同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系統(tǒng)設(shè)計

吳雄雄，王曉蕊，袁 影，張建磊

(西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

?

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系統(tǒng)設(shè)計

吳雄雄，王曉蕊*，袁 影，張建磊

(西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

以同心多尺度成像模式為基礎(chǔ)，結(jié)合人眼視網(wǎng)膜凹成像思想，提出了一種寬視場與雙分辨率成像組合的新型同心多尺度成像系統(tǒng)，在廣域視場范圍內(nèi)實現(xiàn)了對關(guān)注的感興趣目標(biāo)區(qū)域的高分辨動態(tài)注視。介紹了同心多尺度雙分辨率成像系統(tǒng)的工作方式；使用一個單透鏡和一個雙膠合透鏡為初始結(jié)構(gòu)，結(jié)合二軸微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描微鏡組合形成光路；利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件，優(yōu)化設(shè)計了成像波段為0.486～0.656 μm，在單個分通道視場內(nèi)(30°)可對關(guān)注的小視場區(qū)域(6°)高分辨注視跟蹤的子成像系統(tǒng)。 對成像系統(tǒng)的像質(zhì)以及點列圖、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線、場曲、畸變曲線進行了評價。結(jié)果表明設(shè)計的子成像系統(tǒng)在全視場內(nèi)成像均勻，接近衍射極限，場曲和畸變較小，最大場曲不超過0.6 mm，最大畸變小于1.5%，能夠滿足同心多尺度雙分辨率成像系統(tǒng)對子成像系統(tǒng)性能的要求。

同心多尺度成像系統(tǒng)；凹成像；雙分辨率成像；MEMS掃描微鏡；高分辨動態(tài)注視；寬視場

1 引 言

視場角和分辨率是光學(xué)系統(tǒng)非常重要的兩個性能指標(biāo)。大視場能夠覆蓋寬廣的范圍發(fā)現(xiàn)更多的目標(biāo)，高分辨率能夠看到目標(biāo)更多的細節(jié)。大視場高分辨成像一直是天文觀測、空天廣域監(jiān)視等領(lǐng)域的發(fā)展方向[1-3]，但是受限于成像系統(tǒng)的比例法則[4]，傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法兼顧大視場和高分辨率的成像要求。

為解決該問題，國內(nèi)外學(xué)者探索并提出了多種大視場與高分辨統(tǒng)一的典型成像方式。國內(nèi)學(xué)者韓昌元研究了高分辨空間相機的光學(xué)系統(tǒng)，分析比較了多種光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到了不同相對孔徑和不同視場角的光學(xué)設(shè)計結(jié)果[5]。楊立保等人提出了多鏡頭成像拼接的方法，并將該方法應(yīng)用于經(jīng)緯儀系統(tǒng)[6]。薛慶生等人采用先視場分離分光，再用分色片分光的設(shè)計方法，設(shè)計了一種大視場高分辨的星載成像光譜儀[7]。王紅分析了超廣角光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、像差平衡以及像面照度的一致性，設(shè)計了工作于0.254～0.272 μm波段的大視場、大相對孔徑紫外光學(xué)系統(tǒng)[8]。國外Sargen等人利用高分辨相機掃描的方式獲得了寬視場高分辨率圖像，但是該方式只適用于靜態(tài)場景[9]。Wilburn等人使用相機陣列來實現(xiàn)高分辨成像，但是該方法的物理尺寸太大，成本太高[10]。通過拼接多個探測器可以獲得連續(xù)的更大的探測器，從而實現(xiàn)大視場高分辨率成像，但是該方法存在拼接縫隙，圖像內(nèi)存在盲區(qū)[11]。使用魚眼透鏡可以實現(xiàn)大視場成像[12-13]，但是在實現(xiàn)大視場成像的同時，其像面存在畸變，尤其是邊緣處信息被嚴重壓縮，損失較大。哥倫比亞大學(xué)的Cossairt等人利用計算成像的方法，例如去模糊方法等，在相機尺寸較小的情況下獲得了更大的分辨率[14-15]。他們同時利用球透鏡和球面探測器實現(xiàn)大視場成像，但是系統(tǒng)存在較大的球差和色差，且這些像差不能完全被計算成像消除。美國杜克大學(xué)的Brady等人提出了多尺度光學(xué)系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)是由一個大的物鏡和一系列小的光學(xué)元件組成的多孔徑陣列結(jié)構(gòu)，由于多孔徑陣列由不同的光學(xué)元件組成，所以生產(chǎn)和裝配比較困難。因此Brady等人把物鏡設(shè)計為同心對稱結(jié)構(gòu)，提出了同心多尺度光學(xué)系統(tǒng)，從而使多孔徑陣列不同位置的光學(xué)元件完全一致[17-19]。依照同心多尺度思想設(shè)計的AWARE-2相機擁有的視場為120°×50°，角分辨率為38 μrad[17]，AWARE-10擁有相機100°×60°的視場，角分辨率為25 μrad[20-21]。但是過多的微相機導(dǎo)致背景視場的采樣數(shù)據(jù)量過多，后續(xù)圖像處理與傳輸?shù)墓ぷ髁魁嫶?。這些方法都是為了能夠?qū)崿F(xiàn)廣域監(jiān)視和高分辨率的統(tǒng)一，但都存在一定的難度，且這些類型的成像系統(tǒng)均無法實現(xiàn)廣域場景中運動目標(biāo)的動態(tài)跟蹤。

