采用多种群遗传算法的全景成像系统非球面设计

　　1　引　言

　　近年来,空间目标探测,机器人导航,安全监控等领域都提出了对空间各方向场景实时成像的要求,满足上述需求的折反射全景系统[1-5]日益受到关注。折反射全景系统由常规成像透镜和曲面反射镜组成,能够实时获取水平方向360°和垂直方向一定角度的全景图像。该系统结构相对简单、光能损失低,可获取无畸变的透视投影图像;系统设计的柔性好且成本较低,已成为计算机视觉研究的热点。折反射全景系统的性能取决于前置反射镜的设计,目前多将反射面设计成旋转对称非球面以满足特殊的应用需求[6-10],如使成像角放大率或空间放大率保持不变来消除畸变影响。引入反射镜导致的像散是全景系统像差的主要因素,影响像面清晰度。而传统近轴球面像差公式及求解手段不适于全景成像系统的设计。本文根据广义科丁顿公式及几何光学原理,提出了一种消像散两镜非球面的设计方法解决来此问题。该方法可提供更多的设计自由度,并可遵循任意给定的投影方程。在非球面反射光学元件的优化设计中,最优化问题的计算复杂,很难用传统光学设计软件提供的优化方法来求解。多种群遗传算法(MPGA)作为一种改进的全局算法,能够在相同的搜索空间产生多个子种群,各自独立进化,避免全部个体聚集在一种环境中,很好地保持种群多样性,提高进化效率和算法稳定性。在非球面设计中采用该算法,取得了较好的设计结果。为便于实现光路计算,本文还利用遗传算法(GA)最小二乘混合优化算法得到了非球面面形方程的多项式,并成功地运用于光线追迹和像差计算。设计了一个全景成像系统,获得了较好的成像质量。

　　2　反射镜面形设计

　　2.1　折反射全景系统原理结构

　　折反射全景系统由3部分组成:曲面反射镜(球面、圆锥面、双曲面、抛物面或高次旋转对称非球面)、中继镜和光敏元件。入射光线经前置反射镜反射后进入转像系统,最终到达像面,如图1所示。折反射全景成像系统根据是否满足单视点成像约束分为单视点成像系统和非单视点成像系统两类。单视点成像要求一个视点对所有方向的场景成像,即所有入射光线汇集于一点,对反射镜偏心等公差要求严格。本文研究含有两个共轴反射镜的非单视点成像全景系统,两个反射面将为设计提供更大自由度以校正场曲及像散,提高成像质量。由于摆脱了单视点成像的约束,对反射镜装调要求放松,有助于提高系统整体性能。

　　2.2　非球面设计

　　折反射全景系统的性能取决于前置反射镜的设计,反射镜的面形决定系统成像特性及透视投影关系。非球面反射镜的引入有效地扩大了系统视场,也带来了严重影响系统成像质量的像差。根据像差理论,由反射镜导致的像散是全景系统像差的主要因素,影响像面清晰度。根据广义科丁顿公式及几何光学原理,本文建立了一套非球面两镜的设计方法,消除了反射面像散并满足任意给定的透视投影方程。