一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭。它一共由十一片球面透鏡構(gòu)成，包括全景環(huán)形透鏡組和轉(zhuǎn)像透鏡組。全景環(huán)形透鏡組包括同軸且自物方至像方依次排列的：第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，采用特殊的三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)像透鏡組由8片透鏡構(gòu)成，其中含1個負(fù)彎月透鏡、1個正透鏡、2個雙膠合透鏡。這種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭滿足f-θ物像關(guān)系，具有高分辨率、超大視場(水平方向360°、垂直方向60°)和良好的成像質(zhì)量等特點(diǎn)；同時所采用的玻璃均為普通光學(xué)玻璃，不含特種玻璃和氟化鈣；鏡頭結(jié)構(gòu)工藝性良好，有利于加工和降低成本。
【專利說明】一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)成像鏡頭【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，特別是一種具有高分辨率、(40° -100° ) X360°的超大視場和良好的成像質(zhì)量的長焦型全景環(huán)形鏡頭。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，現(xiàn)有的廣角成像鏡頭無法滿足360°全方位獲取目標(biāo)信息的要求。早期的全景成像基本都是用旋轉(zhuǎn)拼接法實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)拼接法包含單鏡頭旋轉(zhuǎn)掃描成像和多鏡頭凝視成像兩種形式。單鏡頭旋轉(zhuǎn)掃描成像是指通過采用單個普通的光學(xué)鏡頭繞著垂直于光軸的機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)一周進(jìn)行全景掃描，再通過圖像拼接軟件進(jìn)行無縫隙拼接獲得全景圖像。但是單鏡頭旋轉(zhuǎn)掃描成像存在一個掃描周期，實(shí)時性比較差。多鏡頭凝視成像是采用許多相同的光學(xué)鏡頭在一周的各個方位進(jìn)行靜態(tài)拍攝，將得到的圖像進(jìn)行序列拼接來獲取全景圖像。雖然多鏡頭凝視成像是靜態(tài)拍攝，實(shí)時性相對較高，但是比較龐大，成本太高，不利于大量推廣應(yīng)用。魚眼鏡頭的視場一般可以達(dá)到半球，甚至超過半球。此鏡頭是傳統(tǒng)攝影鏡頭里視場最大的一種鏡頭，其結(jié)構(gòu)依然采用廣角鏡頭經(jīng)常使用的反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)，包括負(fù)光焦度的前組和正光焦度的后組兩個部分，但是其前組和后組要比普通的廣角鏡頭復(fù)雜很多，系統(tǒng)設(shè)計難度大。用魚眼鏡頭得到的圖片存在很大的桶形畸變，越靠近邊緣畸變越明顯。單反射面折反射全景成像是在相機(jī)前添加一個反射鏡來實(shí)現(xiàn)全景成像的，這種成像技術(shù)的反射鏡的面型需要滿足單視點(diǎn)要求。反射鏡的加工與安裝是其技術(shù)難點(diǎn)，尺寸過大是系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)。而全景環(huán)形透鏡成像是采用一個比較特殊的全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全景成像的，其結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、尺寸可以做的很小。
[0003]目前很多領(lǐng)域的全景環(huán)形透鏡成像系統(tǒng)的分辨率都比較低，在實(shí)現(xiàn)全景成像時，分辨率是成像系統(tǒng)的一個很重要的光學(xué)性能參數(shù)。高分辨需要長焦距，系統(tǒng)具有高分辨率就能夠識別距離更遠(yuǎn)和更小的物體。在遠(yuǎn)景監(jiān)測、遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測等一些高分辨場合，我們需要利用長焦型全景環(huán)形透鏡成像結(jié)構(gòu)。
[0004]在先技術(shù)中，有一種全景成像鏡頭(參見“一種全景成像鏡頭”專利號:CN201110413581.8)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)。但是，存在本質(zhì)不足:(1)全景環(huán)形透鏡的第一折射面和第一反射面為自由曲面，與球面相比加工難度更大，采用的PMMA工程塑料熱膨脹系數(shù)大，表面硬度較差，易于擦傷；(2)最后一塊透鏡的第一面曲率半徑比較小，軸外光線以較大的入射角進(jìn)入透鏡，過多的光能被損失，降低了像面的照度，不利于成像質(zhì)量的提高。此夕卜，最后一塊透鏡近似平凸透鏡，厚度比較大，增加了鏡頭的重量與成本；(3)全景成像鏡頭的相對孔徑和垂直視場均較小，光學(xué)性能需進(jìn)一步提高；(4)系統(tǒng)的后工作距離短，不利于保護(hù)玻璃、濾光片及其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決已有技術(shù)所存在的問題，提供了一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，具有分辨率高、視場大，相對孔徑大、后工作距離長等特點(diǎn)；同時所采用的玻璃均為普通光學(xué)玻璃，不含氟化鈣和特種玻璃；鏡頭結(jié)構(gòu)工藝性良好，有利于加工和降低成本。
