CN103969800B - 一种长焦型全景环形成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长焦型全景环形成像镜头。它一共由十一片球面透镜构成，包括全景环形透镜组和转像透镜组。全景环形透镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，采用特殊的三胶合全景环形透镜结构；转像透镜组由八片透镜构成，其中含负弯月透镜、第一正透镜、两个双胶合透镜。这种长焦型全景环形成像镜头满足f‑θ物像关系，具有高分辨率、超大视场(水平方向360°、垂直方向60°)和良好的成像质量等特点；同时所采用的玻璃均为普通光学玻璃，不含特种玻璃和氟化钙；镜头结构工艺性良好，有利于加工和降低成本。

Description

一种长焦型全景环形成像镜头

技术领域

本发明属于光学成像镜头技术领域，涉及一种长焦型全景环形成像镜头，特别是一种具有高分辨率、(40°-100°)×360°的超大视场和良好的成像质量的长焦型全景环形镜头。

背景技术

目前，现有的广角成像镜头无法满足360°全方位获取目标信息的要求。早期的全景成像基本都是用旋转拼接法实现的。旋转拼接法包含单镜头旋转扫描成像和多镜头凝视成像两种形式。单镜头旋转扫描成像是指通过采用单个普通的光学镜头绕着垂直于光轴的机械轴旋转一周进行全景扫描，再通过图像拼接软件进行无缝隙拼接获得全景图像。但是单镜头旋转扫描成像存在一个扫描周期，实时性比较差。多镜头凝视成像是采用许多相同的光学镜头在一周的各个方位进行静态拍摄，将得到的图像进行序列拼接来获取全景图像。虽然多镜头凝视成像是静态拍摄，实时性相对较高，但是比较庞大，成本太高，不利于大量推广应用。鱼眼镜头的视场一般可以达到半球，甚至超过半球。此镜头是传统摄影镜头里视场最大的一种镜头，其结构依然采用广角镜头经常使用的反远距结构，包括负光焦度的前组和正光焦度的后组两个部分，但是其前组和后组要比普通的广角镜头复杂很多，系统设计难度大。用鱼眼镜头得到的图片存在很大的桶形畸变，越靠近边缘畸变越明显。单反射面折反射全景成像是在相机前添加一个反射镜来实现全景成像的，这种成像技术的反射镜的面型需要满足单视点要求。反射镜的加工与安装是其技术难点，尺寸过大是系统存在的缺点。而全景环形透镜成像是采用一个比较特殊的全景环形透镜结构实现全景成像的，其结构紧凑、集成度高、尺寸可以做的很小。

目前很多领域的全景环形透镜成像系统的分辨率都比较低，在实现全景成像时，分辨率是成像系统的一个很重要的光学性能参数。高分辨需要长焦距，系统具有高分辨率就能够识别距离更远和更小的物体。在远景监测、远距离目标探测等一些高分辨场合，我们需要利用长焦型全景环形透镜成像结构。

在先技术中，有一种全景成像镜头(参见“一种全景成像镜头”专利号：CN201110413581.8)具有相当的优点。但是，存在本质不足：(1)全景环形透镜的第一折射面和第一反射面为自由曲面，与球面相比加工难度更大，采用的PMMA工程塑料热膨胀系数大，表面硬度较差，易于擦伤；(2)最后一块透镜的第一面曲率半径比较小，轴外光线以较大的入射角进入透镜，过多的光能被损失，降低了像面的照度，不利于成像质量的提高。此外，最后一块透镜近似平凸透镜，厚度比较大，增加了镜头的重量与成本；(3)全景成像镜头的相对孔径和垂直视场均较小，光学性能需进一步提高；(4)系统的后工作距离短，不利于保护玻璃、滤光片及其它机械结构的安装。

发明内容

本发明为了解决已有技术所存在的问题，提供了一种长焦型全景环形成像镜头，具有分辨率高、视场大，相对孔径大、后工作距离长等特点；同时所采用的玻璃均为普通光学玻璃，不含氟化钙和特种玻璃；镜头结构工艺性良好，有利于加工和降低成本。

