折返式全景成像技术作为一种新型的成像技术是光学设计领域近十几年的研究热点，但该技术有一个重大缺陷——在镜头的正前方存在观测盲区。本文设计了一种拥有双观测模式的新型全景成像仪。相比于传统的折返式全景成像仪，该仪器可以同时对前向视场360°×（0°~55°）和环形视场360°×（55°~95°）进行观测。其中，前向视场很好地补充了折返式光学系统的中央观测盲区，并增加了CCD探测器的面积利用率。该成像仪光学系统由前置透镜组、全景环形透镜和中继转像系统三部分组成。所有的透镜表面均为球面，具有易加工、低成本的特点。最后针对这种光学系统设计了对应的机械结构，从而为以后成像仪的加工、装调服务。该成像仪设计为折返式全景成像技术提供了一个新思路。

为了进一步扩大视场,实现水平上下对称视场的全景环带成像,使用了一种新的利用非球面PMMA设计的全景环形透镜(PAL)。视场达到(-30°~+30°)×360°,并且缩小了中央处的盲区,提高了CCD的利用率。对全景环形透镜的视场和畸变控制方法进行了理论分析,介绍了非球面全景环带透镜的设计方法。设计了一套全非球面PMMA的全景环带系统。系统总长为53 mm,焦距为2.85 mm,PAL最大口径为62.4 mm,光谱范围为0.486~0.656 μm(可见光谱)。后继转像镜组由7片透镜构成,系统后焦距(BFL)为5.4 mm。分析结果证明系统像差校正良好,扩大了系统的应用范围。

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300 m处需分辨250 mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8 mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80 lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.

提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。 首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用, 根据应用技术指标, 在传统全景环形透镜的基础上, 结合探测器尺寸限制, 精细调整四个球面的曲率半径, 以便得到最佳光学传递函数。 然后基于像差理论设计中继镜组系统, 补偿全景环形透镜产生的像差, 采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合, 负透镜采用熔石英, 正透镜采用氟化钙, 从而使色差最小。 最后运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化, 列出重要的公差参数, 为后续加工装调提出要求。 优化结果表明, 光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了07以上, 各视场能量集中度为80%的弥散圆直径均小于11 μm, 完全满足设计指标要求, 也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。

全景环形透镜(PAL)是基于平面圆柱投影法将围绕光轴360°的视场投影到环形平面上,具有景深无限远,图像映射关系为线性特点,在机器人视觉、监控和虚拟现实领域有着重要的应用。实际应用中需要将环形像无失真的展开为常规平面像,此过程需要进行插值处理,三次样条插值精度较高,但是速度很慢。文章采用Bezier曲面的插值算法,并针对全景图像的特点,提出了Bezier曲面的全景图像快速插值算法,使得图像分辨率比样条插值和双线性插值得到改善的同时,插值处理时间比三次样条插值缩短了80%左右。

全景环形透镜将折反射面集成到一起,能无扫描地瞬时得到围绕光轴的360度超大视场,在机器人导航、视频监控和虚拟现实领域得到了广泛的应用。其成像机理是将围绕光轴的视场二次反射投影到环形平面上,图像存在严重的切向和径向畸变。本文根据全景环形透镜的特点采用基于球面透视投影模型对图像进行校正。首先建立含有畸变参量的全景环形透镜校正模型,将空间直线点映射为球面点,然后使用遗传算法将球面点拟合为球面上的最佳大圆,求出变形校正参量,进而校正全景环形像。仿真和真实图像实验表明,环形图像的切向和径向畸变得到了很好的校正。

全景环形透镜(PAL)将围绕光轴360°的视场投影到环形平面上,具有超大视场,在机器人视觉、监控和虚拟现实领域有着重要的应用.实际应用中需要将环形像无失真地展开为常规平面像,解决环形像由外到内压缩引起的分辨率降低的问题.根据PAL成像的特点,以全景图像的最高分辨率为基准,采用三次样条插值,得到插值函数的最佳参数值.此处理结果同最近邻域和双线性插值结果进行比较,较好地恢复了图像细节,同时参数的优化减小图像复原的计算量.

针对基于平面圆柱透视法PCF(Plat Cylinder Perspective)设计的全景环形透镜PAL(Panoramic Annular Lens)的环行像存在畸变失真的现象，对全景环形透镜PAL的二维平面环形像设计了展开算法，分别在切向和径向进行线性化处理．算法采用了线性插值，使展开后图像无盲区，同时建立在FCP成像原理上的转化，实现了对二维平面PAL像进行真实恢复，且效果良好．

提出一种无需转动镜头,一次性瞬时完成周围360°目标成像的全景光学环带凝视成像技术.该技术采用平面圆柱投影方法,可实现超半球成像.分析了全景环形透镜PAL的成像特性,给出全景光学设计实例,利用所完成的原理样机实现了动态全景数字图像处理.成像结果表明该技术在管道测量、医用内窥检查、全景监控、周视监测等领域具有广阔的应用前景.

使用BF533设计的嵌入式系统,针对全景环形的特点,采用了切向线性化和径向线性化对环形像进行展开,恢复为常规视场平面像.采用以BF533构造的嵌入式图像处理平台,提高了系统的可靠性并降低了成本.