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1、硕士学位论文 球面 /平面多尺度多孔径光学成像系统研究 SPHERE/PLANE MULTI-SCALE & MULTI-APERTURE OPTICAL IMAGING SYSTEMS 陈 哈尔滨工业大学 2016年 6月 国内图书分类号： TP391.41 国际图书分类号： 681.7 学校代码： 10213 密级：公开 工学硕士学位论文 球面 /平面多尺度多孔径光学成像系统研究 硕士研究生 ：陈婷 导 师 ：范志刚教授 申 请 学 位 ： 工 程硕士 学科：光 学工程 所 在 单 位 ： 航 天学院 答辩日期 ： 2016年 6月 授予学位单位：哈 尔滨工业大学 Classified I
2、ndex: TP391.41 U.D.C:681.7 Dissertation for the Master Degree in Engineering SPHERE/PLANE MULTI-SCALE & MULTI-APERTURE OPTICAL IMAGING SYSTEMS Candidate： Supervisor ： Academic Degree Applied for ： Speciality ： Affiliation ： Date of Defence ： Degree-Confer ring-institution ： Chen Ting Prof. Fan Zhiga
3、ng Master of Engineering Optical Engineering School of Aeronautics June, 2016 Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 大视场高分辨率成像光学系统广泛应用于各个领域。传统光学系统的视场 和F数相互制约，大视场与高分辨率不可兼得，要在大视场下获得尽可能高的 分辨率，系统的复杂程度和几何尺寸将会大大增加。因此，需要寻找一种新型 的光学构型，以突破传统光学系统设计的局限。多尺度多孔径光学成像系统是 一种新型的光学成像方式，兼顾系统的视场和分辨率，同时系统结构简单，尺
4、 寸紧凑。 围绕多尺度多孔径光学成像系统，本文主要包括以下几个方面： 在多尺度多孔径光学成像系统的理论分析方面，基于空间带宽积 （ SBP)和 香农衍射极限，定义系统性能饱和度 Z， 作为评价系统信息传递效率的指标； 针对多尺度多孔径光学成像系统的非连续成像特性，研究像素重排法及多通道 数字图像处理方法，建立数字拼接模型，合理安排场处理器的放大倍率和结构 排布，以保证相邻子图像有一定的视场重叠；对共心系统的曲率半径、材料、 焦距等具体参数的关系进行了推导，从而建立了一套较为完整的多尺度多孔径 光学成像系统设计方法。 在球面多尺度多孔径光学成像系统设计方面，多尺度多孔径光学成像系统 采用多级结构
5、，兼顾了各级结构的光学特性，采用局部处理与视场无关的波像 差分量的方法，比起全视场设计，其设计约束更为灵活简便。球面成像多尺度 多孔径光学成像系统的主光学系统为共心透镜，全视场严格对称，没有与视场 相关的像差，并且在全视场有一致分辨率，次级镜组采取相同结构，成像像面 为球面。 在平面多尺度多孔径光学成像系统设计方面，由于平面成像系统设计难度 远高于球面成像系统，次级镜多采用非球面镜，并采用非均匀布局形式，系统 尺度大幅增加。最后对设计结果进行了分析讨论，与传统系统相比，系统能够 在大视场情况下获得 更高的分辨率。 关键词 ：多尺度光学；多孔径光学；共心光学设计；多通道数字图像处理；信 息传递效
6、率 I 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Optical imaging systems with large field-of-view & high resolution are widely used in various fields. Conventional optical systems cannot achieve both large FOV & high resolution due to the trade-offs between field-of-view and high resolution. The complexity & the geomet
7、ry size of the system will be increased to obtain higher possible resolution in larger field of view. Therefore, a new configuration is needed to break through the limitations of conventional optical design. Multi-scale & multi-aperture optical imaging system is a novel optical modality, taking into
