專利名稱：一種多ccd超大視場像面拼接光電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超大視場像面拼接數(shù)字成像光電系統(tǒng)。
背景技術：
數(shù)字成像技術日益發(fā)展，以CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合器件)為圖像傳感接收器的數(shù)字成像系統(tǒng)廣泛應用于航空航天對地觀測、普通數(shù)碼相機、紅外成像系統(tǒng)等圖像獲取領域和系統(tǒng)中。但是由于CCD器件象素數(shù)的限制，即使光學成像鏡頭有非常大的視場和高分辨率，系統(tǒng)還是難以獲得很大的信息量。目前國際上能夠購買到的可見光CCD最大為5kXk像素左右，如果不采用像面拼接技術，成像系統(tǒng)最高能獲得的圖像分辨率不能超過35M像素，不能滿足日益發(fā)展的各種成像需求，而紅外成像系統(tǒng)的器件像素更少。如長波紅外CCD成像系統(tǒng)，目前國際上能夠?qū)ξ覈_放供應的非制冷器件最高象素為384X288，成像系統(tǒng)一次單個CCD成像只能獲得11萬象素的信息量，使我們的紅外探測系統(tǒng)的成像視場、分辨率、探測距離受到限制。現(xiàn)在的光學數(shù)字成像系統(tǒng)，無論是可見光還是紅外系統(tǒng)，限制系統(tǒng)成像視場角和分辨率的主要是CCD器件。
數(shù)字成像系統(tǒng)要獲得更高的分辨率和更大的成像視場，現(xiàn)在主要采用掃描技術和拼接技術。然而掃描系統(tǒng)需要有運動部件，使系統(tǒng)的可靠性大大降低，是航空航天領域應用的最大障礙。拼接技術雖然不需要運動部件，但由于CCD器件成像區(qū)域四周一般都有一個不能成像的邊緣，左右或上下兩個邊緣相加其尺寸接近成像區(qū)域尺寸，因此直接的CCD拼接將造成一個非常大的成像盲區(qū)。也有采用光學分光方法將像面分開到不同的空間位置，再用多個CCD分別獲取圖像信息的方案，但是光學分光受到系統(tǒng)后截距的限制，而且分光系統(tǒng)仍然會造成一定的視場缺失或者嚴重的漸暈現(xiàn)象。
因此，發(fā)明一種沒有運動部件或者只有簡單運動且運動量小、成像視場沒有缺失、沒有漸暈、高像素數(shù)的大視場像面拼接光電成像系統(tǒng)意義是非常巨大的。
申請?zhí)枮?00710069052.4的發(fā)明專利公開了一種實現(xiàn)多CCD無縫拼接的光電系統(tǒng)，但是，該發(fā)明需要運用四個成像鏡頭，四套CCD電路板，光學和電子系統(tǒng)均為本發(fā)明的四倍，硬件復雜、昂貴、不易攜帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種多CCD超大視場像面拼接光電系統(tǒng)，沒有劇烈運動的部件、沒有視場缺失、沒有漸暈，可實現(xiàn)多CCD無縫拼接的成像系統(tǒng)，用A^N個CCD，實現(xiàn)2MXN個CCD的超大視場像平面。 本發(fā)明提出的一種多CCD超大視場像面拼接光電系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要包括光學成像系統(tǒng)、可以轉(zhuǎn)動的反光鏡、安裝有MXN個CCD的電路板等三個部分。
光學成像系統(tǒng)一般可以是大視場高分辨率的光學鏡頭，可以根據(jù)需要設計加工或購買(本發(fā)明沒有特別的要求)。
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安裝有MXN個CCD的電路板上，CCD可以排列成M列N行，且M和N數(shù) 值在原理上是沒有限制的，主要取決于總體系統(tǒng)的需要和光學成像鏡頭的性能。電路板 上每相鄰二列CCD的中心距是每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度XO的2倍；每相鄰 二行CCD的中心距是每個CCD像面高度方向?qū)嶋H感光寬度YO的2倍。
電路板可以通過壓電陶瓷或其它微轉(zhuǎn)動機構轉(zhuǎn)動的，可以做俯仰和左右轉(zhuǎn)動 的，即可以以CCD垂直對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做左右轉(zhuǎn)動，以及以CCD水平對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做 俯仰轉(zhuǎn)動，保證轉(zhuǎn)動后的電路板上CCD表面與反光鏡反射光線的光軸垂直。