本发明的基本构思：为了扩大全景环形成像镜头的视场和孔径，在单片式全景环形透镜的基础上加入胶合面，并在其后表面胶合一块平凸透镜形成三胶合全景环形透镜组，采用F2、ZK7和LAF3三种玻璃搭配，再通过弯曲透镜来充分减少透镜组的像差。在转像透镜组中引入两个双胶合透镜，两个不同弯向的胶合面分别用来校正整个镜头的高级像散和高级轴外球差。合理分配转像透镜组各透镜的光焦度，使光束在透镜表面都以小角度入射。通过在负弯月透镜后面密接正透镜来调整转像透镜组主面位置，使镜头近似满足远心结构来提高像面照度均匀性和增大后工作距离。

基于以上技术问题，本发明所采用的技术方案为：本发明提供的一种长焦型全景环形成像镜头，一共由十一片球面透镜构成，包括全景环形透镜组和转像透镜组。全景环形透镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；全景环形透镜组有六个面，且均为球面，其中包括背向物方的第一折射面、朝向物方的第一内反射面、背向物方的第一胶合面、朝向物方的第二内反射面、面型为平面的第二胶合面、朝向物方的第二折射面，第一折射面的中心内环边缘与第一内反射面的外环边缘相接，第二内反射面的中心内环边缘与第二胶合面的外环边缘相接。第一内反射面和第二内反射面镀高反膜，第一折射面和第二折射面镀增透膜。转像透镜组由绕光轴旋转对称的八片透镜构成，包括第二正透镜、第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜、负弯月透镜和第一正透镜，其中第二正透镜、第一负透镜相互胶合，第二负透镜、第三正透镜相互胶合，所述的全景环形透镜组采用三胶合全景环形透镜结构，即把单块全景环形透镜的后表面做成平面，在中间插入一个胶合面，再在后表面胶合一个平凸透镜而形成的。

全景环形透镜组的第一胶合面弯向光阑，主要用来矫正垂轴色差；第二胶合面为平面，方便加工；第二折射面主要用来校正全景环形透镜组的像散和场曲。该全景环形透镜组有两个内反射面区域，第一内反射面位于第一透镜左表面的中心区域，第二内反射面位于第二透镜右表面的非中心区域，其中第一内反射面和第二内反射面镀高反膜，第一折射面和第二折射面镀增透膜。光阑位于全景环形透镜组和转像透镜组之间。转像透镜组由八片透镜构成，其中含有负弯月透镜、第一正透镜和两个双胶合透镜。第一正透镜用以降低主光线入射角度、增加后工作距离。较长的后工作距离确保了其它零件的安装空间。像面上采用CCD接受图像。全景环形透镜组采用特殊的三胶合全景环形透镜结构，增加了全景环形透镜的像差校正自由度，更有利于补偿与转像透镜组之间的像差。

本发明系统的工作波段为可见光，如表1所示，焦距为8mm，系统相对孔径为3.2，视场范围为(40°-100°)×360°，系统第一面到像面距离即光学总长为141.55mm，后工作距离为26.292mm。本发明成像系统的视场和孔径都很大，较长的后工作距离确保了其它零件的安装空间。系统的光路是准远心光路，像方主光线与光轴夹角很小，保证了像面照度的均匀性。

本发明相对现有技术具有的优点和有益效果为：

1)本发明所有透镜均为球面透镜，只采用F2、ZF6、ZK7、LAF3、LAF4五种玻璃，不含萤石，结构工艺性良好，有利于加工和降低成本。

2)本发明采用了三胶合全景环形透镜组，大大减小了色差、像散和场曲，能够承担更大的垂直视场和相对孔径。

3)本发明转像透镜组采用两个光组，光焦度满足负正负正的分配原则，光线在各个空气表面均以小角度入射，从而减少光能损失，提高像面照度，达到更好的成像质量。

4)本发明在负弯月透镜后密接第一正透镜，使得转像透镜组主面后移，系统近似满足像方远心光路，增大了后工作距离且提高了像面照度均匀性。

5)本发明可以在远景监控、军事目标探测等领域得到应用。

附图说明

图1为本发明长焦型全景环形成像镜头结构示意图；

图2为本发明全景环形透镜组的结构示意图；

图3为本发明转像透镜组的结构示意图；

图4为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统的成像光路图；

图5为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统的传递函数曲线图；

图6为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统的点列图；

图7为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统的场曲和f-θ畸变曲线图；

图8为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统的像面相对照度曲线图；

图9为本发明长焦型全景环形成像镜头成像系统垂轴色差图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，以下实施例有助于对本发明的理解，是比较好的应用实例，但不应看作是对本发明的限制。

