專利名稱：利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡成像裝置及其方法，可通過(guò)單一傳感器實(shí)現(xiàn)全景觀測(cè)和局部望遠(yuǎn)放大兩種功能。
背景技術(shù)：
基于折反射式的全景成像技術(shù)是一種結(jié)合了傳統(tǒng)相機(jī)與反射鏡的成像技術(shù)。它利用反射鏡將大視場(chǎng)的光線反射成為視場(chǎng)較小的光線，從而只需要普通的相機(jī)與鏡頭即可實(shí)現(xiàn)全景大范圍的目標(biāo)監(jiān)測(cè)，不同于折射式全景系統(tǒng)，此種結(jié)構(gòu)較適合監(jiān)測(cè)探測(cè)器后方360° 空間內(nèi)的全景區(qū)域。此類全景系統(tǒng)較多的采用連續(xù)的球面或圓錐曲面作為反射鏡實(shí)現(xiàn)廣角光線的收集。折返式全景成像光學(xué)系統(tǒng)有視場(chǎng)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，適用于安防監(jiān)視、機(jī)器人視覺(jué)、自動(dòng)導(dǎo)航等需要大視場(chǎng)周視觀測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，但其存在的最大缺點(diǎn)是相機(jī)鏡頭垂直向上直接對(duì)著反射鏡放置，其中間的視場(chǎng)勢(shì)必會(huì)將鏡頭的形貌反射到鏡頭的成像區(qū)域中，這部分區(qū)域?qū)τ谙衩嬗行袼氐睦寐蕘?lái)說(shuō)是浪費(fèi)的。為了減小此部分在像面所占的大小一般只能縮小鏡頭的尺寸，但為了保證傳感器接收到足夠的通光量，鏡頭的直徑不能無(wú)限制的縮小，目前所采用的方式往往是通過(guò)軟件將此部分成像區(qū)域去除，形成一個(gè)環(huán)帶像面。另一方面，全景光學(xué)系統(tǒng)由于其超廣角的特性，像面放大率較小，若要對(duì)環(huán)帶像上的某區(qū)域?qū)崿F(xiàn)局部放大，一種方式是采用更大的或像素密度更高的傳感器，這種方式不能將中央鏡頭所占的像面面積縮小，而且整體系統(tǒng)的體積會(huì)變得更大，制造成本和制造難度都會(huì)大大增加；另一種方法是在其附近另外增加一套望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)作為輔助，但這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性增加，并且由于其存在也會(huì)在像面中占用部分的視場(chǎng)，在某個(gè)角度形成視覺(jué)盲區(qū)，此外想要其快速轉(zhuǎn)向全景系統(tǒng)像面感興趣區(qū)域的難度也較大，因此實(shí)時(shí)性較差， 且無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用折反射全景系統(tǒng)中央被鏡頭成像所浪費(fèi)的成像區(qū)域，使用單一探測(cè)器就能實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法。在光軸上順次設(shè)有反光鏡、望遠(yuǎn)鏡組、非球面反射鏡、成像鏡組和探測(cè)面，望遠(yuǎn)鏡組的焦距為90mnTl00mm，成像鏡組的焦距為10mnTl5mm，望遠(yuǎn)鏡組和成像鏡組的中心空氣間隔為80mnTl00mm，非球面反射鏡的外徑為100mnTl20mm，中心通孔直徑為20mnT30mm，圓錐系數(shù)為-1. 5^-2. 0，曲率半徑為150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面鍍反射膜，用于反射光線，反光鏡能繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將光線導(dǎo)入下方的望遠(yuǎn)鏡組和成像鏡組。所述裝置的利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像方法，其特征在于光線通過(guò)反光鏡的反射，望遠(yuǎn)鏡組、成像鏡組的折射后在探測(cè)面上形成一個(gè)中心成像圓，光線經(jīng)過(guò)非球面反射鏡反射和成像鏡組折射后在探測(cè)面形成環(huán)帶像面，物點(diǎn)P發(fā)出的一條光線經(jīng)過(guò)反光鏡反射、望遠(yuǎn)鏡組折射，穿過(guò)非球面反射鏡中心孔，最后經(jīng)過(guò)成像鏡組折射成像于探測(cè)面的中心成像圓中，形成第一像點(diǎn)P1，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線經(jīng)過(guò)非球面反射鏡反射和成像鏡組折射后成像于探測(cè)面上的環(huán)帶像面中，形成第二像點(diǎn)P2，通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡組的焦距、成像鏡組的焦距、兩者的中心距離、非球面反射鏡的圓錐系數(shù)與其曲率半徑使得中心成像圓的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面的內(nèi)徑，同時(shí)兩個(gè)像面上的像都清晰的成像方法。