安裝在光學成像系統(tǒng)像方光路上的反光鏡是可以通過壓電陶瓷或其它微轉(zhuǎn)動機 構轉(zhuǎn)動的，使成像光學系統(tǒng)的像方視場相對于安裝有CCD的電路板能夠產(chǎn)生位移。反光 鏡至少應該有不同反射角度的四個工作位置，第一個工作位置使成像光學系統(tǒng)的光軸中 心位于電路板中心偏左上方的(-X0/2， Y0/2)位置，第二個工作位置使成像光學系統(tǒng)的光 軸中心位于電路板中心偏右上方的(X0/2， Y0/2)位置，第三個工作位置使成像光學系統(tǒng) 的光軸中心位于電路板中心偏左下方的(-X0/2， -￥0/2)位置，第四個工作位置使成像光學 系統(tǒng)的光軸中心位于電路板中心偏右下方的(X0/2， -Y0/2)位置。 反光鏡在每一個工作位置時CCD及電路系統(tǒng)工作一次，共工作四次，使每一個 CCD四次獲得圖像，整個系統(tǒng)總共獲得4XMXN幅圖像。根據(jù)反光鏡四個工作位置的 相對位置關系，以及電路板上CCD的布局，四次成像的視場正好是互補位置，光學共軛 后恰充滿整個像面視場，經(jīng)過簡單的拼接處理，系統(tǒng)獲得一幅大小為單個CCD像面大小 2MX2N倍的圖像，實現(xiàn)CCD的無縫拼接。 本發(fā)明不存在視場盲區(qū)，真正實現(xiàn)無縫、無漸暈的視場拼接，且視場大小不受 CCD器件限制，只要光學成像鏡頭允許，本系統(tǒng)理論上的成像視場是無限大的。其中的 運動部件的運動量都非常小，可以在壓電陶瓷等控制器的控制下轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明總共只需要一個成像鏡頭和A^N塊CCD，而使系統(tǒng)獲得2M*2N倍于 CCD的大視場圖像，而且M、 N數(shù)值沒有限制，徹底解決由于CCD器件不夠大而對光學 成像系統(tǒng)視場大小的限制問題，非常適合于需要大視場、高分辨率的遠距離成像系統(tǒng)， 如衛(wèi)星遙感、飛機航拍、紅外偵察防空等領域應用。


圖la為光學成像鏡頭、反光鏡、電路板的相對位置關系圖。
圖lb為反光鏡的正面圖。
圖lc為電路板的正面圖。 圖2a-圖2d分別為反光鏡在四個工作位置光學系統(tǒng)像面中心位置與電路板的位 置關系圖。 圖3a-圖3d分別為反光鏡在四個工作位置CCD所獲得的圖像。
圖3e為四次所獲得的圖像合成后的效果圖。
具體實施例方式
如圖la所示， 一種多CCD超大視場像面拼接光電系統(tǒng)，包括光學成像系統(tǒng)、可 以轉(zhuǎn)動的反光鏡、安裝有MXN個CCD的電路板等三個部分。光學成像系統(tǒng)可以是大視場高分辨率的光學鏡頭，可以根據(jù)需要設計加工或購買。圖lb為反光鏡的正面圖，其 中，Ol是反光鏡中心，u軸是反光鏡水平對稱軸，v是反光鏡垂直對稱軸。圖lc是電 路板正面圖，O是電路板中心(CCD成像區(qū)域中心)，x軸是電路板水平對稱軸，y軸是 電路板垂直對稱軸。每一塊CCD的感光區(qū)域水平方向為XO，垂直方向為Y0。電路板 上每相鄰二列CCD的中心距是每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度X0的2倍；每相鄰 二行CCD的中心距是每個CCD像面高度方向?qū)嶋H感光寬度YO的2倍。
圖2a-圖2d為本發(fā)明電路板上MXN個CCD的位置及光學系統(tǒng)像方視場。圖 2a是反光鏡第一位位置時的光學系統(tǒng)像面中心位置與電路板的位置關系；圖2b是反光鏡 第二位位置時的光學系統(tǒng)像面中心位置與電路板的位置關系；圖2c是反光鏡第三位位置 時的光學系統(tǒng)像面中心位置與電路板的位置關系；圖2d是反光鏡第四位位置時的光學系 統(tǒng)像面中心位置與電路板的位置關系。圖2a、 2b、 2c、 2d中的外圓為光學成像鏡頭的成 像范圍，外圓的幾何中心o是像方視場中心，即光軸與像面交點。圖中的小方塊為CCD 器件，CCD可以排列成M列N行(圖中示意是3歹l」X 3行)，且M和N數(shù)值在原理上是 沒有限制的。 反光鏡通過壓電陶瓷或其它微轉(zhuǎn)動機構轉(zhuǎn)動，使成像光學系統(tǒng)的像方視場相對 于安裝有CCD的電路板能夠產(chǎn)生位移。電路板通過壓電陶瓷或其它微轉(zhuǎn)動機構轉(zhuǎn)動，可 以做俯仰和左右轉(zhuǎn)動的，即可以以CCD垂直對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做左右轉(zhuǎn)動，以及以CCD水 平對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做俯仰轉(zhuǎn)動，保證轉(zhuǎn)動后的電路板上CCD表面與反光鏡反射光線的光 軸垂直。 反光鏡至少應該有四個工作位置，第一個位置使成像光學系統(tǒng)的光軸中心位于 電路板中心偏左上方的(-X0/2， Y0/2)位置，如圖2a所示；第二個位置使成像光學系統(tǒng)的 光軸中心位于電路板中心偏右上方的(X0/2， Y0/2)位置，如圖2b所示；第三個位置使成 像光學系統(tǒng)的光軸中心位于電路板中心偏左下方的(-X0/2， -￥0/2)位置，如圖2c所示； 第四個位置使成像光學系統(tǒng)的光軸中心位于電路板中心偏右下方的(X0/2， -Y0/2)位置， 如圖2d所示。 反光鏡在每一個工作位置時CCD及電路系統(tǒng)工作一次，共工作四次，使每一個 CCD四次獲得圖像，整個系統(tǒng)總共獲得4XMXN幅圖像。圖3a是第一次工作時全部 CCD獲得的圖像，圖3b是第二次工作時全部CCD獲得的圖像，圖3c是第三次工作時全 部CCD獲得的圖像，圖3d是第四次工作時全部CCD獲得的圖像。 根據(jù)反光鏡四個工作位置的相對位置關系，以及電路板上MXN個CCD的布 局，四次成像的視場正好是互補位置，經(jīng)過簡單的拼接處理，系統(tǒng)獲得一幅大小為單個 CCD像面大小2MX2N倍的空間完全連續(xù)的圖像，如圖3e所示。
