CN102495460B

CN102495460B - 一种全景成像镜头

Info

Publication number: CN102495460B
Application number: CN201110413581.8A
Authority: CN
Inventors: 王军华; 徐敏
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: CN102495460A

Abstract

本发明属于光学器件技术领域，具体为一种全景成像镜头。该全景成像镜头由位于同一光轴上的全景环形透镜、后继透镜组、光阑和像面组成；其中，全景环形透镜材料采用透明介质，形状为绕中心光轴旋转对称的凸多面体，该凸多面体包括两个折射面和两个反射面；后继透镜组由一系列不同的透明介质的球面透镜组成；光阑位于全景环形透镜和后继透镜组之间；像面位于系统的最底端。本发明的全景成像镜头具有分辨率高、径向畸变小、进行图像还原后不失真等优点。其结构简单，易加工，成本低。把该全景镜头安装在照相机前面，即可用照相机拍摄出简单的全景图像。本发明可用于管道检测、医用内窥镜观察、视频监控等领域。

Description

一种全景成像镜头

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种全景成像镜头，具体地说是涉及一种长焦距高分辨率并且可以实时实现360°全景成像的全景镜头。

背景技术

随着数字图像处理技术和CCD/COMS探测器技术的发展，对传统的光学成像系统提出了更高的要求及挑战，越来越多的光学系统在需要长焦距高分辨率的同时也需要很大的视场，传统的成像技术无法满足其要求。全景成像技术是伴随着二元光学技术、自由曲面加工技术、数字图像校正技术、大面阵凝视成像CCD/COMS探测器技术发展起来的一种新型成像技术。与传统的成像技术相比，其最显著的特点是其视场为环形视场,可以实现360°环视成像。目前实现全景成像技术的主要方法有旋转拼接式全景成像系统、多镜头拼接式全景成像系统、鱼眼镜头式全景成像系统和折反射式全景成像系统。其中折反射式全景成像系统还分为单次反射式全景成像系统和两次反射式全景成像系统。

旋转拼接式全景成像系统通过图像拼接软件将不同方向视场的图像进行拼接。利用该方法得到的整个全景图像有较高的分辨率，其缺点是无法在同一时刻观察到整个视场的图像，同时在图像采集过程中存在的拼接误差难以控制，导致该系统的实时性和可靠性都有所降低。

多镜头拼接式全景成像系统通过采用多个镜头去获取不同的视场角的图像进行拼接。利用该方法可以实时得到的整个全景图像，同时在图像采集过程中存在着拼接误差难以控制。由于采用了多个镜头进行拼接，导致该系统的体积大、质量重、功耗高等缺点。

鱼眼镜头式全景成像系统视场角可达到200°左右，但该系统设计难度较大、结构复杂、装配要求高、存在大量的桶形畸变、图像还原后失真严重、视场边缘的照度低、并且焦距短分辨率也不高。目前该技术已比较成熟，想进一步增大视场已相当困难。

折反射式全景成像基于平面圆柱投影法，它克服了中心投影法的缺陷，即将三维圆柱区域通过特殊的全景成像系统投影到二维平面，该方法无需运动部件就能实时实现360°的超大视场全景成像。单次反射式全景成像系统的全景镜头焦距短、分辨率相对较低、横向色差难以得到很好的校正、光学系统体积大难以集成化、具有径向桶形畸变、图像还原后失真、杂散光难以得到很好的抑制。两次反射式全景成像系统是将反射面和折射面集成在一起、光学系统体积小、光学成像系统设计的结构复杂。虽然畸变得到了很好的校正、CCD/CMOS光电探测器的有效利用率不高、横向色差没有得到很好的校正、并且杂散光也没有得到很好的抑制、光学系统的成像质量不高。甚至有的光学系统采用了氟化钙晶体和二元光学器件对其横向色差进行校正。虽然横向色差得到了很好的校正，但是氟化钙晶体的价格昂贵，易潮解难以加工。二元光学器件的加工和检测技术目前还不成熟。

基于上面所述，本发明提出了一种新型的全景成像系统的设计方案，并解决现有的全景成像系统存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于实时实现360°全景成像的长焦距高分辨率全景镜头，以解决了现有技术中存在的问题。

