CN103197404A - 红外全景环视成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外全景环视成像系统。它包括在同一光轴上依次放置的全景透镜、后继透镜组、像面；全景透镜包括第一折射面、第一反射面、第二反射面、第二折射面；全景透镜前面为第二反射面，全景透镜后面为第二折射面，一边与第二反射面周边相连，另一边与第一反射面周边相连的回转面为第一折射面，一边与第二折射面周边相连，另一边与第一折射面周边相连的回转面为第一反射面；后继透镜组包括在同一光轴上依次放置的第一非球面透镜、二元面透镜、第二非球面透镜。本发明具有小尺寸、轻结构、大视场、无运动部件获得360°全景信息特点，物体不用调焦就能清晰成像，并且使用光学消热差方法使其在较大温度范围内完善成像，无需额外制冷部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外全景环视成像系统及其方法。
背景技术
伴随着红外技术和全景成像技术的不断发展，研究红外全景光学系统以代替单视场视觉系统已经成为各国竞相研究的热点。相比于单视场视觉系统，红外全景系统具有不可比拟的优势:它克服了连续捕获新目标出现的观瞄低效、实时性差、更新速度慢等缺点，提高了目标的感知能力和搜索跟踪的速率，确保探测目标的准确度;并且探测灵敏度高，能识别夜间或恶劣环境条件下的各种伪装和多层次、多角度目标的威胁。
虽然红外技术已有突破性发展，但是红外与全景成像相结合的工程应用仍然凤毛麟角。军械工程学院的王永仲设计的红外热成像鱼眼镜头，该系统已广泛应用在气象、天文、医疗内窥检查、防火监视乃至公安、边防等多领域，但是其结构复杂、造价高。中科院西安光机所的李红光等人研究的凝视红外全景成像系统已出现在论文中，并阐述了该系统具有双波段红外全景成像的特点。
目前，在实现全景成像的研究过程中，主要发展了三大类实现全景成像的方法，分别是旋转扫描式全景图像拼接法、折反射全景成像法和全景环形成像法。
旋转扫描式图像拼接法通常采用常规光学镜头，绕过其光心得固定垂直轴旋转成像，在旋转中获取不同角度上的多幅图像，并将这些图像实现图像拼接或者重新采样获取全景图像。但是这种成像设备需要精度极高的旋转控制部件，并且其体积大、重量重、机械结构复杂。
折反射全景成像法是采用反射镜来扩大物镜视场，反射镜面型结构有圆锥面、抛物面、双曲面、球面等不同形式。但其曲面反射镜结构不同于球面反射镜，它们的制作加工和装调比较困难，相应的会使成本提高；另外要扩大视场，反射面镜的入光面面积较大，使得整个成像装置体积变得比较庞大。
如专利US Patent 4，566，763， 1986 和US Patent 5，473，474， 1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法FCP（Flat Cylinder Perspective）,将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型红外全景环视成像系统及其方法。
新型红外全景环视成像系统包括在同一光轴上依次放置的全景透镜、后继透镜组、像面；
全景透镜包括第一折射面、第一反射面、第二反射面、第二折射面；全景透镜前面为第二反射面，全景透镜后面为第二折射面，
一边与第二反射面周边相连，另一边与第一反射面周边相连的回转面为第一折射面，一边与第二折射面周边相连，另一边与第一折射面周边相连的回转面为第一反射面；
后继透镜组包括在同一光轴上依次放置的第一非球面透镜、二元面透镜、第二非球面透镜；
光线从第一折射面进入被折射到第一反射面，经第一反射面反射到第二反射面，经第二反射面反射到第二折射面，最后在第二折射面折射出全景透镜，然后通过后继透镜组变换成实像，成像在像面。
红外全景环形透镜成像方法是采用圆柱平面投影法，用二次反射的全景环形透镜作第一次成像，实现环形全景凝视成像，用后继透镜组作第二次成像，获得实像，成像在像面上，用平面光电成像器件接受并显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像；采用普通红外材料锗、硅、硫系玻璃，成像的波段在红外的波长，包括近红外波段1~3微米，中红外波段3~5微米，远红外波段8~14微米；使用光学被动消热差方法，在后继透镜组中使用第一非球面透镜、第二非球面透镜及衍射元件二元透镜的热差特性来消热差，使系统在-40°~80°时能完善成像。
本发明具有180°大视场、无运动部件获得360°全景信息，具有小尺寸、轻结构、景深无限远特点，远近物体不用调焦就能清晰成像，并且使用光学消热差方法使其在较大温度范围内完善成像，无需额外制冷部件。
附图说明
图1是红外全景环视成像系统结构示意图；
图2是红外全景环视成像原理示意图；
图中，全景透镜1、第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、后继透镜组6、第一非球面透镜7、二元面透镜8、第二非球面透镜9、像面10、方位角γ、物点P、虚像点P1、实像点P2。
具体实施方式
如图1所示，新型红外全景环视成像系统包括在同一光轴上依次放置的全景透镜1、后继透镜组6、像面10；
全景透镜1包括第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5；全景透镜1前面为第二反射面4，全景透镜1后面为第二折射面5，
