消畸变全景成像系统设计

摘要：单视点折反射全景成像系统畸变较大，通过计算反射镜面型可有效地实现折反射全景成像系统消畸变成像。在反射镜入射角与反射角呈线性关系的基础上，推导适用于消畸变折反射全景成像的反射镜面型公式。为说明反射镜面型的准确性，设计了F#为3.3，视场为138的消畸变成像折反射全景成像系统，并利用实际像平面和虚拟像平面间的坐标映射关系，实现了系统的消畸变设计。各视场MTF在奈奎斯特频率下均达到0.6， 边缘视场相对畸变小于4 %。结果表明：该面型可实现消畸变折反射全景成像，反射角光线追迹法适用于折反射全景成像系统畸变评价，为折反射全景成像系统消畸变设计提供了必要的模型和计算方法。

关键词：光学设计；折反射全景成像；消畸变成像；反射镜面型

引言

全景成像系统是指能够获得水平或者垂直方向上大于180°半球视场或者全360°视场的光学系统。传统的光学成像系统遵循中心投影法，中心投影是模仿人类观察外部世界的方式，观察物体近大远小，实现面到面的成像。旋转扫描技术、多镜头拼接技术和鱼眼镜头均采用传统的中心投影法实现全景成像。平面圆柱投影法是指在三维空间视场和有限的二维像平面间建立一种新的投影关系，将三维圆柱区域通过特殊的系统投影到二维平面圆环区域，如图1所示，在常规成像系统前加入反射面可达到圆柱投影的目的。折反射全景成像系统即利用反射镜与常规成像系统的组合，实现大到半球视场的成像，如图2所示。与传统的旋转扫描技术、多镜头拼接技术和鱼眼镜头实现大视场成像相比，折反射全景成像系统具有成像实时性好、体积小、质量轻、成本较低等优势，近年来发展较快，在国防、民用、医疗等领域都有十分广阔的应用前景，如飞机侦查吊舱、坦克探测与观瞄、机器人视觉、场景监视、视频会议等。

图1.平面圆柱投影法示意图

图2.折反射成像系统示意图