本发明需要解决的技术问题，包括：

针对旋转拼接式全景成像技术中由于使用了扫描器件导致的系统实时性差，可靠性不高等缺点。

针对多镜头拼接式全景成像技术中由于使用多个镜头进行拼接导致体积大、质量重、功耗高、存在拼接误差等缺点。

针对鱼眼镜头式全景成像系统的焦距短、畸变大、结构复杂、图像还原后失真、视场边缘的照度低等缺点。

针对单次反射式全景成像系统的焦距短、体积大、杂散光难以被抑制、横向色差校正不好等缺点。

针对两次反射式全景成像系统有很严重的杂散光、横向色差校正的不好、成像质量不高等缺点，并在全景镜头的设计中不采用氟化钙晶体和二元光学器件。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明提供的长焦距高分辨率全景镜头，能实现360°环形视场的实时成像，全景镜头的设计采用折反成像技术和旋转轴对称自由曲面成像技术，其组成包括：位于同一光轴上的全景环形透镜a、后继透镜组b、光阑c、像面d，全景镜头的几何结构如图2所示。其中：

所述全景环形透镜a，材料采用透明介质，该透明介质的形状为绕中心光轴旋转对称的凸多面体，该凸多面体包括两个折射面和两个反射面，全景环形透镜a的结构如图3所示，其顶部为第二反射面3，其底部为第二折射面4，其上部斜向侧面为第一折射面1，其下部斜向侧面为第一反射面2；其中，第一折射面1和第一反射面2为旋转轴对称自由曲面，第二折射面3和第二反射面4可以为球面、非球面、平面或衍射面。

所述后继透镜组b，由一系列不同的透明介质的球面透镜组成，这些球面透镜都绕中心光轴旋转对称，上下依次排列；每个球面透镜都具有自己独立的折射率、阿贝数、曲率半径、厚度和外径尺寸。后继透镜组b的结构如图4所示，这些球面透镜可以正透镜，也可以是负透镜。

所述光阑c 位于全景环形透镜a和后继透镜组b之间；所述像面d 位于系统的最底端，也就是CCD/CMOS探测器所处的位置。

光线在全景环形透镜a内的传递路径为：光线首先从全景环形透镜a的第一折射面1入射到全景环形透镜a的内部，然后光线沿着折射方向传递到第一反射面2；光线被第一反射面2反射后继续在全景环形透镜a的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二反射面3；光线被第二反射面3反射后继续在全景环形透镜a的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二折射面4；光线被第二折射面4折射出全景环形透镜a。其光线路径如图5所示。

从全景环形透镜a第二折射面4折射出来的光线通过光阑c对光线进行选择，使参与成像的光线通过光阑c进入到后继透镜组b；经过后继透镜组b后，参与成像的光线成像在像面d上，而不参与成像的光线就被挡在光阑c外面，不能进入到后继透镜组b，不能成像在像面d上。

后继透镜组b的相当于一个目镜，将后继透镜组b的入瞳（也就是后继透镜组b的光阑）和光阑c重合。参与成像的光线经过光阑进入到后继透镜组b，成像光线经过后透镜组b对光线的像差进一步校正和消除，最终成像到像面d上。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，并根据等光程原理进行初始求解，把求解到的点进行曲面拟合，得到旋转轴对称自由曲面方程的参数。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，可根据等光程原理，严格限制边界条件限制，选取了一些在边界条件范围内的点进行曲面拟合。从而避免了光线溢出的现象频繁的出现，光学设计陷入“病态”，使光学优化设计无法进行。同时由于旋转轴对称自由曲面方程的参数是在边界条件限制下求解，当全景镜头的评价函数陷入局部极值时，经过有效的人工干预，能使之快速摆脱局部极值，继续进行优化。旋转轴对称自由曲面方程的参数是在多次迭代的基础上得到最优化的解。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，将圆形光阑转变为环形入瞳的非共轭成像，可以有效地抑制掉杂散光，避免鬼像的产生，进而提高全景镜头的成像质量。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，将环形入瞳的位置成像到第一折射表面1附近，对光学系统横向色差进行了很好的校正，避免了使用氟化钙和二元光学器件对光学系统横向色差的校正。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，可压缩非成像区域的畸变，从而提高了CCD/CMOS光电探测器的有效利用率。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，可严格控制成像区域的畸变，并且使其成像关系满足H=f×θ的线性变化。H为像高，f为焦距，θ为视场角。

