CN102103251A - 一种全景镜头及其变焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全景镜头，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路。本发明还提供了一种全景镜头的变焦方法，使全景镜头的指定视场环带中心保持不变，有效视场变化范围不偏离目标观测区域。

Description

一种全景镜头及其变焦方法

技术领域

本发明涉及光学镜头领域，特别涉及一种全景镜头及其变焦方法。

背景技术

全景镜头的典型结构可以分成两个部分：一是旋转对称的折反光学元件，部分表面镀制反射膜，实现三维全景视场向二维环带平面的转换；二是转像镜头，它将折反光学元件形成的虚像转换成实像。光线在全景镜头中的传播路径如图1所示。作为一种典型的柱面-平面投影成像模式，全景镜头将最大俯仰角和最小俯仰角之间的三维柱面视场转变为垂直于光轴的二维环带平面。由于折反光学元件的中心区域被反射镜面阻挡，光轴和最小俯仰角之间的光线被排除在有效视场外而无法参与成像，所以相应的像面中心会产生一个盲区。而在传统的中心汇聚投影光学系统中，通常会参考人类的视觉习惯，将目标物体成像在探测器的中心区域，光轴是视场和像面的中心。显然，由于像面中心盲区的存在，以光轴作为视场中心的定义不再适用于全景光学系统。因此，全景镜头的视场中心需要根据人类动态环视扫描视觉模式进行明确的重新定义。

通常，对应于某一指定的俯仰角的环形面可以被看作是全景镜头的视场中心。但这产生一个问题，即在传统的变焦机制中(如图2所示，通过沿光轴前后移动变倍透镜组和补偿透镜组，改变其在光轴上的位置，从而改变光学系统焦距，实现视场缩放)，光轴是视场缩放的中心，全景镜头的有效视场将会在变焦过程中偏离目标观测区域，视场变化方式如图3所示。显然这种视场变化方式不适用于需要对某一特定俯仰角视场保持连续观测的全景光学系统，实际上期望的视场变化应该如图4所示，即在变焦过程中保持指定的视场环带中心不变，两侧的俯仰角视场以指定的视场环带为中心缩放，因此有必要采用一种新型的变焦机制来实现这种指定视场环带中心的变焦全景镜头。

除了传统的变焦方式，光学系统的变焦效果也可以通过倾斜的棱镜、变形表面、渐变折射率透镜等实现，这些元件可以被认为是广义的自由曲面光学元件。自由曲面变焦光学系统的焦距随着其表面光焦度的变化而变化，而不需要沿着光轴前后移动透镜。由于灵活的几何形貌和良好的光线控制，自由曲面光学元件可以根据成像需求主动调节局部面形，而孔径光阑其他部分的成像质量不受影响。甚至自由曲面透镜各个视场对应的焦距也可不同。这对于实现指定视场环带中心的变焦全景镜头至关重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种全景镜头及其变焦方法，在变焦过程当中，全景镜头的指定视场环带中心保持不变，有效视场变化范围不偏离目标观测区域。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种全景镜头，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；

所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；

所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；

在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路。

优选的，所述自由曲面转像镜头包括光学透镜，所述光学透镜入射面为平面，出射面为自由曲面。

优选的，所述自由曲面转像镜头至少包括1个光学透镜。

优选的，所述第一反射面和所述第二反射面分别由镀在所述自由曲面折反光学元件表面的环状反射膜形成。

优选的，还包括像面，设置于所述自由曲面转像镜头下方。

优选的，所述像面上有效像面的大小为

优选的，所述全景镜头的视场变化范围是从0°方位角对应的70°～110°俯仰角视场绕光轴向两侧过渡到±180°方位角对应的80°～100°俯仰角视场，所述俯仰角视场随方位角呈三角余弦变化。

优选的，所述全景镜头的指定视场环带中心为90°俯仰角对应的环带平面。

优选的，所述全景镜头的变焦比为2。

本发明还提供了一种全景镜头的变焦方法，包括，自由曲面全景镜头沿光轴旋转。

本发明提供了一种全景镜头，包括了自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头，所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且处于所述自由曲面折反光学元件下方；其中自由曲面折反光学元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面以及自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路，光线经第一透射面折射进入所述自由曲面折反光学元件，再通过第一反射面和第二反射面的两次反射，从第二透射面折射而出，所述折射出的光线通过自由曲面转像镜头成像。本发明通过所述全景镜头自身绕光轴旋转实现以指定的视场环带中心变焦，指定视场环带中心不变。由于视场缩放中心由光轴变为指定的视场环带中心，解决了变焦过程中视场偏离目标观测区域的问题。

附图说明

图1现有技术中普通全景镜头的成像光路示意图，S1是折反光学元件，S2是转像透镜，S3是像面，S4是光轴，α是最小俯仰角，β最大俯仰角，γ是俯仰角视场范围，δ是方位角；

图2采用传统变焦方式的全景镜头成像示意图；

图3采用传统变焦方式的全景镜头的视场变化图

图4实际期望的保持观测中心不变的变焦全景透镜的视场变化图；

图5采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及相对应的俯仰角视场的三维设置示意图；

图6本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及相对应的俯仰角视场的三维设置的平面展开图；

图7本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头以指定的视场环带中心，完成视场缩放的成像光路图；

