专利名称：球面成像装置及其成像方法
技术领域：
本发明涉及一种光学成像装置及成像方法。
背景技术：
在典型的光学成像系统中，包括放大镜、望远镜、显微镜等成像系统，均是通过一 组光学部件构成的，并通过调焦装置获得清晰的目标图像。其光学系统的设计决定了成像 系统的分辨率，通常光学镜头的尺寸越大，成像分辨率越高，并且最高分辨率受光学衍射极 限的约束，它与光学镜头的尺寸成反比，与波长成正比，即有S θ OC λ/D，其中δ θ为光学 成像系统分辨率，λ为波长，D为光学镜头孔径。为了获得高分辨率的图像，光学系统的镜头尺寸要求很大，其相机的重量也随之 增加。例如在卫星遥感应用中，光学相机作为有效载荷，一般重量在200kg以上，即使进行 轻量化设计，其重量也在IOOkg左右，因此光学相机是影响卫星总体指标的重要因素之一。 此外，光学相机通常只能在较小的视场内(一般不超过2π)成像。一方面应用要求高分辨的成像系统，但另一方面受物理实现的约束，使得实际应 用过程中不得不进行折中的考虑。在卫星遥感应用中，光学相机的指标确定主要是分辨率、 系统重量、研制成本等折中的产物。除此之外，为提高成像质量，相机电子学部分也采用了 多项技术，如采用TDICCD器件增加积分时间来提高信噪比等，但同时也对卫星姿态的控制 指标提出了更高的要求，间接提高了卫星的研制成本。
发明内容
本发明的目的是解决现有的光学成像系统在保证成像分辨率的条件下、不能够满 足卫星遥感成像任务中的系统重量小、视场大及成本低的技术需要的问题，提供了一种球 面成像装置及其成像方法。球面成像装置，它由光电转换单元和信号处理单元组成，所述光电转换单元的电 信号输出端连接信号处理单元的电信号输入端；所述光电转换单元由M个光敏器件组成， 每个光敏器件的光接收面为平面，所述M个光敏器件的光接收面均勻设置在同一个球面 上，且每个光敏器件的光接收面的中心垂线均经过所述球面的球心；其中，M为正整数。利用上述球面成像装置的成像方法，它的过程如下 步骤一、根据目标图像，获得球面成像装置的点扩散函数；
步骤二、利用光电转换单元的光敏器件，对目标图像在光接收面上的光强分布进行采 样，获得目标图像与点扩散函数的卷积；
步骤三、利用处理单元，通过频域变换及在频域空间进行逆滤波的方法，得到目标图像 在频域空间的分布；然后经过频域逆变换，获得目标图像在光接收面上的光强分布，完成成像。应用本发明的成像装置及方法进行成像，能够得到与传统光学成像系统相同的角度分辨率，但是本发明中不需光学系统，而传统光学成像系统必须有光学系统，因此，本发 明可以实现更轻的成像系统；另外，本发明能够实现4π空间的成像，而传统光学成像系 统只能在较小的视场内(一般不超过2 π)成像，因此，本发明具有更广的成像视场。而且， 本发明的成像装置主要由光面器件构成，相对一般光学成像系统，成本较低。
图1为本发明的球面成像装置的总体结构示意图；图2为本发明的球面成像装置 中的光电转换单元的结构示意图；图3为本发明的球面成像装置的成像方法的流程图；图4 为目标在球面上产生的光强分布示意图；图5为坐标系示意图；图6为球面形成的点扩散 函数图；图7为用于成像的目标图像；图8为目标图像在光敏器件上的光强分布图；图9为 应用本发明获得的成像结果图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的球面成像装置， 它由光电转换单元1和信号处理单元2组成，所述光电转换单元1的电信号输出端连接信 号处理单元2的电信号输入端；所述光电转换单元1由M个光敏器件组成，每个光敏器件的 光接收面为平面，所述M个光敏器件的光接收面均勻设置在同一个球面上，且每个光敏器 件的光接收面的中心垂线均经过所述球面的球心；其中，M为正整数，它可根据实际需要选 择。
具体实施方式
二 本实施方式的球面成像装置的成像方法，它利用实施方式一所 述的球面成像装置实现，它的过程如下
步骤一、根据目标图像，获得球面成像装置的点扩散函数；
步骤二、利用光电转换单元1的光敏器件，对目标图像在光接收面上的光强分布进行 采样，获得目标图像与点扩散函数的卷积；
步骤三、利用处理单元2，通过频域变换及在频域空间进行逆滤波的方法，得到目标图 像在频域空间的分布；然后经过频域逆变换，获得目标图像在光接收面上的光强分布，完成 成像。步骤一所述内容的具体过程可为
目标图像为点目标，球面上光敏器件的输出即为球面成像系统的点扩散函数，点目标 离球面足够远，则点目标发出的光线在球面可以看成是平行光线，如图4所示，点扩散函数 由下式描述
ρ·η = ρ cos (α)，
上式中，P为点目标的光强矢量η力球面光敏器件平面地单位矢量，α为矢量多和
矢量H的夹角，为矢量多的标量形式；