本发明中，全景镜头采用旋转轴对称自由曲面，可尽量简化后继透镜组的结构，提高光学系统的透过率。

本发明中，全景镜头的后继透镜组实质上为一个目镜，可以根据全景成像系统的需要对其进行独立优化，提高了设计全景光学系统优化速度。

本发明的有益效果：

本发明的全景镜头解决了旋转拼接式全景成像技术中由于使用了扫描器件从而导致的系统实时性差，可靠性不高的问题。

本发明的全景镜头解决了多镜头拼接式全景成像技术中由于使用多个镜头进行拼接导致体积大、质量重、功耗高、存在拼接误差的问题。

本发明的全景镜头解决了鱼眼镜头式全景成像系统的焦距短，畸变大、结构复杂、图像还原后失真、视场边缘的照度低的问题。

本发明的全景镜头解决了单次反射式全景成像系统的焦距短、体积大、杂散光难以被抑制、横向色差校正不好的问题。

本发明的全景镜头解决了两次反射式全景成像系统有很严重的杂散光、横向色差校正的不好、成像质量不高的问题。

本发明的全景镜头结构简单紧凑、镜片数量少、没有采用氟化钙和二元光学器件、提高了全景光学系统的透过率、增加了全景光学系统的成像质量。

本发明的全景镜头的设计由于采用了折反成像技术和旋转轴对称自由曲面成像技术，因此具有高分辨率、径向畸变小、进行图像还原后不失真等优点。

本发明的全景镜头的全景环形透镜a采用光学工程塑料，其结构设计简单易于加工，可以采用金刚石单点车削或者压膜的方法对其旋转轴对称自由曲面进行加工；

本发明的全景镜头后继透镜组b结构简单，均采用的是球面透镜，透镜的材料也采用国产的常用玻璃，易加工，成本低。

本发明的全景镜头可以应用在任何具有微距模式的照相机上，把该全景镜头安装在照相机前面，即可用照相机的微距模式拍摄出简单的全景图像。

本发明的全境镜头可以广泛应用在管道检测、医用内窥镜观察、视频监控、坦克周视监测、潜艇水面监测、导弹全景跟踪、机器人视觉、计算机视觉、虚拟现实技术。

附图说明

图1是平面圆柱投影法图示。

图2是全景镜头结构图示。

图3是全景环形透镜a的结构图。

图4是旋转轴对称自由曲面方程的参数计算过程的流程框图。

图5是后继透镜组b的结构图。

图6是全景镜头的成像光路图。

图7是全景镜头的整个区域的场曲和畸变图。

图8是全景镜头的线性区域的场曲和畸变图。

图9是全景镜头成像系统光程差图。

图10是全景镜头成像系统点阵图。

图11是全景镜头成像系统传递函数图。

图中标号：a为全景环形透镜；b为后继透镜组；c为光阑；d为像面；1为第一折射面；2为第一反射面；3为第二反射面；4为第二折射面；5、6、8、9、10、13、14、15、16为凸球面；7、11、12为凹球面。

具体实施方式

如图2所示，本发明的全景镜头其主要的组成包括全景环形透镜a、后继透镜组b、光阑c、像面d（CCD/CMOS探测器所处位置）。

如图3所示，全景环形透镜a由透明介质以及两个折射面和两个反射面组成，绕中心光轴旋转对称。透明介质采用的材料是PMMA工程塑料。

如图3所示，其中1为第一折射面，其面型为向外突出的环形旋转轴对称自由曲面；2为第一反射面，其面型为向外突出的环形旋转轴对称自由曲面；3为第二反射面，其面型为凹球面，4为第二折射面，其面型为平面。其中第一折射面1的中心内环边缘和第二反射面3的边缘相接，在实际设计中考虑到加工和装配的需要，将其边缘相接处做成一个与光轴相垂直的小平面，不仅能减少全景光学系统的重量，还能为全景环形透镜a提供了一个加工基准；其中第一反射面2的中心内环边缘与第二折射面4的边缘相接。第一折射面1的外环边缘和第一反射面2的外环边缘被设置成为一个小台阶，以利于全景环形透镜a的加工和装配。