图8本发明实施例的指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头的三维结构图；

图9本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头0°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图10本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头15°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图11本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头30°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图12本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头45°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图13本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头60°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图14本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头75°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图15本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头90°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图16本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头105°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图17本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头120°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图18本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头135°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图19本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头150°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图20本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头165°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

图21本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头180°方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图；

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明和实施例中的坐标系规定如下：垂直向下为Z轴方向，垂直Z轴向左为Y轴方向，垂直YOZ平面向外为X轴方向的右手坐标系，坐标原点位于光轴上，0°方位角视场位于YOZ平面。

本发明提供了一种全景镜头，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；

所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；

所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；

在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路；

一种指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头，包括自由曲面折反光学元件1和自由曲面转像镜头2。折反光学元件实现三维全景视场向二维环带成像平面的转换，转像镜头将折反光学元件形成的虚像转换为实像。自由曲面折反光学元件包括第一透射面11、第一反射面12、第二反射面13、第二透射面14，这四个光学表面都是自由曲面；转像镜头包含自由曲面光学透镜，所述光学透镜入射面为平面，出射面为自由曲面，按照本发明，所述光学透镜的个数至少为1个。构成一种指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头的所有自由曲面光学表面采用X-Y多项式进行数学表述，且面形空间分布共用Z轴。X-Y多项式如下方程所示：

$z(x,y)=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)(x^2+y^2)c^2}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{x}^{2m}{y}^n$

其中，z(x，y)表示自由曲面在Z轴方向的矢高，c是二次曲面基底的顶点曲率，k是二次曲面系数，A_j是多项式系数，x和y分别是X轴和Y轴方向的坐标。

指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头的光学结构和视场设置关于YOZ平面对称，这一点也体现在表述自由曲面的X-Y多项式中只包含x的偶次项。方位角视场由0°绕光轴向两侧的±180°对称变化。

不同于依靠沿光轴前后移动透镜位置实现视场以光轴为中心缩放的传统变焦方式，通过使用自由曲面光学元件，利用其表面曲率有序而不规则的变化，实现对光线偏折方向的调制。调制目标是使全景镜头的视场中心对应同一指定的俯仰角，而俯仰角视场范围随方位角变化按设计要求变化，从而使各方位角视场对应的光学系统焦距不同。以指定的视场环带中心为基准的俯仰角的变化方式可以是线性变化或三角余弦变化或给定的任意曲线缩放变化，本发明优选使用三角余弦变化。

当全景镜头绕光轴旋转时，各方位角视场与实际观测物空间的对应关系发生改变，初始方位角位置的物像关系被临近的方位角对应的物像关系所取代，实现光学系统变焦。在旋转变焦过程中，在俯仰角方向上指定的视场环带中心位置保持不变，两侧的俯仰角视场以指定的视场环带中心为基准按给定的变化方式缩放。

按照本发明，如图7所示，自由曲面折反光学元件1关于YOZ平面对称，四个光学表面都是自由曲面；自由曲面转像镜头2同样关于YOZ平面对称，由两个平面-自由曲面光学元件构成的自由曲面转像透镜L₁和自由曲面转像透镜L₂组成。光线从自由曲面折反光学元件1的第一透射面11入射，经第一自由曲面反射面12和第二自由曲面反射面13两次反射，然后从第二自由曲面折射面14出射，最后通过自由曲面转像透镜L₁和自由曲面转像透镜L₂成像，被放置在像面3位置的成像探测器件，如CCD或CMOS等接收。其中，第一自由曲面反射面12和第二自由曲面反射面13是通过在自由曲面折反光学元件1表面镀制环形反射膜实现的。按照本发明，所述第一反射面12与第二透射面14可以为一个自由曲面的2个部分。

由于自由曲面表面各处的曲率不同，光焦度随着自由曲面曲率的变化而变化，相应的对光线的偏折能力也不同，因此可以更好的实现光线控制，根据成像需要调整自由曲面局部面形，而不会影响其他部分的成像。这样即可实现全景透镜各个方位角对应的俯仰角视场的系统焦距存在差异，当绕光轴转动全景透镜时，各方位角视场与实际观测物空间的对应关系发生改变，各个方位角视场的焦距变化，从而实现系统变焦。

按照本发明，所述像面3的有效像面大小优选为

视场变化范围优选为0°方位角对应的俯仰角视场为70°～110°，±180°方位角对应的俯仰角视场为80°～100°，俯仰角视场随方位角呈三角余弦变化；指定视场环带中心为90°俯仰角对应的环带平面；光阑口径优选为2mm；自由曲面数量优选为5个；光波波长优选为0.65um；空间频率为501p/mm时，所述全景镜头的系统传递函数MTP＞0.1；所述全景镜头的变倍比优选为2；变焦方式为自由曲面全景镜头沿光轴旋转变焦。

图5是采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及相对应的俯仰角视场的三维设置的示意图。由于系统关于YOZ平面对称，因此只列出了0°至180°方位角的视场设置。