本發(fā)明利用位于同一光軸上的望遠(yuǎn)鏡組與折返式全景成像系統(tǒng)，將折反射式全景系統(tǒng)中原本被鏡頭自身成像所浪費(fèi)的中央像素充分利用，把環(huán)帶像中感興趣的區(qū)域通過(guò)其上方的反光鏡與望遠(yuǎn)鏡組在原中心被鏡頭所占成像區(qū)中形成一個(gè)放大的像，從而僅使用單一傳感器即實(shí)現(xiàn)了全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。該系統(tǒng)由于有效利用了反射式全景系統(tǒng)被浪費(fèi)的中央無(wú)效成像區(qū)域，彌補(bǔ)了全景系統(tǒng)中的最大缺陷，實(shí)現(xiàn)了傳感器有效像素利用率的最大化。該全景望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)1)利用了像面上由于鏡頭自身成像導(dǎo)致的浪費(fèi)區(qū)域；2)使用一套光學(xué)系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)了全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。


圖1是利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明探測(cè)面的像面圖中光軸1、反光鏡2、望遠(yuǎn)鏡組3、非球面反射鏡4、成像鏡組5、探測(cè)面6、環(huán)帶像面7、 中心成像圓8、第一條光線9、第二條光線10、非球面反射鏡中心孔11、物點(diǎn)P、第一像點(diǎn)P1、 第二像點(diǎn)P2。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像裝置是在光軸1 上順次設(shè)有反光鏡2、望遠(yuǎn)鏡組3、非球面反射鏡4、成像鏡組5和探測(cè)面6，望遠(yuǎn)鏡組3的焦距為90mnTl00mm，成像鏡組5的焦距為10mnTl5mm，望遠(yuǎn)鏡組3和成像鏡組5的中心空氣間隔為80mnTl00mm，非球面反射鏡4的外徑為100mnTl20mm，中心通孔11直徑為20mnT30mm， 圓錐系數(shù)為-1. 5^-2. 0，曲率半徑為150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面鍍反射膜，用于反射光線，反光鏡2能繞光軸1轉(zhuǎn)動(dòng)，將光線導(dǎo)入下方的望遠(yuǎn)鏡組3和成像鏡組5。利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像方法是光線通過(guò)反光鏡2的反射，望遠(yuǎn)鏡組3、成像鏡組5的折射后在探測(cè)面6上形成一個(gè)中心成像圓8，光線經(jīng)過(guò)非球面反射鏡4反射和成像鏡組5折射后在探測(cè)面6形成環(huán)帶像面8，物點(diǎn)P發(fā)出的一條光線9經(jīng)過(guò)反光鏡2反射、望遠(yuǎn)鏡組3折射，穿過(guò)非球面反射鏡中心孔11，最后經(jīng)過(guò)成像鏡組5折射成像于探測(cè)面6的中心成像圓8中，形成第一像點(diǎn)P1，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線10經(jīng)過(guò)非球面反射鏡4反射和成像鏡組5折射后成像于探測(cè)面6上的環(huán)帶像面7中，形成第二像點(diǎn) P2，通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡組3的焦距、成像鏡組5的焦距、兩者的中心距離、非球面反射鏡4的圓錐系數(shù)與其曲率半徑使得中心成像圓7的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面8的內(nèi)徑，同時(shí)兩個(gè)像面上的像都清晰的成像方法。