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二维成像技术在成像过程中丢失深度信息,三维成像技术的出现无疑是成像领域的重大突破,通过记录场景深度信息使人们更直观地获取视觉信息。全光三维成像技术是计算成像的重要研究方向,它将光学设计、光学原理与计算处理相结合,在一定程度上突破了传统光学设计的技术壁垒[1-2]。与传统的相机相比,全光相机在主物镜和探测器之间加入微透镜阵列(Micro Lens Array,MLA),只需一次拍摄即可获取位置信息和角度信息,通过分析不同视角图像之间的视差信息即可获得完整场景的三维点云数据,这为场景深度测量提供了数据基础[3-7]。
光场三维成像技术主要应用于目标识别、地形匹配、环境态势感知、工件检测、视觉SLAM以及城市数字化等领域。目前,全光相机三维成像技术主要应用于近距离场景,例如:生物医疗、高端工业检测以及粒子追踪等,而远距离三维成像的相关应用却少之又少[8]。同时,基于全光相机的三维成像技术是集前端光学系统与后端信息处理为一体的计算成像技术,目前对全光相机后端处理算法的研究颇多[2,6,9-13],对前端光学系统的研究鲜有报道。文中对前端光学系统设计进行研究,建立全光相机深度分辨率模型,分析前端光学系统光学性能对全光相机深度分辨率的影响,确定前端光学系统设计指标;分析两反光学系统各参数的影响,确定全光相机主物镜光学系统的初始结构,最后完成可应用于亚公里级三维成像的全光相机主物镜设计,该设计易于加工制造,可在110 ℃温度带宽下良好成像。
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设计指标要求如表1所示。在设计中考虑探测器的像元为
$3.45$ μm,算法可达到${1 / 8}$ 像素亚像元识别精度,即$M = 8$ 。根据公式(4),同时考虑设计、加工、装调等工程化问题,为达到设计要求,主物镜焦距为$500\;{\rm{mm}}$ ,系统F#为5,MLA通光孔径为$0.2\;{\rm{mm}}$ ,三种焦距分别为${f_1} = 0.93\;{\rm{mm}}$ ,${f_2} = 0.83\;{\rm{mm}}$ 和${f_3} =0.74\;{\rm{mm}}$ 。Index Parameter Distal range $500$ m Depth resolution $ \leqslant 5$ m Wavelength Visible light Space volume requirements $\phi 110 \times 150$ Operating temperature −40-70 ℃ Table 1. Index requirements
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根据1.5节模型分析,确定设计中取
$\alpha {\rm{ = }}0.3$ ,$\;\beta {\rm{ = }} - 4$ ,最终优化结果的光学系统光路如图9所示。常温条件下系统的F#=5,系统焦距为$500\;{\rm{mm}}$ ,系统总长为${\rm{162.5}}\;{\rm{mm}}$ 。该设计为折反结构且反射组件中主镜为抛物面,次镜为双曲面,折射光学元件均为球面,便于加工检测。设计中主要采用MTF、场曲和畸变等进行像质评价,如图10所示。
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系统在实际公差作用下的MTF预计结果如表 2所示,该光学系统在不同温度下全视场MTF均大于0.26,成像质量较好,在满足实际需求的前提下具有一定的加工可行性。
FOV Theoretically
@20 ℃After tolerance
@20 ℃Theoretically
@−40 ℃After tolerance
@−40 ℃Theoretically
@70 ℃After tolerance
@70 ℃0 0.4303 0.3711 0.3105 0.2623 0.5147 0.4485 0.2 0.4469 0.3770 0.3492 0.2879 0.5044 0.4301 0.5 0.4125 0.3296 0.3828 0.3015 0.4013 0.3180 0.7 0.3825 0.3068 0.3635 0.2903 0.3655 0.2809 1.0 0.3842 0.2962 0.3679 0.2734 0.3614 0.2629 Table 2. MTF under tolerance@80 lp/mm