图6是本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现变焦全景镜头各方位角视场及相对应的俯仰角视场的三维设置的平面展开图。本实施例的视场变化范围是从0°方位角绕光轴向两侧旋转到±180°方位角，并且每隔15°设置一组俯仰角视场，每组包含5个俯仰角，同时俯仰角随方位角变化从70°至110°逐渐过渡到80°至100°，变化方式可以是线性或三角余弦又或是根据给定的任意曲线过渡，本实施例采用的是三角余弦变化方式。指定的视场环带中心是90°俯仰角对应的视场空间，在变焦的过程中，视场中心保持不变。

图8是本发明实施例的指定视场环带中心的自由曲面变焦全景镜头的三维结构图。

图9至图21是本发明实施例的采用自由曲面光学元件实现全景镜头各方位角对应的俯仰角视场成像的调制传递函数(MTF)图。调制传递函数是一种评价光学系统成像质量的综合性指标。图中列举了13个不同方位角视场的全景镜头的调制传递函数，视场变化范围是从0°方位角绕光轴旋转到180°方位角，并且每隔15°设置一组俯仰角视场，每组包含5个视场角角度，同时俯仰角随方位角变化从70°至110°按三角余弦曲线逐渐过渡到80°至100°。所有的调制传递函数数据表明，本实施例的自由曲面变焦全景镜头的成像质量是优秀的。

图1是普通的全景镜头成像光路示意图，由旋转对称的折反光学元件S1和转像镜头S2两部分构成。光线从折反光学元件S1的第一透射面S11入射，经第一反射面S12和第二反射面S13两次反射，然后从第二透射面S14出射，最后通过转像镜头S2成像，被放置在像面S3位置的成像探测器件，如CCD或CMOS等接收。其中，第一反射面S12和第二反射面S13是通过在折反光学元件S1表面镀制环形反射膜实现的。最小俯仰角α和最大俯仰角β之间是有效俯仰角视场γ，光轴S4和最小俯仰角之间是视场盲区，最大俯仰角之外是视场极限区域。因此，实际有效视场为夹在最小俯仰角α和最大俯仰角β之间的360°三维柱面物空间，相对应的像面S3是一个环带平面。

图2是采用传统变焦方式的全景镜头成像示意图，旋转对称的折反光学元件S1和转像镜头S2分别作为变焦光学系统的补偿镜组和变倍镜组，通过变换折反光学元件S1和转像镜头S2在光轴上的位置改变全景透镜的光焦度，实现视场的缩放和系统变焦。

传统的变焦方式依靠沿光轴前后移动透镜实现光学系统视场以光轴为中心缩放。由于视场缩放中心是光轴，因此在变焦过程中，最大俯仰角和最小俯仰角的变化方向同时向光轴展开或收拢，导致实际观测到的视场区域也随之向光轴展开或收拢，这意味着采用传统变焦方式的全景镜头的观测视场中心是不断变化的。而在实际使用中，通常是希望保持有效的观测视场中心不变，最大俯仰角和最小俯仰角之间的视场以观测中心缩放，即如图3所示。显然，以光轴为视场缩放中心的传统变焦方式是不适用的。

本发明提供了一种全景镜头，包括了自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头，所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且处于所述自由曲面折反光学元件下方；其中自由曲面折反光学元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面以及自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路，光线经第一透射面折射进入所述自由曲面折反光学元件，再通过第一反射面和第二反射面的两次反射，从第二透射面折射而出，所述折射出的光线通过自由曲面转像镜头成像。本发明通过所述自由曲面全景镜头的自身绕光轴旋转实现以指定的视场环带中心变焦，指定视场环带中心不变。由于视场缩放中心由光轴变为指定的视场环带中心，解决了变焦过程中视场偏离目标观测区域的问题。

以上对本发明提供的一种全景镜头及其变焦方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全景镜头，其特征在于，包括：自由曲面折反光学元件、自由曲面转像镜头；

所述自由曲面转像镜头与所述自由曲面折反光学元件共用同一光轴，且所述自由曲面转像镜头处于所述第二透射面的下方；

所述自由曲面折反光学元件包括：第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；

在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面转像镜头之间形成光线传输通路。

2.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述自由曲面转像镜头包括光学透镜，所述光学透镜入射面为平面，出射面为自由曲面。

3.根据权利要求2所述的全景镜头，其特征在于，所述自由曲面转像镜头至少包括1个光学透镜。

4.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面分别由镀在所述自由曲面折反光学元件表面的环状反射膜形成。

5.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，还包括像面，设置于所述自由曲面转像镜头下方。

6.根据权利要求5所述的全景镜头，其特征在于，所述像面上有效像面的大小为

7.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头的视场变化范围是从0°方位角对应的70°～110°俯仰角视场绕光轴向两侧过渡到±180°方位角对应的80°～100°俯仰角视场，所述俯仰角视场随方位角呈线性变化、三角余弦变化或任意曲线变化。

8.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头的指定视场环带中心为90°俯仰角对应的环带面。

9.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头的变焦比为2。

10.一种权利要求1所述的全景镜头的变焦方法，其特征在于，包括：自由曲面全景镜头绕光轴旋转。

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