[0006]本發(fā)明的基本構(gòu)思:為了擴(kuò)大全景環(huán)形成像鏡頭的視場和孔徑，在單片式全景環(huán)形透鏡的基礎(chǔ)上加入膠合面，并在其后表面膠合一塊平凸透鏡形成三膠合全景環(huán)形透鏡組，采用F2、ZK7和LAF3三種玻璃搭配，再通過彎曲透鏡來充分減少透鏡組的像差。在轉(zhuǎn)像透鏡組中引入兩個雙膠合透鏡，兩個不同彎向的膠合面分別用來校正整個鏡頭的高級像散和高級軸外球差。合理分配轉(zhuǎn)像透鏡組各透鏡的光焦度，使光束在透鏡表面都以小角度入射。通過在負(fù)彎月透鏡后面密接正透鏡來調(diào)整轉(zhuǎn)像透鏡組主面位置，使鏡頭近似滿足遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)來提高像面照度均勻性和增大后工作距離。
[0007]基于以上技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:本發(fā)明提供的一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，一共由十一片球面透鏡構(gòu)成，包括全景環(huán)形透鏡組a和轉(zhuǎn)像透鏡組b。全景環(huán)形透鏡組a包括同軸且自物方至像方依次排列的:第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3 ;全景環(huán)形透鏡組a有6個面，且均為球面:其中14為背向物方的折射面，15為朝向物方的內(nèi)反射面，16為背向物方的膠合面，17為朝向物方的內(nèi)反射面，18為膠合面，面型為平面，19為朝向物方的折射面，14的中心內(nèi)環(huán)邊緣與15的外環(huán)邊緣相接，17的中心內(nèi)環(huán)邊緣與18的外環(huán)邊緣相接。反射面15、17鍍高反膜，折射面14、19鍍增透膜。轉(zhuǎn)像透鏡組b由8片透鏡構(gòu)成，它們繞中心光軸旋轉(zhuǎn)對稱，其中6、7和9、10分別膠合在一起，11為負(fù)彎月透鏡，12為正透鏡。
[0008]所述的長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，其特征在于所述的全景環(huán)形透鏡組采用三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)，即把單塊全景環(huán)形透鏡的后表面做成平面，在中間插入一個膠合面，再在后表面膠合一個平凸透鏡而形成的。
[0009]全景環(huán)形透鏡組的第一個膠合面彎向光闌，主要用來矯正垂軸色差；第二個膠合面為平面，方便加工；最后一個表面主要用來校正全景環(huán)形透鏡組的像散和場曲。該全景環(huán)形透鏡組有兩個反射面區(qū)域，分別是第一片透鏡左表面的中心區(qū)域和第二片透鏡右表面的非中心區(qū)域，其它表面均為折射面，其中反射面鍍高反膜，折射面鍍增透膜。光闌位于全景環(huán)形透鏡組和轉(zhuǎn)像透鏡組之間。轉(zhuǎn)像透鏡組由8片透鏡構(gòu)成，其中含I個負(fù)彎月透鏡、I個正透鏡和2個雙膠合透鏡。正透鏡用以降低主光線入射角度、增加后工作距離。較長的后工作距離確保了其它零件的安裝空間。像面上采用C⑶接受圖像。全景環(huán)形透鏡組采用特殊的三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)，增加了全景環(huán)形透鏡的像差校正自由度，更有利于補(bǔ)償與轉(zhuǎn)像透鏡組之間的像差。
[0010]本發(fā)明系統(tǒng)的工作波段為可見光，如表I所示，焦距為8mm，系統(tǒng)相對孔徑為3.2，視場范圍為(40° -100° )X360°，系統(tǒng)第一面到像面距離即光學(xué)總長為141.55mm，后工作距離為26.292mm。本發(fā)明成像系統(tǒng)的視場和孔徑都很大，較長的后工作距離確保了其它零件的安裝空間。系統(tǒng)的光路是準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，像方主光線與光軸夾角很小，保證了像面照度的均勻性。
[0011]本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為:
[0012]I)本發(fā)明所有透鏡均為球面透鏡，只采用F2、ZF6、ZK7、LAF3、LAF4五種玻璃，不含螢石，結(jié)構(gòu)工藝性良好，有利于加工和降低成本。
[0013]2)本發(fā)明采用了三膠合全景環(huán)形透鏡組，大大減小了色差、像散和場曲，能夠承擔(dān)更大的垂直視場和相對孔徑。