8、 account the systems field of view and resolution, while the system structure is simple and compact in size. Around multi-scale multi-aperture optical imaging system, this paper includes the following aspects: In the theoretical analysis of multi-scale & multi-aperture optical imaging system, define
9、 performance saturation y based on space bandwidth product (SBP) and Shannon diffraction limit as an index to evaluate the information efficiency of an optical system; By studying the pixel rearrangement method and multi-channel digital image processing and building digital mosaic model, we guarante
10、ed adjacent sub-images have some overlapping fields by adjusting magnification and arranging architecture arrangement of field processors to coping the Non-continuous imaging characteristics of multi-scale & multi-aperture optical imaging system; The relationship between the radius of curvature conc
11、entric systems, materials, focal length and other specific parameters were derived in order to establish a more comprehensive multi-scale & multi-aperture optical imaging system design. In the spherical multi-scale & multi-aperture optical imaging system design, the multi-level structure used in pro
12、posed system has optical characteristics of all levels, the multi-scale & multi-aperture design processing field-independent wave-front aberration locally, making the design constraints more flexible and convenient compared with the conventional full-field design. The main optical component of spher
13、ical multi-scale & multi-aperture optical imaging system is a monocentric lenses, which is imaged on a spherical surface and strictly symmetrical at the full-view without any aberrations associated with field, while it has consistent resolution making all processors same configuration. In the plane
14、multi-scale & multi-aperture optical imaging system design, since planar imaging system design difficulty is much higher than the spherical imaging II 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 system, the processors have to be modified using aspherical lens and be extended to more scale with non-uniform layout of the form. F