如图1所示，本发明为一种长焦型全景环形成像镜头，包括全景环形透镜组a和转像透镜组b。全景环形透镜组a包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3。全景环形透镜组a采用特殊的三胶合全景环形透镜结构。转像透镜组b包括八片透镜，包括第三负透镜5、第二正透镜6、第一负透镜7、第四正透镜8、第二负透镜9、第三正透镜10、负弯月透镜11以及第一正透镜12，其中第二正透镜6与第一负透镜7相互胶合，第二负透镜9与第三正透镜10相互胶合。

光阑4位于全景环形透镜组a和转像透镜组b之间，用于控制全景环形透镜组a的成像光束口径，使参与成像的光线进入转像透镜组b，不参与成像的那部分光线被光阑4挡在外面。

如图2所示，全景环形透镜组a有六个面，且均为球面，其中包括背向物方的第一折射面14，朝向物方的第一内反射面15，背向物方的第一胶合面16，朝向物方的第二内反射面17，面型为平面的第二胶合面18，朝向物方的第二折射面19，其中第一折射面14的中心内环边缘与第一内反射面15的外环边缘相接，第二内反射面17的中心内环边缘与第二胶合面18的外环边缘相接。第一内反射面15、第二内反射面17镀高反膜，第一折射面14、第二折射面19镀增透膜。第一折射面14用来矫正f-θ畸变，优化后f-θ畸变可以控制在±2％以内；对光路有严格的限制，使得仅有限宽度的从特定位置入射的光束才能通过系统成像；第一内反射面15可以矫正像差，它的半径对像散和慧差的影响是最大的，对场曲的影响也很大。第一胶合面16弯向光阑4，主要用来校正垂轴色差。第二内反射面17的半径是全景环形透镜组a中最小的，对场曲和f-θ畸变的影响很大，还影响着光束在第一内反射面15和第二折射面19的正常投射以及内边缘视场的光束在第一折射面14的正常入射，因此它的半径变化范围不大，和第二折射面19的半径是一起变化的，用来校正部分场曲和f-θ畸变。第二胶合面18为平面，方便加工。第二折射面19主要用来校正全景环形透镜组a的像散和场曲。全景环形透镜组a采用特殊的三胶合全景环形透镜结构，即把单块全景环形透镜的后表面做成平面，在中间插入一个胶合面，再在后表面胶合一个平凸透镜而形成的。这种结构增加了全景环形透镜组a的像差校正自由度，更有利于补偿与转像透镜组b之间的像差。引入的第一胶合面16和第二胶合面18使得垂轴色差可以矫正到更小，可变的出射面曲率半径能使像散矫正，同时匹兹伐场曲也减小了很多。全景环形透镜组a所使用的玻璃如表2所示，使用高折射率、低色散的ZK7，有利于校正高级像差。

如图3所示，转像透镜组b包括八片透镜，含两个双胶合透镜。转像透镜组b的八片透镜绕光轴旋转对称，每个球面透镜都有自己独立的厚度、阿贝数、折射率、外径尺寸、曲率半径。其中第二正透镜6和第一负透镜7相互胶合，可以矫正高级球差；第二负透镜9和第三正透镜10相互胶合，可以矫正高级像散；负弯月透镜11用来矫正系统场曲；第一正透镜12用以降低主光线入射角度、，增加后工作距离。较长的后工作距离确保了其它零件的安装空间。所用的两个双胶合透镜对色差矫正也是有利的。转像透镜组b的放大倍率在0.5～0.6。转像透镜组b所使用的玻璃如表2所示，使用高折射率、高色散的ZF6可以降低高级像差，LAF4与正常玻璃的直线较远，可以降低系统的二级光谱。第二正透镜6和第一负透镜7的折射率之差为0.12，可以降低系统的高级像差。

其光学成像路径如图4所示，光线以(40°-100°)×360°的角度由第一折射面14入射到全景环形透镜组a，通过第一胶合面16，依次经过第二内反射面17和第一内反射面15两次反射后，光束处于发散状态，然后透过第二胶合面18，再通过第二折射面19从全景环形透镜组a中折射出来，经过光阑4对光束口径进行限制，使参与成像的那部分光线入射到转像透镜组b。压缩视场角，生成的像为虚像，虚像位于全景环形透镜组a的左边；转像透镜组b再将虚像转换成缩小的实像。全景环形透镜组a的出瞳与转像透镜组b的入瞳重合，转像透镜组b对全景环形透镜组a进行像差补偿。成像光线经过转像透镜组b可以校正和消除光线残留的像差。位于像面13处的光学图像由CCD接收。从图可以看出，像方主光线与光轴夹角很小，即准远心光路，这样保证了像面照度的均匀性。