[0014]3)本發(fā)明轉(zhuǎn)像透鏡組采用兩個光組，光焦度滿足負(fù)正負(fù)正的分配原則，光線在各個空氣表面均以小角度入射，從而減少光能損失，提高像面照度，達(dá)到更好的成像質(zhì)量。
[0015]4)本發(fā)明在負(fù)彎月透鏡后密接一個正透鏡，使得轉(zhuǎn)像透鏡組主面后移，系統(tǒng)近似滿足像方遠(yuǎn)心光路，增大了后工作距離且提高了像面照度均勻性。
[0016]5)本發(fā)明可以在遠(yuǎn)景監(jiān)控、軍事目標(biāo)探測等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明全景環(huán)形透鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)像透鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)的成像光路圖；
[0021]圖5為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0022]圖6為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖；
[0023]圖7為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)的場曲和f_ Θ畸變曲線圖；
[0024]圖8為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)的像面相對照度曲線圖；
[0025]圖9為本發(fā)明長焦型全景環(huán)形成像鏡頭成像系統(tǒng)垂軸色差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)施例有助于對本發(fā)明的理解，是比較好的應(yīng)用實(shí)例，但不應(yīng)看作是對本發(fā)明的限制。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明為一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，包括全景環(huán)形透鏡組a和轉(zhuǎn)像透鏡組b。全景環(huán)形透鏡組a包括同軸且自物方至像方依次排列的:第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3。全景環(huán)形透鏡組a采用特殊的三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)像透鏡組b包括8片透鏡，其中含I個負(fù)彎月透鏡、I個正透鏡、2個雙膠合透鏡。
[0028]光闌4位于全景環(huán)形透鏡組a和轉(zhuǎn)像透鏡組b之間，用于控制全景環(huán)形透鏡組a的成像光束口徑，使參與成像的光線進(jìn)入轉(zhuǎn)像透鏡組b，不參與成像的那部分光線被光闌擋在外面。
[0029]如圖2所示，全景環(huán)形透鏡組a有6個面，且均為球面:其中14為背向物方的折射面，15為朝向物方的反射面，16為背向物方的膠合面，17為朝向物方的反射面，18為膠合面，面型為平面，19為朝向物方的折射面，其中14的中心內(nèi)環(huán)邊緣與15的外環(huán)邊緣相接，17的中心內(nèi)環(huán)邊緣與18的外環(huán)邊緣相接。反射面15、17鍍反射膜，折射面14、19鍍增透膜。14用來矯正f_ Θ畸變，優(yōu)化后f- Θ畸變可以控制在±2%以內(nèi)；對光路有嚴(yán)格的限制，使得僅有限寬度的從特定位置入射的光束才能通過系統(tǒng)成像；15可以矯正像差，它的半徑對像散和慧差的影響是最大的，對場曲的影響也很大。第一膠合面16彎向光闌，主要用來校正垂軸色差。17面的半徑是全景環(huán)形透鏡組a中最小的，對場曲和f-θ畸變的影響很大，還影響著光束在第15、19面的正常投射以及內(nèi)邊緣視場的光束在14面的正常入射，因此它的半徑變化范圍不大，和19面的半徑是一起變化的，用來校正部分場曲和f-θ畸變。第二個膠合面18為平面，方便加工。最后一個表面19主要用來校正全景環(huán)形透鏡的像散和場曲。它采用特殊的三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)，即把單塊全景環(huán)形透鏡的后表面做成平面，在中間插入一個膠合面，再在后表面膠合一個平凸透鏡而形成的。這種結(jié)構(gòu)增加了全景環(huán)形透鏡的像差校正自由度，更有利于補(bǔ)償與轉(zhuǎn)像透鏡組b之間的像差。引入的膠合面使得垂軸色差可以矯正到更小，可變的出射面曲率半徑能使像散矯正，同時匹茲伐場曲也減小了很多。全景環(huán)形透鏡組a所使用的玻璃如表2所示，使用高折射率、低色散的ZK7，有利于校正聞級像差。