15、inally, the design results were analyzed and discussed, compared with the traditional system, thus the system can achieve higher resolution in the case of large field of view. Keywords: Multiscale optics, multi-aperture optics, concentric optical design, multi-channel digital image processing, infor
16、mation transmission efficiency m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 mw . I ABSTRACT . II 第 1 章绪论 . 1 1.1课题背景及研究的目的和意义 . 1 1.2多尺度多孔径光学成像技术的国内外研究现状及分析 . 3 1.2.1多尺度多孔径光学成像技术的国外研究现状及分析 . 3 1.2.2多尺度多孔径光学成像技术的国内研究现状及分析 . 9 1.2.3超分辨率图像重建技术发展现状 . 11 1.3多尺度多孔径光学系统研究中遇到的问题 . 12 1.4本文的主要研究内容 . 12 第 2章多尺度多孔径光学成像技术理论基础 . 14 2.1
17、光学系统评价函数 性能饱和度 . 14 2.1.1空间带宽积 SBP . 14 2.1.2衍射极限香农数 Shannon number . 15 2.1.3透镜比例法则 . 16 2.2多通道图像数字处理 . 20 2.2.1像素重排法 . 21 2.2.2视场拼接数字模型 . 24 2.3共心光学几何参数推导 . 25 2.4本章小结 . 28 第 3章共心球面多尺度多孔径光学成像系统 . 29 3.1共心球面多尺度多孔径光学成像系统结构 . 29 3.1.1传统光学系统参数 . 30 3.1.2共心多尺度多孔径光学系统参数 . 30 3.2共心镜头的像差分析 . 31 3.3共心球面多尺度
18、多孔径光 学系统设计 . 33 3.3.1共心主光学收集器的设计与评价 . 33 3.3.2共心球面多尺度多孔径光学系统总体设计与评价 . 35 3.4本章小结 . 37 IV _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ 第 4章平面多尺度多孔径光学成像系统 . 39 4.1平面多尺度多孔径光学成像系统原理及结构 . 39 4.2平面镜头的像差分析 . 41 4.3平面多尺度光学系统设计 . 43 4.3.1主光学系统的设计与评价 . 43 4.3.2次级光学系统的设计与评价 . 45 4.3.3平面多尺度光学系统总体设计与评价 . 47 4.4本章小结 . 51 鎌 . 53 . 55 攻读硕士
19、学位期间发表的论文及其它成果 . 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 60 翻寸 . 61 v 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1课题背景及研究的目的和意义 大视场高分辨成像广泛应用于航空侦察、地形测绘和安全监控等领域 1， 但很少有摄像机能同时实现大视场和高角分辨率。 传统光学系统设计中，系统分辨率由探测器像元尺寸和轴外像差大小共同 限制。增加单位面积像素密度即降低探测器像元尺寸是提高空间分辨率最直接 的方法 2，但所接收到的电磁波能量会随着像元尺寸减小而减小，影响成像质 量 3。另外，随着目标分辨率的增加，需要增大光学系统孔径，造成几何像差 的等比
20、例放大，遥感系统体积重量过大和设计加工成本过高等问题。解决这些 问题的方法是使用合成孔径光学成像技术 4，但合成孔径系统严格要求同相位， 达到波长量级以下精度的孔径合成十分困难 5。 实际应用还要求高分辨成像同时增大视场。机械扫描可获取宽幅图像，但 时间周期长，不能用于动态场景。若使用面阵凝视成像系统，则需要设计与 10 亿像元探测器的分辨率相匹配的光学透镜，目前很 难实现 6 。 高分辨率与大视场为相互矛盾的技术参量，例如，望远镜系统为获得高角 分辨率，视场一般很小；大视场成像仪的分辨率一般很低 7，传统设计很难通 过一次曝光获得大视场高分辨图像 8。概括来说，为实现大视场高分辨成像需 要突
21、破以下几个技术难点： (1) 探测器技术限制。当前单片探测器的像素数量无法达到要求的数量级； (2) 几何光学限制。设计与目标分辨率相匹配的透镜系统十分困难； (3) 大信息处理限制。当前技术水平下很难达到对图像传输和处理的实时 性高要求； (4) 光机结构的限制。传统大视场高分辨率光学系统光机结构复杂，有 悖 机载光电成像系统小型化，轻量化的发展需求 9。 在过去的十年中，通过焦平面探测器和计算技术的不断改进，第 (1)和第 (3) 技术难点已基本得到了解决。在手机等移动设备的大批量生产需求的推动下， CMOS焦平面探测器的制造成本大大降低，同时，大量十亿像素图像管理分析 平台也纷纷上市 1