為實現(xiàn)運動目標(biāo)的廣域監(jiān)視和高分辨率動態(tài)跟蹤，本文結(jié)合同心多尺度和雙分辨率成像的思想[22-24]，提出了同心多尺度雙分辨率成像系統(tǒng)，重點設(shè)計了系統(tǒng)中能夠?qū)﹃P(guān)注區(qū)域進行高分辨動態(tài)注視跟蹤的子成像系統(tǒng)，為研制同心多尺度雙分辨率成像系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

2 同心多尺度雙分辨模式介紹

Brady等人提出的同心多尺度成像系統(tǒng)使用大量的微相機組成相機陣列來分割中間像面，以進行二次成像，如AWARE-2系統(tǒng)擁有98個微相機，AWARE-10系統(tǒng)擁有382個微相機。因此每個微相機的視場較小，覆蓋的中間像面小，可以近似看作平面，如圖1(a)所示。但是過多的微相機導(dǎo)致背景視場的采樣數(shù)據(jù)量過多，后續(xù)圖像處理與傳輸?shù)墓ぷ髁魁嫶螅已b備比較復(fù)雜，成本較高。為了避開這種高密度相機陣列設(shè)計，本文使用3×3個微相機作為次級光路分割同心主透鏡，從而獲得外圍背景大視場，如圖1(b)所示，每個微相機通道分割的視場相對較大，但是分辨率會較低。

(a)多個微相機組成陣列

(b)3×3個微相機組成陣列

為了讓系統(tǒng)同時具備高分辨率成像和對運動目標(biāo)快速注視的能力，在每個分視場通道內(nèi)加入高分辨小視場掃描子系統(tǒng)，在每個分視場內(nèi)對關(guān)注區(qū)域進行高分辨掃描注視成像，從而實現(xiàn)大視場廣域高分辨成像，系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 同心多尺度雙分辨率成像系統(tǒng)的原理圖

Fig.2 Schematic diagram of monocentric multiscale dual resolution imaging system

為了使得整個系統(tǒng)裝配緊湊，分視場微相機和高分辨小視場子成像系統(tǒng)共用一個同心球形物鏡。該物鏡具有多層球殼，球殼越多越復(fù)雜，可優(yōu)化的自由度越多，成像質(zhì)量越好[25]。本文作為一個簡單設(shè)計實例，選用單層同心球形透鏡作為整個系統(tǒng)的物鏡。把球形透鏡看作厚透鏡，得到透鏡焦距為[26]：

f=nR/2(n-1)，

(1)

式中：n為球形透鏡的折射率，R為球形透鏡的半徑。在各個分通道中插入分束鏡，分束鏡位于中間像面之后，把一個通道的成像光束分成兩束：其中一束進入微相機光路，對分割的背景視場成像；另外一束進入高分辨小視場掃描系統(tǒng)。高分辨小視場掃描系統(tǒng)由準直透鏡，二軸MEMS掃描微鏡和高分辨成像傳感器組成，如圖2所示。準直透鏡把透過分束鏡的光線匯聚到MEMS掃描微鏡。通過瞬時傾斜MEMS微鏡的角度，使得MEMS微鏡的垂軸線指向關(guān)注區(qū)域，光線經(jīng)過MEMS微鏡反射被重新準直并與系統(tǒng)光軸平行，再次被準直透鏡會聚，最終進入成像傳感器，在成像傳感器上形成關(guān)注區(qū)域的高分辨率圖像。通過驅(qū)動MEMS微鏡的擺動，高分辨小視場能夠在分割的背景視場內(nèi)進行掃描，如圖3所示，圖中箭頭方向表示高分辨小視場的掃描方向。分通道微相機對廣域背景視場進行分割成像，其分辨率相對較低，能分辨可疑目標(biāo)即可。多個通道的分視場拼接形成廣域視場。在廣域視場監(jiān)視中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)成像在某個分割的通道視場內(nèi)時，在對應(yīng)的分割通道內(nèi)，通過驅(qū)動MEMS實現(xiàn)高分辨小視場子成像系統(tǒng)對關(guān)注區(qū)域的掃描成像，從而完成對關(guān)注目標(biāo)的高分辨動態(tài)跟蹤。

