CN104181675B - 利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统。包括同轴安装的全景透镜、置于全景透镜后方的后继透镜组和探测器，在全景透镜前方设有用于校正由光传播方向的前端透镜组，前端透镜组与全景透镜同轴，前端透镜组校正由前端透镜组前表面入射光的传播方向，全景透镜的第二反射面镀有一层光学薄膜，该光学薄膜使得从全景透镜外射到第二反射面的光只进行透射，并使从全景透镜内射到第二反射面的光只进行反射，入射光由前端透镜组折射再经全景透镜和后继透镜组后会聚成像到探测器面的盲区上。本发明具有弥补了常规折反射式全景光学系统成像存在盲区的缺陷，同时可以做到将不同波段的光同时成像的功能。

Description

利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像器件领域的一种成像系统，具体是涉及一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统。

背景技术

伴随着全景环带成像技术的不断发展，研究一种能够用全景环带成像系统来代替单视场系统的方法已经成为各个国家竞相研究的热点。全景环带成像光学系统是一种依托于自由曲面设计加工技术、数字图像处理技术和大面阵成像CCD/CMOS探测器技术发展起来的新型成像技术。

传统的单视场全景扫描成像技术是利用由单个成像镜头组成的系统旋转一周，获得一系列图像，或沿360°各个方向放置一组单镜头进行同时分别拍摄后，由计算机数字图像处理拼接而成的图像。前者缺点在于对同一时刻镜头无法同时拍摄到四周360°的图像，故这种方法的实时性欠佳，会出现时延差；而后者方法的缺陷在于在用计算机对数字图像进行处理拼接的时候，图像边界的拼接误差较难控制，容易造成图像的缺失或模糊等问题，使得这种单视场全景成像系统的稳定性和可操作性都有所降低。

相比于传统的单视场扫描全景成像镜头，全景环带成像系统可以在同一时刻一次性捕获四周360°范围内的图像，很好的解决了传统全景扫描成像镜头的时延差问题，同时在通过计算机数字图像处理全景环带成像系统图像时，只涉及到图像的展开技术，而不涉及图像拼接，因此图像拼接的误差问题也很好地得到了避免。

当前，针对全景环带成像技术主要有两种实现方式。一为基于反射式的全景环带成像法，其特征在于周围360°范围内的景物通过反射的方式进入光学系统，再经过一系列的光学元件优化像质，最终到达探测器表面进行成像；另一为基于折反射式的全景环带成像法，其特征在于周围景物通过折射的方式进入光学系统，在全景透镜内经过两次反射后出射，再经过后继光学元件优化像质，最终到达探测器表面进行成像。两种全景环带成像方式各有其优缺点，前者反射式全景光学元件的加工和装配较为复杂，但胜于结构较轻；后者折反射式全景光学元件的加工和装配相对容易，但实体材料结构较重。

针对常规折反射式全景环带成像光学系统，其光路走向如图1所示，入射光由第一透射面透射进入光学系统，由于不同介质存在折射率差，光线发生折射偏转；光线在各向同性透镜内部沿直线传播，到达第一反射面后发生反射；继续沿直线传播到达第二反射面处发生第二次反射；再沿直线传播到达第二透射面后，发生折射，出射出全景透镜；经过后继透镜组后，最终成像在探测器上，光学设计如图2所示。

虽然全景环带成像系统已经有了诸多超越传统视场成像系统的优势，但是它依旧存在着许多尚未解决的问题，比如全景环带成像系统的盲区问题。盲区的存在是折反射式全景环带成像系统的固有缺陷，它使得探测器的利用率大大降低，造成探测器中心区域的浪费，如图2所示。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，使得原本探测器中心无法成像的区域得以成像，以提高探测器的利用率，并有效地把两个处于不同波段的光利用同一套折反射式全景环带成像光学系统同时成像在一个探测器的不同区域内，且相互之间没有影响。

为实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括同轴安装的全景透镜、置于全景透镜后方的后继透镜组和探测器，全景透镜包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在全景透镜前方设有用于校正光传播方向的前端透镜组，前端透镜组与全景透镜同轴，前端透镜组校正由前端透镜组前表面入射光的传播方向，全景透镜的第二反射面镀有一层选择性光学薄膜，该光学薄膜使得从全景透镜外射到第二反射面的光只进行透射，并使从全景透镜内射到第二反射面的光只进行反射；前端透镜组前端入射的光由前端透镜组折射再依次经全景透镜的第二反射面和后继透镜组后会聚成像到探测器中心成像区域上；由全景透镜的第一透射面入射的光在全景透镜内部依次经第一反射面、第二反射面反射后，再经第二透射面折射出，然后经后继透镜组透射成像到探测器面的全景环带成像区域。