22、 。当然，在系统口径增加的同时，可以通过增加系统复杂程 度来保持系统性能饱和度 7不下降，在平面光学系统发展中采用这种方法获得 了巨大的效果 11，但在成像应用中终将难以为继。 1 _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ 球面 /平面多尺度多孔径成像光学系统的目的主要是为了解决上述第 (2)难 点。模型便是共心 12多尺度多孔径相机 13，与传统镜头相比，多尺度多孔径设 计将一个系统分为两个部分，分别为物镜部分和多孔径场处理光学元件部分， 如图1-1所示。将物镜称为 “ 收集器 ” ，将二级多孔径场处理光学阵列元件称 为 “ 处理器 ” 。场处理器相机阵列可以看作是合成焦平面 14，类比于微透
23、镜阵 列 1517，在没有物镜的情况下各自独立成像。 图 1-1多尺度多孔径光学系统结构简图 多尺度多孔径设计理论源自光学镜头的尺度分析，即小尺寸光学镜头性能 高于大尺寸光学镜头性能。由于更小的镜头更容易达到大系统性能饱和度 7, 易知小尺度镜头的波前校正能力更强。近 期，为移动设备研发的晶圆级相机 18 19已极大地提高了精细小尺寸加工技术的发展。 多尺度多孔径光学成像系统与现有的多孔径光学系统的主要区别在于特意 使用非均匀镜头阵列来校正收集器的光学像差。多尺度多孔径设计有一个明显 的特点，即像面上为分裂的子图像，必须在后续图像处理中进行计算合并，涉 及图像计算合成技术。计算合成技术已经在众
24、多多孔径相机研究 16， 2 23中论 证，其主要目标是通过数字超分辨技术降低有效像素大小，减小相机的厚度。 多尺度多孔径设计方法利用了光学加工技术的一些最近进展，包括 小型集 成镜头系统的精密加工技术，以及能够优化物理滤波，采样和数字处理的广义 采样和编码策略 24。目前，探索多尺度设计与多维图像采集相结合的技术主要 有 TOMBO系统 25，全光 plenopic系统 2627以及集合成像系统 28。 在物理设计及数字处理两方面共同设计的多尺度光学系统，可以用来提高 以下系统指标： (1) 视场。 (2) 图像分辨率。 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (3) 相机体积。 (4) 制造和
25、加工成本。 (5) 景深和 3D成像。 (6) 探测器拼接。 多尺度多孔径光学成像系统，使用靠近光瞳或靠近探测器的非连续镜头元 件，产生复杂的点扩散函数 PSF， 经图像信息处理后增强了的系统的传递性能， 从而可以在使用更为紧凑，更为轻便的光学结构下获得比传统光学系统成像更 好的图像质量 8，突破视场与分辨率之间的矛盾与限制，具有很好的应用前景。 本文目的在于论证中度到大尺度光学系统能够通过放宽传统光学镜头设计和视 场均匀性的约束条件而接近香农极限。 1.2多尺度多孔径光学成像技术的国内外研究现状及分析 为了解决传统光学系统中视场与孔径的矛盾，获得大视场高分辨率的目标 图像，同时实现光学系统的
26、小型化、轻型化的目标，人们尝试了很多新型的设 计方法。 一个有限孔径的光学系统，在其对图像进行采集的过程中，具有一定的自 由度数量。 I960年代的众多研究讨论表明，系统自由度的数量大致等于充分表 征一个图像所需的独立样品（像素 ） 数量。这些研究中， ToraldodiFrancia已 特别清楚地论证了这一数字与香农数成比例，例如空间带宽积 29 一通常近似 为镜头面积除以 22。令人惊讶的是，虽然这一结论存在已久，但鲜有现代光学 系统的性能能够达到香农极限。 1.2.1多尺度多孔径光学成 像技术的国外研究现状及分析 通过多个孔径校正波前像差的这一想法出现较晚，尚未被人们熟知。可以 将目前研
27、究发展比较成熟的多孔径阵列光学系统看作多尺度多孔径光学成像系 统模型建立的基础。 TanidaJ及 Duparrg J等人分别在 2001年和 2005年发表了基于 TOMBO式 系统 16和 Gabor超透镜 3 的复合微透镜阵列研究。如图 1-2所示，其工作原理 与多尺度多孔径光学系统中的小尺度场处理器光学镜组的工作原理最为相近。 Gabor透镜将多重子孔径的图像非相干结合，从而增加系统感光灵敏度。这些 系统成像的角分辨率对应于阵列中单个子孔径的大小，无法获得阵列全孔径的 角分辨率。通常将这些元件与一个镜头上每个像素相结合，从而在焦平面填充 率降低的情况下增加量子效率。在 2002年申请的
28、可变焦距的微透镜阵列场曲 31 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 专利中，建议使用非齐次微透镜组阵列来校正场曲。 (b) (a)系统结构示意图； （ b)系统光学结构图； （ c)相机实物照片 图 1-2T0MB0式系统 16 2006年起，斯坦福大学提出的光场相机 27(在早期研宄中称为全光相机 26) 的出现成为了一个研宄焦点，如图 1-3所示。与传统光学系统相比，光场相机 在像平面位置附近放置一个大面积的透镜阵列以测量光辐射场。在距像面一个 焦距距离处放置探测器阵列，这样一来， FPA焦平面阵列上每个像素点所探测 到的光场编码不仅包含光线入射角度信息，也包含其光瞳坐标信息。全光相机 的