圖3 高分辨小視場在分通道背景視場中的掃描成像路徑

Fig.3 Scanning route of sub-imaging system with high resolution and small field of view in divided background field of view

3 高分辨小視場光路設(shè)計

小視場區(qū)域高分辨成像的子成像光路與分視場微相機共用一個同心球形物鏡，同心球形物鏡使用常見的玻璃材料BK7，半徑為50 mm。本文使用一個單透鏡和一個雙膠合透鏡為初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，成像波段為可見光0.486～0.656 μm。設(shè)計的單個分通道背景視場為30°，在分通道背景視場內(nèi)掃描移動的子通道高分辨小視場為6°。分通道背景視場之間有重疊，用于后期的圖像拼接，以實現(xiàn)寬視場廣域成像。

當(dāng)MEMS擺角為0°(與Y軸夾角)時，子通道高分辨小視場位于分通道背景視場的中心位置，如圖4所示。

圖4 高分辨小視場位于分通道背景視場的中心位置

Fig.4 High resolution small field of view located in center of divided background FOV

該子通道成像系統(tǒng)覆蓋的視場為-3°～3°(Y方向)，優(yōu)化得到的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高分辨率小視場成像光路結(jié)構(gòu)

Fig.5 Layout of sub-imaging system with high resolution and small field of view

圖6(a)為設(shè)計得到的子通道成像系統(tǒng)在典型視場-3°，0°，3°的全譜段點列圖。從圖6(a)可以看出，3個典型視場的彌散斑RMS值接近，成像質(zhì)量均勻，以中心視場0°對稱。圖6(b)為該成像光路的調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)，可以看出設(shè)計的光路成像性能良好，接近衍射極限。該成像光路的場曲/畸變?nèi)鐖D6(c)所示。由于需要對關(guān)注區(qū)域位置準確定位，用來驅(qū)動MEMS擺動角度，因此場曲和畸變要小。從圖6(c)可以看出，場曲在0.5 mm以內(nèi)，最大畸變量小于0.43%，均較小，能夠滿足成像要求。

(a)典型視場點列圖

(b)MTF曲線

(c)場曲和畸變

Fig.6 Performance of sub-imaging optical system for tilt angle of MEMS of 0°

當(dāng)子通道小視場位于分通道視場的邊緣位置時，如圖7(a)和7(b)所示。此時MEMS擺角分別為2.985°和-2.985°，覆蓋視場分別為9～15°和-9～-15°。隨著MEMS擺角在-2.985～2.985°變化，子通道小視場在分通道背景視場-15～15°(Y方向)內(nèi)掃描。圖8顯示了當(dāng)MEMS微鏡擺角為2.985°(與Y軸夾角)時的成像光路。

(a)上邊緣(a)Top edge

(b)下邊緣(b)Bottom edge

Fig.7 High resolution small field of view located by edges of divided background FOV

圖8 MEMS掃描微鏡擺角為2.985°時高分辨率小視場成像光路結(jié)構(gòu)

Fig.8 Layout of sub-imaging system with high resolution and small field of view when MEMS scanning microlense tilted 2.985°

該設(shè)計結(jié)構(gòu)的像質(zhì)評價點列圖如圖9(a)所示，MTF如圖9(b)所示，場曲/畸變?nèi)鐖D9(c)所示，場曲在0.6 mm以內(nèi)，最大畸變量小于1.5%。從以上像質(zhì)評價曲線可以看出，子成像系統(tǒng)的像質(zhì)隨著視場的增大而降低，因此，設(shè)計的分通道背景視場不能過大(-15°～15°)。