權利要求
一種多CCD超大視場像面拼接光電系統(tǒng)，包括在光路上依次設置的成像光學系統(tǒng)、反光鏡以及像平面電路板，其特征在于所述的像平面電路板上分布M×N個矩陣排列的CCD，電路板上像面寬度方向上相鄰兩CCD的中心距是每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度的2倍；像面高度方向上相鄰兩CCD的中心距是每個CCD像面高度方向?qū)嶋H感光寬度的2倍；所述的反光鏡是可以轉(zhuǎn)動的，像平面電路板也可以繞中心轉(zhuǎn)動；反光鏡可以轉(zhuǎn)動而工作在四個位置，像平面電路板也相應轉(zhuǎn)動四個位置；CCD接收到反光鏡反射的景物對應本系統(tǒng)成像視場的四分之一，反光鏡和電路板經(jīng)四個工作位置且四次成像后，恰好對應整個成像視場；整個系統(tǒng)只使用一個鏡頭和M×N塊CCD，經(jīng)過四次成像，總共獲得4×M×N幅圖像，經(jīng)過拼接處理，系統(tǒng)獲得一幅大小為單個CCD像面大小2M×2N倍的圖像。
2. 根據(jù)權利要求1所述的像面拼接光電系統(tǒng)，其特征在于所述的反光鏡的第一 個工作位置使成像光學系統(tǒng)的光軸中心位于電路板中心偏左上方，即以電路板中心為原 點，沿像面寬度方向向左偏移每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一，沿像面 高度方向向上偏移每個CCD像面高度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一 ；第二個工作位置使 成像光學系統(tǒng)的光軸中心位于電路板中心偏右上方，即以電路板中心為原點，沿像面寬 度方向向右偏移每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一，沿像面高度方向向上 偏移每個CCD像面高度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一；第三個工作位置使成像光學系統(tǒng) 的光軸中心位于電路板中心偏左下方，即以電路板中心為原點，沿像面寬度方向向左偏 移每個CCD像面寬度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一，沿像面高度方向向下偏移每個CCD 像面高度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一；第四個工作位置使成像光學系統(tǒng)的光軸中心位 于電路板中心偏右下方，即以電路板中心為原點，沿像面寬度方向向右偏移每個CCD像 面寬度方向?qū)嶋H感光寬度的二分之一，沿像面高度方向向下偏移每個CCD像面高度方向 實際感光寬度的二分之一。
3. 根據(jù)權利要求1所述的像面拼接光電系統(tǒng)，其特征在于所述的電路板可以以 CCD垂直對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做左右轉(zhuǎn)動或者以CCD水平對稱軸為旋轉(zhuǎn)軸做俯仰轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn) 動后的電路板上CCD表面與反光鏡出射光線的光軸垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多CCD超大視場像面拼接光電系統(tǒng)，包括在光路上依次設置的帶有一個鏡頭的成像光學系統(tǒng)、可以轉(zhuǎn)動的反光鏡以及像平面電路板；像平面是一塊安裝有M*N個CCD并可以繞中心軸轉(zhuǎn)動的電路板。反光鏡和電路板可以轉(zhuǎn)動而工作在四個位置，電路系統(tǒng)工作四次，使每一個CCD四次獲得圖像，整個系統(tǒng)只使用一個鏡頭和M×N塊CCD，而總共獲得4×M×N幅圖像，經(jīng)過簡單的拼接處理，系統(tǒng)獲得一幅大小為單個CCD像面大小2M×2N倍的圖像。本發(fā)明不存在視場盲區(qū)，真正實現(xiàn)無縫、無劇烈運動部件的視場拼接，且視場大小不受CCD器件限制，適合于需要大視場、高分辨率的遠距離成像系統(tǒng)。
文檔編號H04N5/335GK101692447SQ20091015364
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者馮華君, 徐之海, 李奇, 鄭珍珍, 雷華 申請人:浙江大學