如图4所示，由旋转轴对称自由曲面方程的参数计算过程的流程框图可知，在多次迭代的基础上得到了满足设计要求的最优解。

本发明旋转轴对称自由曲面方程的参数的计算过程中涉及到的公式有：

nL1+nL2=L （1）

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE001

（2）

l1=

（3）

l2=

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE003

（4）

其中（f=1，2，3，4，5，6，7）

n为PMMA工程塑料的折射率（如n=1.49）；

L为光线从第一折射面入射，被第一反射面反射，会聚到光轴上时的光程；

L1为光线从第一折射面入射到第一反射面时光线前进的距离；

L2为光线从第一反射面反射,然后会聚到光轴上时光线前进的距离；

为光线在第一折射面的入射位置；

为光线在第一反射面的反射位置；

为光线在光轴上会聚点的位置；

在上面三式中，L1和L2的取值范围是：

70mm<L1<80mm, 65mm<L2<75mm,

我们取经过

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE007

和光轴（x轴）垂直的直线为y轴，取点

在光轴上

根据光学系统的结构参数，我们给定：

L=220mm；x₁=0mm；y₁=35mm；x₃=-27mm；y₃=0mm；y₂₁=15mm；y₂₂=20mm；

y₂₃=25mm；y₂₄=30mm；Y₂₅=35mm；y₂₆=40mm；y₂₇=45mm；

将上述初始值按照旋转轴对称自由曲面的参数计算过程的流程框图进行迭代求解。

最终得到的旋转轴对称自由曲面方程为：

其中

，

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE011

，

，

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE013

，

，

Figure 2011104135818100002DEST_PATH_IMAGE015

，为旋转轴对称自由曲面方程的参数：

第一折射面参数	第一反射面参数
		0.02511	-0.032651
4.098455E-6	3.112524E-5
		9.315428E-9	-4.005213E-8
9.256512E-12	3.895231E-11
		-1.421254E-15	-2.325621E-14
4.054522E-18	5.844223E-18
		-7.515432E-22	-8.561435E-22

如图5所示，后继透镜组b是由六个不同的透明介质的球面透镜组成，绕中心光轴旋转对称。每个球面透镜都具有自己独立的折射率、阿贝数、曲率半径、厚度和外径尺寸。

如图5所示，后继透镜组b主要包括正透镜和负透镜组成，且都为球面透镜。其中由凸球面5和凸球面6组成的透镜的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；由凹球面7和凸球面8组成的透镜的焦距为负，其透明介质为火石玻璃；由凸球面9和凸球面10组成的透镜的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；由凹球面11和凹球面12组成的透镜的焦距为负，其透明介质为火石玻璃；由凸球面13和凸球面14组成的透镜的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃；由凸球面15和凸球面16组成的透镜的焦距为正，其透明介质为冕牌玻璃。

如图6所示，光线以（45°-85°）×360°的入射角度首先从全景环形透镜a的第一折射面1入射进入到全景环形透镜a的内部，光线沿着折射方向传递到第一反射面2；光线被第一反射面2反射后继续在全景环形透镜a的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二反射面3；光线被第二反射面3反射后继续在全景环形透镜a的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二折射面4；光线被第二折射面4折射出全景环形透镜a。

如图6所示，第一折射面1的作用是：严格控制光线进入全景镜头的角度和位置，使环形入瞳的位置接近第一折射面,可以降低第一折射面所产生的像差，特别是轴向色差。根据像差的校正和全景环形透镜a的几何结构的限制，其第一折射面1的位置应该处于全景镜头的环形入瞳的位置；第一折射面1的曲率半径应该能确保每个视场进入全景镜头的光线的焦点会聚在第一反射面2的附近。

如图6所示，第一反射面2的作用是：采用旋转轴对称曲面将圆光阑转变为环形入瞳，转折光线的走向，使环形入瞳成像在光轴上，其像的位置应该成像在第二反射面4的另一侧，以便第二反射面4对其进一步放大。

如图7和图8所示，第一反射面2的作用是：使非成像区域产生非线性畸变，进而压缩非成像区域的使用面积，同时消除成像区域畸变，从而提高CCD/CMOS光电探测器有效的利用率。根据像差的校正和全景环形透镜a的几何结构的限制，其有效区域的畸变值控制在3%以内是有利于像差的校正的。

