[发明专利]全景环带镜头设计方法、镜头及全景图像恢复方法

说明书

本发明公开了全景环带镜头设计方法、镜头及全景图像恢复方法，全景环带镜头设计方法基于匹兹瓦尔和校正，实现了轻薄全景环带镜头的初始结构的快速构建，镜头的透镜数量少于或等于3片，避免了传统全景环带镜头在设计过程中的参数串扰限制，无需多片球面透镜或增加非球面透镜的复杂系统设计，降低了加工和装配公差要求。全景图像恢复方法利用透视图像数据集，通过仿真的方式模拟了全景环带展开图的成像方式，弥补了全景环带图像恢复数据集的空缺，提供了全景环带图像恢复所缺少的透视‑仿真退化图像对，弥补了轻薄光学设计带来的像差问题以及全景图像展开带来的插值问题。

技术领域

本发明属于光学设计、深度学习技术领域，尤其涉及全景环带镜头设计方法、镜头及全景图像恢复方法。

背景技术

随着现代成像光学系统的发展，高像质、大视场、小体积、轻重量已经成为新的发展趋势。传统成像光学系统为了达到上述目标，往往采用增大系统孔径等方式提高分辨率和视场、增加透镜数量以及使用特殊非球面面型等方式消除因为视场增大而引入的轴外像差，多种材料组合或引入特殊材料等方式消除大视场引入的色差，以上方法虽然可以提高分辨率、增大视场、扩宽波段，但是会使系统结构复杂、质量大、成本高，不符合光学系统小型化的发展趋势。

常见的传统全景成像系统是鱼眼光学系统，这种成像系统的边缘视场畸变通常很大并且边缘视场相对照度较低而不是应用在场景感知等领域的全景成像系统的最佳选项。全景环带镜头的畸变较小，并且在全视场范围内具有高而均匀的相对照度。相对于鱼眼光学系统，全景环带镜头的结构形式更加紧凑，适合应用在空间和重量限制的场景感知领域。目前，全景环带镜头的透镜数通常在7片以上，由于透镜数多造成的系统复杂、公差严格、高成本、大体积、大重量等问题严重限制了全景成像系统在小型化机器人、无人机、轻薄可穿戴设备、无人驾驶等领域的场景感知应用。另一方面，全景环带镜头属于超广角光学系统，强烈依赖初始结构，系统初始结构通常也被称为系统的起点，在这一起点处优化驱使评价函数逐渐降低直至到最低点。传统全景环带镜头设计方法通过添加透镜数以及使用各种非球面面型进行成像性能优化和设计时，优化指向性低，容易造成参数之间的串扰，严重限制了系统参数的优化能力而无法跳出局部解，从而无法得到更好的成像质量。

发明内容

本申请实施例的目的是提供全景环带镜头设计方法、镜头及全景图像恢复方法，以弥补传统全景成像镜头透镜数目多而造成的系统复杂、公差严格、高成本、大体积、大重量的缺陷，快速进行全景环带镜头的轻薄化设计。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种全景环带镜头设计方法，所述全景环带镜头包括全景环带镜头块、光阑、中继透镜组、传感器，该方法包括：

S11：设置全景环带镜头块的初始参数，所述初始参数包括全景环带透镜块的厚度、表面曲率、材料折射率；

S12：利用所述全景环带透镜块的表面曲率和材料折射率，计算全景环带透镜块的匹兹瓦尔和因子，从而得到中继透镜组的匹兹瓦尔和因子；

S13：根据所述中继透镜组的匹兹瓦尔和因子，给定中继透镜组的材料折射率，计算得到中继透镜组中凸面的表面曲率，设置透镜的表面间厚度，其中所述中继透镜组为单块平凸透镜；

S14：根据全景环带透镜块的厚度、表面曲率、材料折射率和中继透镜组的材料折射率、中继透镜组中凸面的表面曲率以及透镜的表面间厚度，设置波长、孔径、视场，从而建立初始的全景环带镜头结构模型；

S15：根据探测器匹配原理对所述全景环带镜头结构模型的焦距进行设定和优化，设置实际玻璃材料；

S16：对优化后的全景环带镜头结构模型的点列、畸变、调制传递函数进行评价，若评价结果不满足预定标准则返回步骤S15，反之则进入步骤S17；

S17：对全景环带镜头结构模型进行公差分析，若公差分析结果比预定公差标准宽松则返回S15，反之则将所述全景环带镜头结构模型作为设计结果，以利用所述设计结果进行出图和制造。