由于折返式全景成像的像面中心不可避免的將下方鏡頭成像到像面中，本發(fā)明利用利用該浪費(fèi)的區(qū)域，使望遠(yuǎn)鏡組3與成像鏡組5組合形成的一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像區(qū)域剛好落在折反射式全景成像系統(tǒng)的環(huán)帶像的中間區(qū)域中，從而將探測(cè)器的有效像素得以充分利用，通過(guò)非球面反射鏡4的成像區(qū)域可以觀察周圍360°區(qū)域視場(chǎng)內(nèi)的所有物點(diǎn)，若對(duì)某一物點(diǎn)P感興趣，可通過(guò)測(cè)量物點(diǎn)在像面上的位置從而推算出其在物方的視場(chǎng)角與方位角，通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)反光鏡2的光軸1使之轉(zhuǎn)向物點(diǎn)P，第一條光線9經(jīng)過(guò)反光鏡2反射后向下經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡組3折射，再穿過(guò)非球面反射鏡4的中心通孔11，最后經(jīng)過(guò)成像鏡組5折射成像與第一像點(diǎn)Pl，此像點(diǎn)是物點(diǎn)P經(jīng)過(guò)非球面反射鏡4在環(huán)帶上所成第二像點(diǎn)P2放大的像，所以通過(guò)單一的傳感器實(shí)現(xiàn)了全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。非球面反射鏡4和成像鏡組5制造時(shí)設(shè)計(jì)全景環(huán)帶光學(xué)系統(tǒng)首先確定其探測(cè)面 6上環(huán)帶像面7的內(nèi)環(huán)與外環(huán)直徑確定光學(xué)玻璃的種類與數(shù)量，得到其焦距；然后確定非球面反射鏡4的中央開(kāi)孔大小和直徑，設(shè)計(jì)非球面的面型，并于成像鏡組5聯(lián)合優(yōu)化完成光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將成像鏡組5的各個(gè)透鏡磨成指定的形狀，分別拋光，然后在各個(gè)折射面通過(guò)真空蒸鍍等方式鍍上透射膜來(lái)增加表面的光線透過(guò)率。非球面反射鏡從采用高質(zhì)量鋁作為原材料，通過(guò)金剛石車削的方式車成指定的連續(xù)非球面面型，然后在中間鉆出指定大小的通孔，最后鍍金屬反射膜增加其反射率。鍍膜的波長(zhǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)確定。望遠(yuǎn)鏡組3制造時(shí)根據(jù)已設(shè)計(jì)好的成像鏡組5與所需放大率，確定要采用的光學(xué)玻璃的種類與結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變連望遠(yuǎn)鏡組3各個(gè)透鏡前后表面的曲率與前后間距以及其與成像鏡組5之間的距離，使其與成像鏡組5組合而成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)能將經(jīng)過(guò)反射鏡2反射而來(lái)的光線成像于成像鏡組5與非球面反射鏡4組成系統(tǒng)的像面上，同時(shí)，其像面大小剛好與若不存在中心通孔時(shí)成像鏡組5在像面的上所成的像大小相同。這樣就可以將原本無(wú)用的鏡頭的像其替換成望遠(yuǎn)系統(tǒng)所成的像面。完成光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，把望遠(yuǎn)鏡組3包含的各個(gè)鏡片磨成指定的形狀，對(duì)各片的通光表面鍍?cè)鐾改ぃ黾颖砻娴耐高^(guò)率，鍍膜的波長(zhǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)確定。本發(fā)明可通過(guò)建立初始結(jié)構(gòu)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)完成最終系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在利用ZEMAX軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先設(shè)計(jì)折反射式全景成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并為望遠(yuǎn)鏡組3的透光區(qū)域留下足夠的空間，然后再設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡組3，最后將兩者組合到一起聯(lián)合優(yōu)化確定最終的結(jié)構(gòu)。非球面反射鏡4、望遠(yuǎn)鏡組3和反光鏡2之間可采用透明的圓柱形玻璃如石英玻璃管做支撐，要求不能遮擋視場(chǎng)。反光鏡2繞光軸1旋轉(zhuǎn)使用的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制。