为获得点目标的二维光强分布，需要建立三维的点扩散函数的数学模型，其坐标系定 义如图5所示，在图5中，定义通过q点及χ轴的平面与XOZ平面之间的夹角(面面角)为 θ x，通过q点及y轴的平面与yoz平面的夹角(面面角)为ey。以0点为圆心，半径为r的 球面上，一个足够远的点目标产生的光强分布可以用h ( θχ，9y)表示，q是球面上的点，代表球面上的光敏器件所在的位置，q点的各个坐标用半径及方向余弦表示为 x=rcos ( α )， y=rcos (β )， z=rcos ( γ ),
其中，Γ力半径矢量，r为F的标量形式，α是半径矢量F与χ轴的夹角，β是半径矢
量r与y轴的夹角，Υ是半径矢量F与Z轴的夹角，Θ 1用方向余弦分别表示为 tg (Qx) =y/z=cos ( β ) /cos ( γ ), tg ( θ y) =x/z=cos ( α ) /cos ( γ ),
根据 cos2 ( α ) +cos2 ( β ) +cos2 ( Y ) =1 及 sin2 ( γ ) +cos2 ( Y ) =1，得 tg2 ( θ χ) +tg2 ( θ y) =tg2 ( γ ) =l/cos2 ( γ )-1,
由此，可获得在(θχ，ey)坐标系下、点目标产生的点扩散函数的数值解，建立h (θχ， θ y)的数值描述，可获得在(θ χ，θ y)坐标系中的点扩散函数。所述建立h ( θ χ，θ y)的数值描述的具体过程可为
在(θχ，θ y)坐标系中顺序计算在各个角度tg2 ( 0x)+tg2 ( θ y)的数值，然后计算各 个角度相应的COS ( Y )；令h ( θ χ，θ y) =COS ( Y )；最后遍历所有(θ χ，θ y)，其中 θχ=-π JI，0y=-JI JI，即可获得在(θχ，θ y)坐标系中的点扩散函数。图6给出了点目标在(θ χ，θ y)坐标系中球面产生的点扩散函数的图像。步骤二所述的目标图像与点扩散函数的卷积可为 g (χ, y) =h (χ, y)氺f (χ, y),
其中，f (x，y)为目标图像的点集合分布函数，用于描述目标图像；h (x，y)为球面 系统的点扩散函数；g (X，y)*f (x，y)*h (x，y)的卷积，它是球面光敏器件的采样获得 的结果。步骤三所述内容的具体过程可为
利用处理单元(2)，对g (x,y)=h (x，y)*f (x，y)进行频域变换，得到 G (u，ν) =H (u, v) F (u, ν),
其中，G (u，ν)为函数g (x，y)经频域变换后的结果，H (u，v)*h (x，y)经频域变 换后的结果，F (u, ν)为f (x, y)经频域变换后的结果；
在H (u，ν)及G (u，ν)已知的情况下，得到目标图像在频域空间的分布为 F (u，ν) =G (u, ν)/H (u，ν)；
最后，再将F (u，ν)通过频域逆变换，即获得目标图像的点集合分布函数f (X，y)，也即 获得目标图像。本实施方式进行了仿真实验，在仿真中，光电转换单元(1)的像元数为256x256， 每个像元(即光敏器件)的尺寸为13x13 μ m2，光电转换单元(1)的等效球面积为12mm2，成 像球体的直径约2mm。可以得到图7至图9的实验结果，其中，图7为原始目标图像，它是一幅自然景物图的仿真图像，图8为目标图像在光面器件上的光强分布，图9为应用本实施方式获得的成 像结果。参见图9可知，本发明的成像效果很好，分辨率高，而且本发明还能够满足卫星遥 感成像任务中系统重量小及成本低的技术需要。
应用本发明的成像装置及方法进行成像，能够得到与传统光学成像系统相同的角度分辨率，但是本发明中不需光学系统，而传统光学成像系统必须有光学系统，因此，本发 明可以实现更轻的成像系统；另外，本发明能够实现4π空间的成像，而传统光学成像系 统只能在较小的视场内(一般不超过2 π)成像，因此，本发明具有更广的成像视场。而且， 本发明的成像装置主要由光面器件构成，相对一般光学成像系统，成本较低。本发明采用球面上分布的光敏器件对目标图像在球面上的光能进行直接采样，并 通过分析获得球面成像装置的点扩散函数，再利用信号处理技术获得目标图像，实现了无 光学系统的成像过程。球面成像装置的基本原理是，在线性位移不变系统的基础上，通过球 面系统的点扩散函数(或系统的冲击响应)，以及球面系统采样的目标图像光强分布，并通 过信号处理技术来获得目标图像。本发明适用于可见光成像过程，也适合于红外成像过程及微波成像过程。
权利要求
球面成像装置，其特征在于它由光电转换单元(1)和信号处理单元(2)组成，所述光电转换单元(1)的电信号输出端连接信号处理单元(2)的电信号输入端；所述光电转换单元(1)由M个光敏器件组成，每个光敏器件的光接收面为平面，所述M个光敏器件的光接收面均匀设置在同一个球面上，且每个光敏器件的光接收面的中心垂线均经过所述球面的球心；其中，M为正整数。
