四周环视360°的物体表面信息,然后经过透镜组成像获得图像,接着优化了成像像质及光学结构,末了获得高清环视360°全景图像。系统焦距为0.4 mm,F数为2.2,水平视场角为360°,垂直光轴偏向俯仰角为20°至-55°,半像高为1.35 mm,像方全视场分辨率为150 lp/mm处对照度大于0.3,镜头的相对照度不低于80%。该系统TTL总长为46.7 mm,后工作距为2.5 mm,筹划的本钱低、体积小,生产出的制品概况雅观,本筹划在产物化中具有行业领先上风。
(根源:
光学精密工程 2018, 26(8):1977-1984. )




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