(a)典型視場點列圖

(b)MTF曲線

(c)場曲和畸變

Fig.9 Peformance of sub-imaging system for tilt angle of MEMS of 2.985°

從子通道小視場的成像光路圖中可以看出，光路中單透鏡和雙膠合透鏡之間的距離較遠，這樣有足夠的距離來布置分束鏡及MEMS鏡。該光學(xué)系統(tǒng)光路簡單、成像性能良好。整個光路的鏡片由球形物鏡，單透鏡和雙膠合透鏡組成，透鏡片數(shù)較少，容易裝配布局，能夠滿足設(shè)計要求。隨著MEMS微鏡擺動角度的變化，子通道成像視場能夠在一定的分視場內(nèi)進行掃描成像，實現(xiàn)對關(guān)注區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的動態(tài)跟蹤。

4 結(jié) 論

本文在同心多尺度成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人眼視網(wǎng)膜凹成像思想，提出了一種寬視場與雙分辨率成像組合的同心多尺度成像系統(tǒng)。以簡單透鏡為初始結(jié)構(gòu)，使用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件優(yōu)化設(shè)計了所提系統(tǒng)中在單個分通道視場內(nèi)(30°)對關(guān)注的小視場區(qū)域(6°)高分辨注視跟蹤的子通道成像系統(tǒng)。從成像系統(tǒng)的點列圖、MTF曲線、及場區(qū)/畸變曲線評價圖中可知，該系統(tǒng)的場曲在0.6 mm以內(nèi)，最大畸變量小于1.5%，成像性能良好，滿足性能要求。

[1] ZHU Z， RAJASEKAR K D， RISEMAN E M，etal.. Panoramic virtual stereo vision of cooperative mobile robots for localizing 3D moving objects [C].IEEEWorkshoponOmnidirectionalVision， 2000：29-36.

[2] KAISER N， AUSSEL H， BURKE B E，etal..Pan-STARRS： a large synoptic survey telescope array [J].SPIE， 2002， 4836：154-164.

[3] LEININGER B， EDWARDS J， ANTONIADES J，etal.. Autonomous real-time ground ubiquitous surveillance-imaging system (ARGUS-IS) [J].SPIE， 2008， 6981：69810H-69810H-11.

[4] LOHMANN A W. Scaling laws for lens systems [J].AppliedOptics， 1989， 28(23)：4996-4998.

[5] 韓昌元. 高分辨力空間相機的光學(xué)系統(tǒng)研究[J]. 光學(xué) 精密工程， 2008， 16(11)：2164-2172. HAN CH Y.Study on optical system of high resolution space camera [J].Opt.PrecissionEng， 2008，16(11)：2164-2172.(in Chinese)

[6] 楊立保， 李艷紅， 王晶，等. 多鏡頭成像拼接方法在經(jīng)緯儀系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 光學(xué) 精密工程， 2010， 18(5)：1048-1053. YANG L B， LI Y H， WANG J，etal.. Application of multi-lens image stitching to opto-electronic theodolites [J].Opt.PrecissionEng， 2010， 18(5)：1048-1053. (in Chinese)

[7] 薛慶生， 黃煜， 林冠宇. 大視場高分辨力星載成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 光學(xué)學(xué)報， 2011(8)：240-245. XUE Q SH， HUANG Y， LIN G Y. Optical system design of wide-angle and high-resolution spaceborne imaging spectrometre [J].ActaOpticaSinica， 2011(8)：240-245. (in Chinese)

[8] 王紅. 大相對孔徑大視場紫外告警相機光學(xué)系統(tǒng)[J]. 光學(xué) 精密工程， 2014， 22(12)：3212-3216. WANG H. Optical system for ultraviolet warning camera with wide field of view and large relative aperture [J].Opt.PrecissionEng.， 2014， 22(12)：3212-3216. (in Chinese)

[9] SARGENT R， BARTLEY C， DILLE P，etal.. Timelapse GigaPan： capturing， sharing， and exploring timelapse gigapixel imagery [C].FineInternationalConferenceonGigapixelImagingforScience.Pittsburgh，PA， 2010.

[10] WILBURN B， JOSHI N， VAISH V，etal.. High performance imaging using large camera arrays [J].AcmTransactionsonGraphics， 2005， 24(3)：765-776.

[11] SUNTHARALINGAM V， BERGER R， CLARK S，etal.. A 4-side tileable back illuminated 3D-integrated Mpixel CMOS image sensor [C].IEEEInternationalSolid-StateCircuitsConference， 2009：38-39，39a.

[12] ABRAHAM S， FORSTNER W. Fish-eye-stereo calibration and epipolar rectification [J].ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing， 2005， 59： 278-288.

[13] 王永仲. 魚眼鏡頭光學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2006. WANG Y ZH.Fish-eyeLens[M]. Beijing： Science Press， 2006. (in Chinese)

[14] COSSAIRT O S， MIAU D， NAYAR S K. Gigapixel computational imaging [C].IEEEInternationalConferenceonComputationalPhotography， 2011：1-8.