如图5所示，长焦型全景环形成像镜头的传递函数曲线，图中最上方的曲线是衍射极限传递函数曲线，其它曲线分别为各视场子午方向和弧矢方向的传递函数曲线。由图可知，镜头各视场各色光的传递函数在80lp/mm处的值均大于0.6，接近衍射极限，且传递函数曲线非常集中，传递函数值的一致性在0.1以内，成像质量良好。

如图6所示，从长焦型全景环形成像镜头的点列图中可看出，40°、55°、70°、85°这四个参考视场的均方根半径均在3μm左右，最大视场100°弥散斑的均方根半径为4.382μm。

如图7所示，从长焦型全景环形成像镜头的场曲和f-θ畸变曲线可以看出，整个视场在84°时有最大f-θ畸变值-2.8％，近似满足线形成像。

如图8所示，从长焦型全景环形成像镜头的像面相对照度曲线中可以看出，最大视场的相对照度值为0.95，整个像面的照度非常均匀。

如图9所示，从长焦型全景环形成像镜头垂轴色差曲线可以看出，垂轴色差最大值为1.6μm，在艾里斑范围之内，色差校正良好。

本实施例提出了长焦型全景环形成像镜头的技术参数和相关结构参数，如下表1和表2所示。

表1长焦型全景环形成像镜头的技术参数

表2长焦型全景环形成像镜头的结构参数

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用本发明的相似结构、方法及其相似变化方式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种长焦型全景环形成像镜头，一共由十一片球面透镜构成，包括全景环形透镜组(a)和转像透镜组(b)；所述的全景环形透镜组(a)包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)；所述的全景环形透镜组(a)有六个面，且均为球面，其中包括背向物方的第一折射面(14)、朝向物方的第一内反射面(15)、背向物方的第一胶合面(16)、朝向物方的第二内反射面(17)、面型为平面的第二胶合面(18)、朝向物方的第二折射面(19)，所述的第一折射面(14)的中心内环边缘与所述的第一内反射面(15)的外环边缘相接，所述的第二内反射面(17)的中心内环边缘与所述的第二胶合面(18)的外环边缘相接，所述的第一内反射面(15)、所述的第二内反射面(17)镀高反膜，所述的第一折射面(14)、所述的第二折射面(19)镀增透膜；所述的全景环形透镜组(a)采用三胶合全景环形透镜结构，即将单块全景环形透镜的后表面做成平面，在中间插入一个胶合面，再在后表面胶合一个平凸透镜而形成的；所述的全景环形透镜组(a)往右依次是光阑(4)和转像透镜组(b)；所述的光阑(4)距离全景环形透镜组(a)的第三透镜(3)像方顶点1.6～2.4mm，距离转像透镜组(b)第一面顶点1.6～1.8mm；所述的转像透镜组(b)由绕光轴旋转对称的八片透镜构成，从左到右依次包括第一正透镜(5)、第二正透镜(6)、第一负透镜(7)、第三正透镜(8)、第二负透镜(9)、第四正透镜(10)、第三负透镜(11)和第五正透镜(12)，其中所述的第二正透镜(6)以及所述的第一负透镜(7)相互胶合，所述的第二负透镜(9)以及所述的第四正透镜(10)相互胶合；其中由第一正透镜(5)，第二正透镜(6)和第一负透镜(7)胶合成的胶合透镜以及第三正透镜(8)构成密接透镜组，它们之间的空气间隔不超过0.2mm；第三正透镜(8)和第二负透镜(9)之间的空气间隔为15～17.5mm，第四正透镜(10)和第三负透镜(11)的空气间隔为6～8mm，第三负透镜(11)和第五正透镜(12)的空气间隔不超过0.2mm；其中所述的全景环形成像镜头，其像面(13)位置满足：24≤BFL≤28，其中BFL为所述镜头的后截距，即转像透镜组(b)的第五正透镜(12)像方顶点到像面(13)的距离。