權(quán)利要求
1.一種利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像裝置，其特征在于，在光軸 (1)上順次設(shè)有反光鏡(2)、望遠(yuǎn)鏡組(3)、非球面反射鏡(4)、成像鏡組(5)和探測(cè)面(6)，望遠(yuǎn)鏡組(3)的焦距為90mnTl00mm，成像鏡組(5)的焦距為10mnTl5mm，望遠(yuǎn)鏡組(3)和成像鏡組(5)的中心空氣間隔為80mnTl00mm，非球面反射鏡(4)的外徑為100mnTl20mm，中心通孔(11)直徑為20mnT30mm，圓錐系數(shù)為-1. 5 -2. 0，曲率半徑為150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面鍍反射膜，用于反射光線，反光鏡(2 )能繞光軸(1)轉(zhuǎn)動(dòng)，將光線導(dǎo)入下方的望遠(yuǎn)鏡組(3)和成像鏡組(5)。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像方法，其特征在于光線通過(guò)反光鏡(2)的反射，望遠(yuǎn)鏡組(3)、成像鏡組(5)的折射后在探測(cè)面(6)上形成一個(gè)中心成像圓(8)，光線經(jīng)過(guò)非球面反射鏡(4)反射和成像鏡組(5)折射后在探測(cè)面(6)形成環(huán)帶像面(8)，物點(diǎn)P發(fā)出的一條光線(9)經(jīng)過(guò)反光鏡(2)反射、望遠(yuǎn)鏡組(3)折射，穿過(guò)非球面反射鏡中心孔(11)，最后經(jīng)過(guò)成像鏡組(5)折射成像于探測(cè)面(6) 的中心成像圓(8)中，形成第一像點(diǎn)P1，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線(10)經(jīng)過(guò)非球面反射鏡 (4)反射和成像鏡組(5)折射后成像于探測(cè)面(6)上的環(huán)帶像面(7)中，形成第二像點(diǎn)P2， 通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡組(3)的焦距、成像鏡組(5)的焦距、兩者的中心距離、非球面反射鏡(4)的圓錐系數(shù)與其曲率半徑使得中心成像圓(7)的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面(8)的內(nèi)徑，同時(shí)兩個(gè)像面上的像都清晰的成像方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用非球面反射鏡實(shí)現(xiàn)折返式全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法。物點(diǎn)發(fā)出的一條光線，經(jīng)過(guò)非球面反射鏡反射與成像鏡組折射在像面上成環(huán)帶像；物點(diǎn)發(fā)出的另一條光線經(jīng)過(guò)反光鏡反射后向下進(jìn)入同軸放置的望遠(yuǎn)鏡組和成像鏡組后成像于環(huán)帶像面的中央盲區(qū)中，形成一個(gè)局部放大的像。通過(guò)改變望遠(yuǎn)鏡組各個(gè)鏡片的曲率、成像鏡組的各個(gè)鏡片的曲率半徑和兩個(gè)鏡組之間的距離，使兩個(gè)像面在同一平面上清晰成像并且互相不重疊。本發(fā)明利用位于同軸的兩個(gè)透鏡組組合而成的光學(xué)系統(tǒng)，將環(huán)帶物空間中的同一物點(diǎn)同時(shí)分別成像于中心盲區(qū)中與環(huán)帶像面中，利用了中心原來(lái)因?yàn)橄鄼C(jī)自成像而浪費(fèi)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了使用單一傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。
文檔編號(hào)G02B13/06GK102401988SQ20111038636
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者白劍, 黃治 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)