2.利用权利要求1所述的球面成像装置的成像方法，其特征在于它的过程如下 步骤一、根据目标图像，获得球面成像装置的点扩散函数；步骤二、利用光电转换单元(1)的光敏器件，对目标图像在光接收面上的光强分布进行 采样，获得目标图像与点扩散函数的卷积；步骤三、利用处理单元(2)，通过频域变换及在频域空间进行逆滤波的方法，得到目标 图像在频域空间的分布；然后经过频域逆变换，获得目标图像在光接收面上的光强分布，完 成成像。
3.根据权利要求2所述的球面成像装置的成像方法，其特征在于步骤一所述内容的具 体过程为目标图像为点目标，点扩散函数由下式描述 上式中，p为点目标的光强矢量，n为球面光敏器件平面的单位矢量t力矢量多和矢量好的夹角，为矢量多的标量形式；建立三维的点扩散函数的数学模型，定义通过q点及x轴的平面与XOZ平面之间的夹 角为ex，通过q点及y轴的平面与y0Z平面的夹角为0 y ；以o点为圆心，半径为r的球面 上，一个足够远的点目标产生的光强分布用h ( ex, ey)表示，q是球面上的点，代表球面上 的光敏器件所在的位置，q点的各个坐标用半径及方向余弦表示为 x=rcos ( a )， y=rcos (3 )， z=rcos ( Y ),其中r力半径矢量，r力F的标量形式，a是半径矢量F与x轴的夹角，0是半径矢量F与y轴的夹角，、是半径矢量尸与z轴的夹角，0y用方向余弦分别表示为 tg ( 0 x) =y/z=cos ( 3 ) /cos ( y ), tg ( 6 y) =x/z=cos ( a ) /cos ( y ),根据 cos2 ( a ) +cos2 ( 3 ) +cos2 ( Y ) =1 及 sin2 ( y ) +cos2 ( Y ) =1，得 tg2 ( 0 x) +tg2 ( 0 y) =tg2 ( y ) =l/cos2 ( y )-l,由此，获得在(ex，ey)坐标系下、点目标产生的点扩散函数的数值解，建立h( ex，ey) 的数值描述，获得在(9X，ey)坐标系中的点扩散函数。
4.根据权利要求3所述的球面成像装置的成像方法，其特征在于所述建立h(ex，ey) 的数值描述的具体过程为在(e x，ey)坐标系中顺序计算在各个角度tg2 ( e x) +tg2 ( e y)的数值，然后计算相 应的 cos ( Y);令 h ( ex, 9 ￥) =cos (Y);最后遍历所有(ex，ev)，其中 ex=-ji ji，ey=-ji ji，即获得在(ex，ey)坐标系中的点扩散函数。
5.根据权利要求2所述的球面成像装置的成像方法，其特征在于步骤二所述的目标图 像与点扩散函数的卷积为g (x, y) =h (x, y)氺f (x, y),其中，f (x，y)为目标图像的点集合分布函数，用于描述目标图像；h (x，y)为球面 系统的点扩散函数；g (x，y)*f (x，y)*h (x，y)的卷积，它是球面光敏器件的采样获得 的结果。
6.根据权利要求5所述的球面成像装置的成像方法，其特征在于步骤三所述内容的具 体过程为利用处理单元(2)，对g (x,y)=h (x，y)*f (x，y)进行频域变换，得到G (u, v)=H (u, v)F (u, v),其中，G (u，v)为函数g (x，y)经频域变换后的结果，H (u，v)*h (x，y)经频域变 换后的结果，F (u, v)为f (x, y)经频域变换后的结果；在H (u，v)&G (u，v)已知的情况下，得到目标图像在频域空间的分布为F (u, v)=G (u, v)/H (u, v)；最后，再将F (u，v)通过频域逆变换，即获得目标图像的点集合分布函数f (x,y), 也即获得目标图像。
全文摘要
球面成像装置及其成像方法，涉及一种光学成像装置及成像方法，解决了现有光学成像系统在保证成像分辨率时不能够满足卫星遥感成像任务中系统重量小、视场大及成本低的技术需要的问题。球面成像装置由光电转换单元和信号处理单元组成，光电转换单元由M个光接收面为平面的光敏器件组成，所有光接收面均匀设在同一球面上，每个光接收面的中心垂线均过所述球面的球心；球面成像装置的成像方法为获得点扩散函数，通过对目标图像在光接收面的光强分布进行采样及频域变换和逆滤波，得目标图像在频域空间的分布，再经频域逆变换即得目标图像在光接收面上的光强分布，完成成像。本发明适用于可见光成像，也适合于红外成像及微波成像过程。
文档编号H04N5/225GK101867709SQ201010173948
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者徐国栋, 徐振东 申请人:哈尔滨工业大学