29、基本目标是测量光辐射，该辐射的空间频率与镜组的排列方式相对应，并且 提供了一种低效的像差校正方法。 图 1-3全场相机与光场相机 2627 类似的，如图 l-4(a)的积分成像系统 CIIR使用微透镜阵列可以获得多个图 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 像，每个图像目标都是同一景物，但每个图像的视角都有些许不同，以此为基 础来重构 3D图像。 2007年 Lee等人在工作 28中，将一个大规模光学成像镜头 加在微透镜阵列前来增加积分成像系统的视场角，如图 l-4(b)。 (a)传统积分成像系统 （ b)加入大光学孔径积分成像系统 图 1-4积分成像系统 28 2001年，多个大学合作的 AU
30、RON索伦项目中研发的积分场光谱仪 32，如 图1-5所示，从左至右显示了由望远镜焦平面到探测器平面的主要光学元件， 目标星系的图形在各个元件处的图像也依次绘出。 AURON系统使用镜组阵列， 或“ 图像层析 ” 阵列，来对图像子区域内光线进行积分，每一个待积信号通过 专门设计的棱镜或光栅实现色散，以防止串扰。一个积分场光谱仪将每个镜组 视场看做单一空间像素，每个镜组的作用为集中光能量以进行光谱分析。系统 包含带有探测器的微透镜阵列，子孔径不需要实现成像或像差处理的功能。 图 1-5 SAURON镜头光学布局 32 2009年，美国杜克大学 D. J. Brady发表了多尺度多孔径成像镜头设计
31、方 法，试图打破传统光学系统中几何畸变和孔径之间的内在矛盾 13，原理如图 _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ 1-6所示。该文使用一个简单镜头进行分析，镜头 F/#为 8,应用于可见光波段， 半视场 30 ，中心波长 ； l = 587nm， 子透镜为 6阶自由曲面。图 l-6(a)为传统 平面成像镜头，图 l-6(b)为传统曲面成像镜头，图 1-6 (c)为多尺度多孔径平面 成像系统，图 1-6 (d)为多尺度多孔径曲面成像系统。 图 1-6多尺度多孔径光学系统与传统系统对比 13 图 1-7给出了曲面多尺度设计第 10级镜组的特写图，对应三个视场角 (32.5 1.25 )。图中指出
32、了子午焦面，中间焦面以及弧矢焦面，并给出了局 部子图像的理想位置（此处可放置一个小探测器阵列 ） 。另外，图中只绘制了 子午平面内的光线。 图 1-7曲面多尺度设计第 10级光学元件 13 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1-6所示设计的几何均方根 RMS弥散斑大小与视场角的关系绘于图 l-8(a)。各设计中每单位视场角估算的可分辨点数量见图 l-8(b)。 从图 l-8(a)中 我们可以看出，尽管将传统平面设计的像面改为曲面像面极大地提高了系统性 能，但因为物镜结构过于简单，其性能仍然无法达到衍射受限。多尺度曲面设 计能够将弥散斑尺寸保持在衍射极限程度，但大视场范围内仍缓慢增加。图
33、l-8(b)给出了各个视场角解析点数量的计算结果。 (a)各系统几何均方根 RMS弥散斑大小与视场角的关系 (b)各系统 可分辨点数量 图 1-8多尺度多孔径光学系统性能对比 13 该研宄还给出了系统总解析点数量，见表 1-1。一个孔径为 8mm， 视场 36 的系统，达到理论衍射极限的情况下的解析点数量 44百万像素，所以曲面成像 多尺度设计对应的 ;K = 0.45。 平面多尺度成像系统的设计结果中，弥散斑尺寸与 视场的关系很不稳定，虽然说多尺度曲面成像设计比传统平面成像系统性能高 40倍，比传统曲面成像系统性能高 2倍，但他的光学布局更为复杂。 表 1-1各系统解析点数量 (单位：百万像
34、素） 13 设计类型 几何 衍射极限 综合 传统，平面 0.5 44.4 0.5 传统，曲面 8.8 40.3 8.6 多尺度，局部线性 8.7 39.9 8.5 多尺度，平面 11.4 42.3 9.6 多尺度，曲面 24.0 39.7 19.9 根据像差理论与长久以来各方实践的设计经验，中心对称结构的系统能够 更好地适用于大视场光学系统。 早在 1949年，加利福尼亚大学的 Luneburg就提出使用变折射率的单心系 7 _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ 统来进行像差校正 33;斯坦福大学的 Rim等人将曲面探测器应用于球透镜， 使相机达到衍射受限 9; 2008年，哥伦比亚大学的
35、Krishnan和 Nayar提出同时 利用球透镜和球面探测器实现大视场成像 34。 共心透镜系统的缺陷主要在于由于共心结构造成的球差和色差较大，另外， 由于球面成像探测器的发展限制，对共心系统的球形像面探测困难较大 35。使 用探测器阵列逼近共心光学系统的曲面像面的球面成像多尺度多孔径光学相机 系统构造已有一定的发展 36。 2010年，在美国国防部先进研究项目局 DARPA规划部署的 AWARE项 目支持下，Brady等人提出一种名为 Gigagon的改进系统结构，利用排列于球 镜像面上的平面探测器阵列成 像 37;并于 2012年研制出名为 AWARE-2的二十 亿超高像素相机 38。