所述的全景透镜和后继透镜组使得由全景透镜第二反射面入射的光和第一透射面入射的光能同时传播。

所述的由全景透镜第二反射面入射的光和由第一透射面入射的光分别为不同波段的光线。

所述的前端透镜组由多片不同材料的光学透镜组合而成，使得由全景透镜第二反射面处入射的光能够传播。

所述的光学薄膜采用分光膜，按波长区域对光束进行选择性透反射。

所述的光学薄膜对由全景透镜第二反射面处入射的光进行选择性透射，对第一透射面处入射的光进行选择性反射。

本发明有益效果是：

本发明使得原本探测器中心无法成像的区域得以成像，以提高探测器的利用率。

本发明可有效地把两个处于不同波段的光利用同一套折反射式全景环带成像光学系统同时成像在一个探测器的不同区域内，且相互之间没有影响。

本发明具有弥补了现有技术中常规折反射式全景光学系统成像存在盲区的缺陷，同时可以做到将不同波段的光同时成像的功能。

附图说明

图1是现有技术成像系统结构示意图。

图2是现有技术探测器像面区域分布图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明的像面区域分布图。

图5是本发明的光路图。

图中：1、全景透镜，2、后继透镜组，3、探测器，4、前端透镜组，5、第一透射面，6、第一反射面，7、第二反射面，8、第二透射面，9、后继透镜组前表面，10、后继透镜组后表面，12、盲区，13、前端透镜组前表面，14、前端透镜组后表面，16、探测器中心成像区域，17、全景环带成像区域，18、探测器非成像区域。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图4所示，本发明的成像系统包括同轴安装的全景透镜1、置于全景透镜1后方的后继透镜组2和探测器3，全景透镜1上设有第一反射面6、第二反射面7、第一透射面5和第二透射面8，在全景透镜前方设有用于校正光传播方向的前端透镜组4，前端透镜组4与全景透镜1同轴，前端透镜组4校正由前端透镜组前表面13入射光的传播方向，全景透镜1的第二反射面7镀有一层选择性光学薄膜，该光学薄膜使得从全景透镜1外射到第二反射面7的光只进行透射，并使从全景透镜1内射到第二反射面7的光只进行反射；前端透镜组前表面13入射的光由前端透镜组4折射再依次经全景透镜1的第二反射面7和后继透镜组2后会聚成像到探测器中心成像区域16上，即为原来探测器（CCD或CMOS）面的盲区12上，该盲区12为现有成像系统中从第一透射面入射的光到达探测器所形成的盲区；由全景透镜1的第一透射面5入射的光在全景透镜内部依次经第一反射面6、第二反射面7反射后，再经第二透射面8折射出，然后经后继透镜组透射成像到探测器面的全景环带成像区域17。

如图4所示，全景透镜1和后继透镜组2共同作用产生光焦度，使得由全景透镜第一透射面入射的光线发生偏转，汇聚成像在全景环带成像区域17上。如图4所示，前端透镜组、全景透镜和后继透镜组共同作用产生光焦度，使得由全景透镜第二反射面入射的光线发生偏转，汇聚成像在探测器上的探测器中心成像区域16中。如图4所示，探测器其余周围区域为探测器非成像区域18。

现有技术中全景透镜第二反射面7镀有反射薄膜，在本发明的全景透镜中，第二反射面7处镀有一层光学薄膜为选择性光学薄膜，在第一反射面6处需镀一层反射薄膜，使光线传播到该面时发生反射，在第二反射面处镀的一层光学薄膜为选择性光学薄膜，该选择性光学薄膜为一种对某些波段范围内的光反射，而对另一些波段范围内的光透射的薄膜，当不同波段的光照射到该薄膜上时，进行选择性透过。

