CN103901615B - 小凹成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小凹成像光学系统，属于光学仪器技术领域。该系统包含前置倒装伽利略式望远系统、扫描伽利略式望远系统和聚焦系统，其中前置倒装伽利略式望远系统用于压窄视场角，减小系统体积，扫描伽利略式望远系统承担光学局部放大功能。本发明没有采用基于软件的图像后期处理放大，也没有采用自适应光学元件实现局部高分辨，而是依靠球面透镜组扫描的简单方式实现局部放大，系统成像质量好、结构简单，可达到视场4°的局部放大。可广泛适用于需要光学高分辨局部放大的成像领域，例如场景监控、防御报警以及目标跟踪等领域。

Description

小凹成像光学系统

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，尤其涉及一种小凹成像光学系统，特别适用于场景监控、防御报警以及目标跟踪等领域。

背景技术

图像局部放大技术是伴随着数字图像的广泛应用而产生的一种处理技术，目前总体的方案分为硬件处理方案和软件处理方案，基于硬件的光学局部高分辨系统与传统的基于软件的图像局部放大系统相比较，是真正物理上的高分辨，避免了摄像机分辨率限制，因为数字图像处理的局部放大的倍数有限，当放大到一定程度时就会出现失真，尽管如此由于软件处理的性价比极高的优点，基于软件的图像局部放大在场景监控等领域有着广泛的应用。

硬件处理方案其实就是使用了光学局部高分辨技术甚至光学局部超分辨技术，但目前现有的光学局部高分辨系统仍有较多的问题：采用了自适应光学器件，例如空间光调制器，导致了系统对器件要求高，价格偏高，因此不利于光学局部高分辨系统的广泛普及。

在图像局部放大技术领域中，国内与本发明相似的文章为《高清视频监控中的图像局部放大方案》，文章编号：1000-7024(2010)18-4047-04，该文中的技术方案是基于软件处理的技术方案，可在播放器的分屏用鼠标定位目标点，并根据鼠标所在的位置利用物理放大的方式对锁定目标区域进行局部放大，能满足实时监控系统中同时掌握监控场景整体信息与不同目标点处的局部信息这一需求，但是由于受到摄像机分辨率限制，视频局部放大的倍数有限，当放大到一定程度时会出现失真，因此为了解决基于软件的局部放大倍率过高导致的失真问题，就必须着力于光学手段从硬件上寻找实现图像局部放大的方案。

国内与本发明相似的专利为200810224931.4，该专利的技术方案与《高清视频监控中的图像局部放大方案》这篇文章中的技术方案类似，采用了图像处理算法。预先设定局部放大区域,编码器根据接收的指定的局部放大区域位置信息,从摄像头采集的图像中裁剪出以局部放大区域为中心、分辨率等于预设编码分辨率的编码区域,对该编码区域进行编码后发送给解码器，实现了在无需带云台的摄像头的环境下,放大图像局部区域的同时提高放大后的图像局部区域的分辨率的目的。但是当放大倍数较大时会出现失真，难以满足物理高分辨的要求。

针对以上问题，本发明设计了一种小凹成像光学系统，采用一组扫描式的望远系统实现局部的光学放大，扫描组的全视场是4°，系统结构简单，器件均为常规的球面透镜，成像质量可以达到衍射极限。

发明内容

本发明旨在提出一种新的小凹成像光学系统，该系统可以满足图像对物体的局部高分辨无失真放大，而现有的基于软件的图像局部放大系统无法实现真实的、无失真的局部高分辨成像，另外基于自适应光学器件的光学局部高分辨系统的价格过高，实用性低。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

如附图1所示，沿着光线传输方向，小凹成像光学系统包括：前置倒装伽利略式望远系统（1）、扫描伽利略式望远系统（2）、聚焦系统（3）；在光的传播方向上，各光学组件按顺序依次排列。