[0030]如圖3所示，轉(zhuǎn)像透鏡組b包括8片透鏡，含2個雙膠合透鏡。它們繞中心光軸旋轉(zhuǎn)對稱，每個球面透鏡都有自己獨(dú)立的厚度、阿貝數(shù)、折射率、外徑尺寸、曲率半徑。其中6和7兩個透鏡進(jìn)行膠合，可以矯正高級球差；9和10兩個透鏡膠合，可以矯正高級像散；負(fù)彎月透鏡11用來矯正系統(tǒng)場曲；正透鏡12用以降低主光線入射角度、增加后工作距離。較長的后工作距離確保了其它零件的安裝空間。所用的兩個雙膠合透鏡對色差矯正也是有利的。轉(zhuǎn)像透鏡組b的放大倍率在0.5~0.6。轉(zhuǎn)像透鏡組b所使用的玻璃如表2所示，使用高折射率、高色散的ZF6可以降低高級像差，LAF4與正常玻璃的直線較遠(yuǎn)，可以降低系統(tǒng)的二級光譜。膠合面兩邊的折射率之差為0.12，可以降低系統(tǒng)的高級像差。
[0031]其光學(xué)成像路徑 如圖4所示，光線以(40° -100° )X360°的角度由折射面14入射到全景環(huán)形透鏡組a，通過膠合面16，依次經(jīng)過17和15兩次反射后，光束處于發(fā)散狀態(tài)，然后透過膠合面18，再通過19從全景環(huán)形透鏡組a中折射出來，經(jīng)過光闌4對光束口徑進(jìn)行限制，使參與成像的那部分光線入射到轉(zhuǎn)像透鏡組b。壓縮視場角，生成的像為虛像，虛像位于全景環(huán)形透鏡組a的左邊；轉(zhuǎn)像透鏡組b再將虛像轉(zhuǎn)換成縮小的實(shí)像。全景環(huán)形透鏡組a的出瞳與轉(zhuǎn)像透鏡組b的入瞳重合，轉(zhuǎn)像透鏡組b對全景環(huán)形透鏡組a進(jìn)行像差補(bǔ)償。成像光線經(jīng)過轉(zhuǎn)像透鏡組b可以校正和消除光線殘留的像差。位于像面13處的光學(xué)圖像由CXD接收。從圖可以看出，像方主光線與光軸夾角很小，即準(zhǔn)遠(yuǎn)心光路，這樣保證了像面照度的均勻性。
[0032]如圖5所示，長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的傳遞函數(shù)曲線，圖中最上方的曲線是衍射極限傳遞函數(shù)曲線，其它曲線分別為各視場子午方向和弧矢方向的傳遞函數(shù)曲線。由圖可知，鏡頭各視場各色光的傳遞函數(shù)在801?/!11111處的值均大于0.6，接近衍射極限，且傳遞函數(shù)曲線非常集中，傳遞函數(shù)值的一致性在0.1以內(nèi)，成像質(zhì)量良好。
[0033]如圖6所示，從長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的點(diǎn)列圖中可看出，40°、55°、70°、85°這四個參考視場的均方根半徑均在3 μ m左右，最大視場100°彌散斑的均方根半徑為
4.382 μ m。
[0034]如圖7所示，從長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的場曲和f_ Θ畸變曲線可以看出，整個視場在84°時有最大f-θ畸變值-2.8%，近似滿足線形成像。
[0035]如圖8所示，從長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的像面相對照度曲線中可以看出，最大視場的相對照度值為0.95，整個像面的照度非常均勻。
[0036]如圖9所示，從長焦型全景環(huán)形成像鏡頭垂軸色差曲線可以看出，垂軸色差最大值為1.6 μ m,在艾里斑范圍之內(nèi)，色差校正良好。
[0037]本實(shí)施例提出了長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的技術(shù)參數(shù)和相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如下表1和表2所示。
[0038]表1長焦型全景環(huán)形成像鏡頭的技術(shù)參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，一共由十一片球面透鏡構(gòu)成，包括全景環(huán)形透鏡組a和轉(zhuǎn)像透鏡組b。全景環(huán)形透鏡組a包括同軸且自物方至像方依次排列的:第一透鏡1、第二透鏡2和第三透鏡3 ;全景環(huán)形透鏡組a有6個面，且均為球面:其中14為背向物方的折射面，15為朝向物方的內(nèi)反射面，16為背向物方的膠合面，17為朝向物方的內(nèi)反射面，18為膠合面，面型為平面，19為朝向物方的折射面，14的中心內(nèi)環(huán)邊緣與15的外環(huán)邊緣相接，17的中心內(nèi)環(huán)邊緣與18的外環(huán)邊緣相接。反射面15、17鍍高反膜，折射面14、19鍍增透膜。轉(zhuǎn)像透鏡組b由8片透鏡構(gòu)成，它們繞中心光軸旋轉(zhuǎn)對稱，其中6、7和9、10分別膠合在一起，11為負(fù)彎月透鏡，12為正透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦型全景環(huán)形成像鏡頭，其特征在于所述的全景環(huán)形透鏡組a采用三膠合全景環(huán)形透鏡結(jié)構(gòu)，即將單塊全景環(huán)形透鏡的后表面做成平面，在中間插入一個膠合面，再在后表面膠合一個平凸透鏡而形成的。
【文檔編號】G02B13/06GK103969800SQ201410122304
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】李勁松, 孟娜, 馮科 申請人:中國計量學(xué)院