如图6所示，第二反射面3的作用是:进一步放大环形入瞳的像，并使其成像在全景环形透镜a的结构之外，有利于后继透镜组b和全景环形透镜a进行光瞳的衔接，对第二反射面3的面型和间隔的合理选择，可以抵消由前两个面所带来的像差。根据像差的校正和全景环形透镜a的几何结构限制，第二反射面的放大倍率的范围在1.5-2.5之间是有利于像差的校正。

如图6所示，第二折射面4的作用是：第二反射面3反射的光线经过第二折射面4折射出全景环形透镜a，这时环形入瞳经过全景环形透镜a所成的像即为光学系统的光阑。第二折射面可以设计为平面，球面，非球面，但所要遵循的原则是光阑的位置在全景环形透镜a的几何结构的允许的条件下离第二折射面的距离越近越好，距离越近越有利于像差的校正和系统的小型化和集成化。

如图6所示，全景环形透镜a第二折射面4折射出来的光线通过光阑c对光线进行选择，使参与成像的光线通过光阑c进入到后继透镜组b，经过后继透镜组b使之光线成像在像面d上。而不参与成像的光线就被挡在光阑外面，不能进入到后继透镜组b，不能成像在像面d上。光线经过全景环形透镜a和光阑c的严格限制和校正，像差已经得到很好的控制，后继透镜组b相对来讲设计起来比较简单，只需六片球面透镜就能对像差进行很好的校正。

如图6所示，后继透镜组b的实质上相当于一个目镜，将后继透镜组b的入瞳（也就是后继透镜组b的光阑）和光阑c重合。参与成像的光线经过光阑进入到后继透镜组b，成像光线经过后透镜组b对光线的像差进一步校正和消除，最终成像到像面d上。根据全景成像系统的像差的校正和全景成像系统的几何结构的限制，后继透镜组b的出瞳距和后截距之比在0.6-1.2之间，像差能得到很好的校正。

如图9所示，由全景镜头成像系统波差图可知，波峰-波谷值小于0.6λ(λ=0.628um)。

如图10所示，由全景镜头成像系统点阵图可知，系统弥散斑的均方根值接近5um。

如图11所示，由全景镜头成像系统传递函数图可知，光学成像系统在50lp/mm时各视场多色光平均传函值达到0.6以上。

在本实施的方式中全景镜头主要技术指标：

视场角：（45°- 85°）×360°；

焦距：10.5mm；

像面大小：Φ20mm（Φ为直径）。

Claims

1.一种全景成像镜头，其特征在于，由位于同一光轴上的全景环形透镜（a）、后继透镜组（b）、光阑（c）和像面（d）组成，其中：

所述全景环形透镜（a），材料采用透明介质，该透明介质的形状为绕中心光轴旋转对称的凸多面体，该凸多面体包括两个折射面和两个反射面；其顶部为第二反射面（3），其底部为第二折射面（4），其上部斜向侧面为第一折射面（1），其下部斜向侧面为第一反射面（2）；其中，第一折射面（1）和第一反射面（2）为旋转轴对称自由曲面，第二折射面（3）和第二反射面（4）为球面、非球面、平面或衍射面；

所述后继透镜组（b），由一系列不同的透明介质的球面透镜组成，这些球面透镜都绕中心光轴旋转对称，上下依次排列；每个球面透镜都具有自己独立的折射率、阿贝数、曲率半径、厚度和外径尺寸；这些球面透镜为正透镜，或者为负透镜；

所述光阑（c）位于全景环形透镜（a）和后继透镜组（b）之间；所述像面（d）位于系统的最底端，即CCD/CMOS探测器所处的位置；

光线在全景环形透镜（a）内的传递路径为：光线首先从全景环形透镜（a）的第一折射面（1）入射到全景环形透镜（a）的内部，然后光线沿着折射方向传递到第一反射面（2）；光线被第一反射面（2）反射后继续在全景环形透镜（a）的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二反射面（3）；光线被第二反射面（3）反射后继续在全景环形透镜（a）的内部传递，光线沿着反射方向传递到第二折射面（4）；光线被第二折射面（4）折射出全景环形透镜（a）；

从全景环形透镜（a）第二折射面（4）折射出来的光线通过光阑（c）对光线进行选择，使参与成像的光线通过光阑（c）进入到后继透镜组（b）；经过后继透镜组（b）后，参与成像的光线成像在像面（d）上，而不参与成像的光线就被挡在光阑（c）外面，不能进入到后继透镜组（b），不能成像在像面（d）上。