一边与第二反射面4周边相连，另一边与第一反射面3周边相连的回转面为第一折射面2，一边与第二折射面5周边相连，另一边与第一折射面2周边相连的回转面为第一反射面3；
后继透镜组6包括在同一光轴上依次放置的第一非球面透镜7、二元面透镜8、第二非球面透镜9；
光线从第一折射面2进入被折射到第一反射面3，经第一反射面3反射到第二反射面4，经第二反射面4反射到第二折射面5，最后在第二折射面5折射出全景透镜1，然后通过后继透镜组6变换成实像，成像在像面10。
如图2所示，红外全景环形透镜成像方法是采用圆柱平面投影法，物点P用二次反射的全景环形透镜1作第一次成像成虚像P1，实现环形全景凝视成像，用后继透镜组6作第二次成像，获得实像P2，成像在像面10上，用平面光电成像器件接受并显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像；采用普通红外材料锗、硅、硫系玻璃，成像的波段在红外的波长，包括近红外波段1~3微米，中红外波段3~5微米，远红外波段8~14微米；使用光学被动消热差方法，在后继透镜组6中使用第一非球面透镜7、第二非球面透镜9及衍射元件二元透镜8的热差特性来消热差，使系统在-40°~80°时能完善成像。
本发明所有透镜材料为普通红外材料锗、硅、硫系玻璃等。设计全景环形光学系统首先根据配合的CCD/CMOS确定像面大小，结合需求方的视场角大小，得到焦距；根据系统的初始结构，利用软件ZEMAX优化出常温下的系统。一般要求系统在常温时就要具备很好的成像质量，如调制传递函数接近衍射极限，到达探测器的能量集中度较高等等。之后，利用软件的环境分析功能建立多重结构，此时系统在-40°~80°时下的离焦量大于系统焦深。于是需要在多重结构下优化系统。在优化过程中，需引入以非球面为基底的衍射面，这样有利于矫正像差并且在加工时利用单点金刚石车床一次装夹，提高加工定位精度，保证光学系统的设计、加工一致性。衍射级次选为+1次，选取位相系数2~8项，根据中心波长可以计算出衍射面的环带深度。将透镜的曲率半径，透镜厚度，空气间隔，非球面系数，衍射面位相系数作为变量。优化时除了需要将系统的各种像差减小，还需要保证透镜的可加工性，即保证边缘厚度不能过小，透镜形状不能太弯，非球面的最优半径与设计半径不能相差过大；还要保证镜头的外形结构合适和可装配性，即要求镜头总厂不能过长；两片透镜间距离不能过近；另外还需保持后截距长度适中，配合CCD/CMOS接口设计。通过对初始结构的优化以及上述条件的限定，可以得到最后设计方案。
加工时，对于非球面透镜而言，若非球面面形略偏离于球面，则按传统球面研磨抛光技术，用与非球面最适配的球面抛光工具进行加工，获得球面透镜半成品，然后抛光。如果非球面面形显著偏离球面，则要用数控成型机床直接在透镜毛胚上加工出非球面形状，此外，也可用专门的研磨工具将最接近的球面最终加工成所要求的形状，然后抛光。
对于二元面透镜，首先，根据实际的设计情况，利用光学设计软件设计好刻有微结构组合面的一套用于光刻的掩模图形。然后由图形发生器生成一套二元振幅掩模。接着，在基片表面均匀地涂上一层光刻胶，将第一块掩模放置其上，对光刻胶进行曝光，曝光后的光刻胶经过显影后被洗去（对于正性光刻胶），而未曝光的光刻胶则保留下来。这样，掩模上的图形就转移到基片的光刻胶上。然后，再对基片进行刻蚀，保留在基片上的光刻胶则作为 抗蚀剂，保护其下的基片不被刻蚀，刻蚀至设计深度后，清除掉剩余的光刻胶，得到一个二相位四台阶的二元光学元件。对于多相位的元件，将上面得到的二相位元件的表面重新涂上光刻胶，然后套上第二块掩模，重复上述的图形转印和基片刻蚀过程。在每一次的重复过程中，基片刻蚀的深度均为上次刻蚀深度的一半。
Claims (2)
1.一种新型红外全景环视成像系统，其特征在于包括在同一光轴上依次放置的全景透镜（1）、后继透镜组（6）、像面（10）；
全景透镜（1）包括第一折射面（2）、第一反射面（3）、第二反射面（4）、第二折射面（5）；全景透镜（1）前面为第二反射面（4），全景透镜（1）后面为第二折射面（5），
一边与第二反射面（4）周边相连，另一边与第一反射面（3）周边相连的回转面为第一折射面（2），一边与第二折射面（5）周边相连，另一边与第一折射面（2）周边相连的回转面为第一反射面（3）；
后继透镜组（6）包括在同一光轴上依次放置的第一非球面透镜（7）、二元面透镜（8）、第二非球面透镜（9）；
光线从第一折射面（2）进入被折射到第一反射面（3），经第一反射面（3）反射到第二反射面（4），经第二反射面（4）反射到第二折射面（5），最后在第二折射面（5）折射出全景透镜（1），然后通过后继透镜组（6）变换成实像，成像在像面（10）。
2.一种红外全景环形透镜成像方法，其特征在于采用圆柱平面投影法，用
二次反射的全景环形透镜（1）作第一次成像，实现环形全景凝视成像，用后继透镜组（6）作第二次成像，获得实像，成像在像面（10）上，用平面光电成像器件接受并显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像；采用普通红外材料锗、硅、硫系玻璃，成像的波段在红外的波长，包括近红外波段1~3微米，中红外波段3~5微米，远红外波段8~14微米；使用光学被动消热差方法，在后继透镜组（6）中使用第一非球面透镜（7）、第二非球面透镜（9）及衍射元件二元透镜（8）的热差特性来消热差，使系统在-40°~80°时能完善成像。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130710 |