36、AWARE2相机示意图见图 1-9，包含 226个微型场处理器相机（绿色圆柱 表示）按照二十面体测地线模式排列，每台微型相机装有型号为 Aptina MT9H)02的14M像素 CMOS传感器，能够同时获得 120 宽视场和 38rad瞬时 视场 9。 (a)AWARE2系统设计结构 (b)AWARE2系统封装 图 1-9 AWARE2多尺度多孔径共心光学系统 37 图 1-10为类似 AWARE2相机结构的一个具体结构图，所用微型相机使用 了 7片镜片。这些相机被排列成一个圆顶，其光轴指向图 1-9中共心物镜（紫 色球）的中心，其共心球形收集器的口径为 60mm。 满足宽视场、高分辨率、 8
37、 _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ 多波段目标识别和日 /夜的全天候监测能力的军事需求，大大推动了单兵、地面 部队和近地武装支持平台的作战能力 9。 总的来说，自 2009年美国杜克大学 D. J. Brady提出多尺度多孔径成像技 术这一概念以来，多尺度多孔径光学成像技术开始被人们所知。然而这项技术 在国内的研究成果相对较少，是一项依旧有发展潜力的技术。 1.2.2多尺度多孔径光学成像技术的国内研究现状及分析 国内对于多尺度多孔径光学成像技术进行研究的不多。目前，实现大视场 成像的系统多采用牺牲时间分辨率的方式，主要有：小视场高分辨率单镜头扫 描成像系统 39、鱼眼透镜超半球凝视成像系
38、统 4 、环带凝视全景成像系统 41、 折反射大视场成像系统 42和多传感器阵列大视场成像系统 43。 2013年，西安电子科技大学吴腾飞，杜鹃，邵晓鹏等人发表了一种共心多 尺度光学宽视场成像系统的设计 9。如图 1-11所示，由主镜、中继透镜阵列和 探测器阵列构成。主镜采用共心球镜结构，其中心为一个单心球镜，两侧分别 包覆两片弯月形透镜。中继透镜阵列校正主镜像差同时增大系统放大倍率以保 证相邻探测器存在一定的视场重叠。并根据成像系统的参数对图像重叠区域的 关系进行了推导，以便进行后期数字图像拼接及非均匀性矫正，以得到理想的 大幅面高分辨率图像。该系统具有宽视场、像面 照度均匀、畸变小的优点，
39、同 时全视场具有一致分辨率，无需扫描即可获取宽视场图像。该系统 F/#为 7.5, 视场达 120 ，中继视场为 4.6 ，分辨率达 5200万 (1626x32136)。 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (a)共心多尺度光学系统结构图； （ b)共心多尺度光学系统 MTF 图 1-11共心多尺度光学成像系统 9 同年，北京空间研宄所的戚均恺等发表了一种新型超大视场小畸变光学系 统 35，如图 1-12所示。 图 1-12多尺度单心光学成像系统结构 35 图 1-12中所示系统的光学采集器主系统为共心球面透镜，在一次像面（共 心球面透镜成像面）附近设置尺度较小的次级场处理器光学组件。由于相
40、对于 大孔径透镜来说，小孔径透镜波面校正能力更强，可以较好地进一步校正残余 像差 44。系统光阑位于场处理器中，各个局部视场叠加实现大视场，不存在由 于渐晕造成的照度不均匀。次级光学系统通过调整放大倍率保证相邻子图像之 间存在视场重叠以便图像拼接，并缩小探测器规模。共心多尺度多孔径光学成 像系统具有共心系统全视场严格对称的优点，场处 理器结构一致，全视场分辨 率一致。 随着 AWARE2的研究设计，共心多尺度多孔径光学系统的设计热潮依旧不 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 退，可以预见更多研究成果的发表。 1.2.3超分辨率图像重建技术发展现状 相对而言，可用于多尺度多孔径光学成像技术的超
41、分辨率重建技术发展的 更为成熟。 本文所设计的光学系统相邻处理器间存在有视场重叠，在设计过程中，重 叠视场用于保证子图像能够完成拼接，同时也能够用使用超分辨率图像重建技 术来提高系统有效分辨率。 20世纪 60年代， Harris和 Goodman提出了单幅图像重建的概念和方法， 成为图像超分辨率重建的基本思想的起源 45。 1984年，开启在频域进行超分辨率重建算法这一思想的是 Tsai和 Hmmg46。其重构方法基于序列（或多幅图像 )，后续出现的各种算法都是在此 基础上的改进，无法突破算法本身的缺陷。频域算法长时间发展停滞，人们由 频域算法转到空域算法研究，并取得了迅速发展。鉴于各种算法
42、的效果 ， POCS 和规整化算法是目前研究的热点。 我们把采集同一目标场景的多帧图像序列这一过程所用时间称为时间带 宽，为实现时间分辨率向空间分辨率的转换，超分辨率重建的核心思想即用时 间带宽换取空间分辨率 47。其基本过程为：先进行图像退化分析，然后进行图 像的配准，最后根据配准所获结果对目标图像重构。 图像超分辨率重建技术可在提高图像分辨率的同时不改变系统结构，进而 提高图像视觉效果，并对图像的后续处理，如特征提取、信息识别等都具有十 分重要的意义 48。 超分辨率重建技术主要有以下几种方法分类 45: (1) 单幅图像超分辨率重建； (2) 多幅图像超分辨率重建； (3) 基于频域的超分辨率重建方法； (4) 基于空域的超分辨率重建方法； (5) 基于学习的重建方法。 另外，从系统实现的加工工艺上来说，在目前的先进的非球面制造技术广 泛推广的