[15] COSSAIRT O S， MIAU D， NAYAR S K. Scaling law for computational imaging using spherical optics [J].JOSAA，OpticsImageScience&Vision， 2011， 28(12)：2540-2553.

[16] BRADY D J， HAGEN N. Multiscale lens design [J].OpticsExpress， 2009， 17(13)：10659-10674.

[17] BRADY D J， GEHM M E， STACK R A，etal.. Multiscale gigapixel photography [J].Nature， 2012， 486(7403)：386-389.

[18] TREMBLAY E J， MARKS D L， BRADY D J，etal.. Design and scaling of monocentric multiscale imagers [J].AppliedOptics， 2012， 51(20)：4691-4702.

[19] SON H S， JOHNSON A， STACK R A，etal.. Optomechanical design of multiscale gigapixel digital camera [J].AppliedOptics， 2013， 52(8)：1541-1549.

[20] MARKS D L， LLULL P R， PHILLIPS Z，etal.. Characterization of the AWARE 10 two-gigapixel wide-field-of-view visible imager [J].AppliedOptics， 2014， 53(13)：54-63.

[21] SON H S， MARKS D L， BRADY D J，etal.. Oversampled triangulation of AWARE-10 monocentric ball lens using an auto-stigmatic microscope [J].OpticsExpress， 2013， 21(19)：22206-22214.

[22] MARTINEZ T， WICK D， RESTAINO S. Foveated， wide field-of-view imaging system using a liquid crystal spatial light modulator [J].OpticsExpress， 2005， 5874(10)：80-86.

[23] WICK D V， MARTINEZ T， RESTAINO S R，etal.. Foveated imaging demonstration [J].OpticsExpress， 2002， 10(10)：60-65.

[24] HUA H， LIU S. Dual-sensor foveated imaging system[J].AppliedOptics， 2008， 47(3)：317-327.

[25] STAMENOV I， AGUROK I， FORD J E. Optimization of high-performance monocentric lenses [J].AppliedOptics， 2013， 52(52)：8287-8304.

[26] MARKS D L， HUI S S， KIM J，etal.. Engineering a gigapixel monocentric multiscale camera [J].OpticalEngineering， 2012， 51(8)：527-529.

吳雄雄(1992-)，男，陜西延安人，2013年于西安電子科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。E-mail： wuxx1992@126.com

導(dǎo)師簡介：

王曉蕊(1976-)，男，山東濟寧人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1998年于四川大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2003年、2005年于西安電子科技大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位， 主要從事先進光學(xué)遙感與光電仿真等方面的研究。E-mail： xrwang@mail.xidian.edu.cn

(版權(quán)所有 未經(jīng)許可 不得轉(zhuǎn)載)

Design of sub-imaging system based on monocentric multiscale dual resolution imaging

WU Xiong-xiong， WANG Xiao-rui*， YUAN Ying， ZHANG Jian-lei

(School of Physics and Optoelectronic Engineering， Xidian University， Xi′ an 710071， China)

A new monocentric multiscale imaging system with a wide field of view and dual resolution was proposed based on the theories of monocentric multiscale imaging and foveated imaging to achieve the high resolution dynamic gazing of the interesting region in a wide-area. The working model of this system was described in detail. By using a single lens and a doublet as the initial structure， two axis MEMS(Micro-Electronic-Mechanical System) micro mirrors were combined to form a light path. On the basis of the ZEMAX software， a sub-imaging system(6°) was optimized and designed to realize the high resolution gazing in the individual separated field of view(30°) at the spectra range from 486—0.656 μm. The image quality， spot diagram， Modulation Transform Function(MTF) curve and the field curvature/distortion curve of the sub-image system were evaluated， and the results show that the imaging is uniform in the full field of view and approaches the diffraction limitation. Moreover， it has smaller field curvature and distortion， the field curvature is smaller than 0.6 mm， and the distortion is smaller than 1.5%. These data meet the requirements of monocentric multiscale dual resolution imaging systems for the performance of sub-imaging systems.

monocentric multiscale imaging system； foveated imaging； dual resolution imaging； MEMS micro mirror； high resolution dynamic gazing； wide field of view

2016-07-18；

2016-08-30.

國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61007014，No.61575152)

1004-924X(2016)11-2644-07

O435；TH703

A

10.3788/OPE.20162411.2644

*Correspondingauthor，E-mail：xrwang@mail.xidian.edu.cn