多CCD拼接相机中图像传感器不均匀性校正

    1 引言

    在大视场、高分辨率光电测量设备中,单片CCD器件仍不能够满足测量精度和测量视场的要求,为此,需要对多CCD器件进行拼接。基于多CCD拼接相机测量精度不仅取决于光学系统、CCD图像传感器等硬件,还取决于测量系统在加工和安装工艺的质量。测量系统输出以被测空间目标的脱靶量形式给出,系统脱靶量是反映系统测量总体性能的指标,影响系统脱靶量的一个重要因素是CCD拼接相机系统中的光学畸变[1,2]。CCD拼接相机光学畸变主要由系统在加工和安装过程中由于加工不准或者由于机械变形所导致。本文主要在分析CCD拼接相机结构理论基础上,给出了多CCD拼接相机系统畸变误差模型,同时提出了该系统中畸变误差的检测及修正方法。

    2 多CCD拼接相机系统原理

    CCD拼接方法主要有两种途径,一是CCD器件直接拼接[3],一是通过光学系统分光的方法进行光学拼接。直接拼接是指将CCD器件在机械上首尾搭接的方法。由于普通CCD器件的光敏面以外的边缘以及引脚的影响,直接拼接时CCD器件之间会产生缝隙,实现难度比较大。

    光学系统分光的方法主要有以下三种形式:视场分光、光路分光、光束分光。其中光束分光中棱镜分束这种方式应用比较多,这种方法是通过一部分反射,一部分透过的棱镜将光路分成多路,从而达到拼接的目的。对于大视场的系统来说,即使采用大量的棱镜、场镜、透镜,其畸变与像质都很难校正。为了减小畸变和像质难以校正的缺点,本文介绍内视场拼接透镜分束的一种变体即单心球面系统。

    单心球面系统拼接方法利用透镜分束的拼接原理,即将由第一组透镜成像在第一像面上的光束分成多个,然后由各个小透镜分别成像在第二像面上,从而达到拼接的目的。其拼接原理如图1所示,它将第一组透镜改用单心球透镜,由物方来的光束经单心球透镜成像在形状为球面的第一像面上,再经过9组转像物镜将第一像面上的像分成9路各自独立的光束最后成像在第二像面的9个平面上。9个像的排列如图2所示,图1中只表示了一个截面,可安置3个面阵CCD器件。如在9个成像平面上安置CCD面阵器件即可实现CCD光机拼接。

    3 多CCD拼接相机系统中畸变模型

    (1)径向畸变:这是一种与光轴对称的畸变,有枕形和梯形畸变,精确定心的镜头的畸变可表示为

$r = k1r2+k2r5+k3r2+,(1)

    式中:k1,k2,k3,,是径向畸变系数,r是相当于像点的径向距离:

r = [(x-x0)2+(y-y0)2]1/2(2)

    其中,x0和y0表示主点的像面坐标。