其中，所述的前置倒装伽利略式望远系统由六片透镜组成，双分离透镜组（4）的总光焦度是负的，双胶合透镜与后续两片透镜（5）的总光焦度是正的，光焦度为负的透镜组（4）和光焦度为正的透镜组（5）组成前置倒装伽利略式望远系统（1）来传递物方信息并压缩视场角。扫描伽利略式望远系统由三片透镜组成，双分离透镜组（6）的总光焦度是正的，后续一片透镜（7）的光焦度是负的，光焦度为正的透镜组（6）和光焦度为负的透镜（7）组成扫描伽利略式望远系统（2）来对物方进行扫描实现局部放大功能。聚焦系统（3）由五片透镜组成，三分离透镜组（8）的总光焦度是正的，双胶合透镜组（9）的总光焦度是负的，光焦度为正的和光焦度为负的透镜组组成摄远物镜来对光线进行聚焦。

本发明具体设计方法如下：

1.采用总光焦度为负的双分离球面透镜组（4）作为第一组透镜，对入射的光进行发散，再利用总光焦度为正的球面透镜（5）作为第二组透镜，对总光焦度为负的透镜组透射的光进行准直。两组透镜组合形成了一个倒装伽利略望远系统（1），从而将物方视场角32°×24°压缩至8°乘以6°。

2.为了使系统能够实现局部放大的功能，又加入了扫描式伽利略望远系统（2），采用总光焦度为正的透镜组（6）作为第一组透镜，对入射的光进行聚焦，再利用光焦度为负的透镜（7）作为第二组透镜，对总光焦度为正的透镜组透射的光进行二次准直。两组透镜的组合形成了一个伽利略望远系统(2)，从而对物方扫描实现了光学局部放大。

3.为了将二次准直的光聚焦到探测器像面（10），又加入了聚焦系统（3）。采用总光焦度为正的透镜组（8）作为第一透镜组，对入射光进行聚焦，再利用总光焦度为负的透镜组（9）作为第二组透镜，对总光焦度为正的透镜组（8）透射的光进行发散。两组透镜组合形成了一个摄远物镜的型式，能够校正之前透镜组的残余像差，从而获得成像质量高的图像。

4.合理安排结构，减小系统的体积，将前置望远系统（1）设计成倒装形式，目的就是为了减小后续的视场角，从而减小系统的横向体积。

5.由于前组望远系统（1）和扫描组望远系统（2）在设计的过程中严格的保证光的准直，因此即使没有经过扫描组的光也会和经过扫描组的光同样被聚焦系统（3）聚焦于相同的探测器像面（10）。

通过以上的设计方法，本发明的一种扫描式光学局部放大系统可适于局部视场4°的光学放大，系统结构简单、体积较小，并且达到衍射极限。

本发明的工作原理：无穷远目标需要局部放大部分的光依次经过前置倒装伽利略式望远系统（1）、扫描式伽利略望远系统（2）、聚焦系统（3）和探测器像面（10）得到最后放大的像。目标不需要局部放大部分的光经过前置倒装望远系统（1）、聚焦系统（3）和探测器像面（10）得到最后的无放大的原始像，两个像面重合于探测器像面（10）。

有益效果

与先前的技术方案相比较，本发明具有以下显著优点：

1.本发明没有采用复杂的光学元件，系统中所用元件均为球面透镜。采用总光焦度为负的透镜组（4）与总光焦度为正的透镜组（5）组成前置倒装伽利略式望远系统（1）来减小系统横向体积；

2.不需要较为复杂的自适应光学器件，直接采用伽利略式望远系统（2）进行局部扫描放大，局部放大的全视场是4°，并且使用总光焦度为正的透镜组（8）和总光焦度为负的透镜组（9）构成摄远物镜（3）进行像质补偿；

3.系统的成像质量好，结构简单，可广泛应用于场景监控、防御报警以及目标跟踪等领域。

附图说明

图1是本发明实施例的系统总体结构示意图；

图2是本发明前置倒装伽利略式望远系统；

图3是本发明扫描伽利略式望远系统；

图4是本发明聚焦系统；

图1中，1-前置倒装伽利略式望远系统、2-扫描伽利略式望远系统、3-聚焦系统；

图2中，4-总光焦度为负的透镜组、5-总光焦度为正的透镜组；

图3中，6-总光焦度为正的透镜组、7-光焦度为负的透镜；

图4中，8-总光焦度为正的透镜组、9-总光焦度为负的透镜组、10-探测器像面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不能以此实施例数据限制本发明的保护范围。

实施例如图1所示，本发明主要应用于可见光波段成像，可广泛应用于场景监控、防御报警以及目标跟踪等领域。

如图1所示，本发明的扫描式光学局部放大系统包括：前置倒装伽利略式望远系统（1）、扫描伽利略式望远系统（2）、聚焦系统（3）、探测器像面（10）；在光的传播方向上，各光学组件按顺序依次排列。

实施例中，无穷远目标需要局部放大部分的光依次经过前置倒装伽利略式望远系统（1）、扫描式伽利略望远系统（2）、聚焦系统（3）和探测器像面（10）得到最后放大的像。目标不需要局部放大部分的光经过前置倒装望远系统（1）、聚焦系统（3）和探测器像面（10）得到最后的无放大的原始像，两个像面重合于探测器像面（10）。

实施例中系统具体参数如表1所示。

实施例中，没有采用复杂的光学元件，系统中所用元件均为球面透镜，将前置望远系统（1）设计成倒装形式，前置倒装伽利略式望远系统（1）和扫描伽利略式望远系统（2）在设计的过程中严格的保证光的准直，主要有以下优点：

1.采用总光焦度为负的透镜组（4）与总光焦度为正的透镜组（5）组成前置倒装伽利略式望远系统（1）来减小系统横向体积；

2.不需要复杂的物理光学元器件，直接采用伽利略式望远系统（2）进行局部扫描放大，局部放大的全视场是4°；

3.使用总光焦度为正的透镜组（8）和总光焦度为负的透镜组（9）构成摄远物镜（3）进行像质补偿。系统的成像质量好，结构简单。

表1（单位：mm）

Claims (2)

1.一种小凹成像光学系统，其特征在于：该光学系统包括在光的传播方向上，按顺序依次排列的前置倒装伽利略式望远系统(1)、扫描伽利略式望远系统(2)、聚焦系统(3)；前置倒装伽利略式望远系统由六片透镜组成，包括光焦度是负的双分离第一透镜组(4)，由双胶合透镜与后续两片透镜(5)组成的总光焦度是正的第二透镜组，第一透镜组和第二透镜组构成前置倒装伽利略式望远系统(1)，用于传递物方信息并压缩视场角；扫描伽利略式望远系统由三片透镜组成，包括总光焦度为正的双分离第三透镜组(6)，由后续一片透镜(7)构成的光焦度是负的第四透镜组，第三透镜组和第四透镜组构成扫描伽利略式望远系统(2)，用于对物方进行扫描实现局部放大功能；聚焦系统(3)由五片透镜组成，包括总光焦度是正的三分离第五透镜组(8)，总光焦度是负的双胶合第六透镜组(9)，光焦度为正的第五透镜组和光焦度为负的第六透镜组构成聚焦系统，并组成摄远物镜来对光线进行聚焦。

2.根据权利要求1所述的小凹成像光学系统，其特征在于：

1)、采用总光焦度为负的双分离球面透镜组(4)作为第一透镜组，对入射的光进行发散，再利用总光焦度为正的球面透镜组(5)作为第二透镜组，对总光焦度为负的第一透镜组透射的光进行准直，第一透镜组和第二透镜组组合形成了一个倒装伽利略望远系统(1)，从而将物方视场角32°×24°压缩至8°×6°；

2)、采用总光焦度为正的第三透镜组，对入射的光进行聚焦，再利用光焦度为负的第四透镜组，对总光焦度为正的第三透镜组透射的光进行二次准直，第三透镜组和第四透镜组组合形成了一个伽利略望远系统(2)，从而对物方扫描实现了光学局部放大；

3)、采用总光焦度为正的第五透镜组，对入射光进行聚焦，再利用总光焦度为负的第六透镜组，对总光焦度为正的第五透镜组(8)透射的光进行发散，第五透镜组和第六透镜组组合形成了一个摄远物镜的型式，能够校正之前透镜组的残余像差，从而获得成像质量高的图像。