全景透镜1和后继透镜组2使得由全景透镜第二反射面入射的光和第一透射面入射的光能同时传播。由全景透镜第二反射面入射的光和由第一透射面入射的光分别为不同波段的光线。

在本发明中，前端透镜组可以由放置于全景透镜前的多片不同材料的光学透镜组合而成，提供光焦度，使得由前端透镜组前侧表面透射进入光学系统的光线传播方向发生偏转。

前端透镜组各透镜的材料需同时满足由前端透镜组前侧表面入射波段光在其内部进行传播的条件。

在本发明中，光学薄膜为波长分光膜，又叫双色分光膜，它是按波长区域对光束进行选择性透反射的光学薄膜，需能够使得从全景透镜外射到第二反射面的光只进行透射，并使从全景透镜内射到第二反射面的光只进行反射。

光学薄膜对由全景透镜第二反射面处入射的光进行选择性透射，对第一透射面处入射的光进行选择性反射。

全景透镜和后继透镜组选用可以使前述光学薄膜透射与反射两个不同波段光同时传播的材料。

在本发明中，前端透镜组由一系列处于同一光轴上的透镜组成：与其后侧的全景透镜、后继透镜组一起产生光焦度，使得由前端透镜组第一片透镜前表面入射的低视场光线发生方向偏转后，最终成像在探测器光敏面处。优选的前端透镜组4如图3所示，具有前端透镜组前表面13和前端透镜组后表面14。

后继透镜组由一系列处于同一光轴上的透镜组成：对于由全景透镜出射后经空气介质进入后继透镜组的光，后继透镜组为其提供一定的光焦度，使得光线传播方向发生部分偏转，从后继透镜组出射后汇聚于探测器光敏面位置（即像面位置）。优选的后继透镜组2如图3所示，具有后继透镜组前表面9和后继透镜组后表面10。

在本发明中，上述所指的探测器光敏面即指探测器接收光能量，并将其转化为电信号的表面，在本发明中与成像像面一致。

本发明的工作原理如下：

对于全景透镜所镀光学薄膜选择性反射波段的光，从全景透镜侧方较高视场（通常大于30°半视场角）照射在全景透镜第一透射面处，由于空气与全景透镜材料介质之间存在折射率差，该波段光能够折射进入光学系统；由于全景透镜材料为各向同性介质，光线在全景透镜内沿直线传播，到达全景透镜第一反射面处；第一反射面上镀有反射薄膜，光线在此处发生反射后，继续沿直线传播，到达第二反射面处；由于第二反射面镀有对该波段反射的光学薄膜，光线在此处发生第二次反射后，继续沿直线传播，到达第二透射面处；光线在此处再次发生折射，离开全景透镜进入空气介质；光线在空气中沿直线传播进入后继透镜组，后继透镜组各透镜的材料均为各项同性材料且与空气存在折射率差，使得光线在后继透镜组中发生了一系列折射效应，最终离开后继透镜组到达探测器的光敏面；

对于前述全景透镜所镀光学薄膜选择性透射波段的光，从前端透镜组前方较低视场（通常小于30°半视场角）照射在前端透镜组第一片透镜前表面处，由于空气与前端透镜组第一片透镜材料介质之间存在折射率差，该波段光能够折射进入光学系统；由于前端透镜各镜片材料均为各向同性介质，光线在前端透镜组内沿直线传播，到达前端透镜组最后一片透镜后表面处光线出射，在空气中沿直线传播后，到达全景透镜第二反射面处；由于全景透镜第二反射面上镀有对该波段光透射的薄膜，光线在此处发生透射现象，使得光线折射进入全景透镜，继续沿直线传播到达第二透射面处，光线在此处再次发生折射，离开全景透镜进入空气介质；之后光线在空气中沿直线传播进入后继透镜组，后继透镜组各透镜的材料均为各项同性材料且与空气存在折射率差，使得光线在后继透镜组中发生了一系列折射效应，最终离开后继透镜组到达探测器的光敏面；

对于前述全景透镜第一透射面的入射光，成像于探测器光敏面的外围环状区域内；对于前述前端透镜组第一片透镜前的入射光，成像于探测器光敏面的中心圆形区域内；探测器光敏面外围环状区域的内圆半径不能小于中心圆形区域的半径值，保证探测器光敏面上不出现两个不同波段光成像的重叠区域；同时探测器光敏面外围环状区域的内圆半径不应过大于中心圆形区域的半径值，以避免探测器光敏面上不出现环形盲区，使得探测器得到最大利用，如图5所示。

本发明的实施例如下：

实施例1：

根据本发明系统的结构构建光路，其中光学波段选择：A光450nm、B光650nm；光学薄膜采用对450nm波段光截止，并发生反射，对650nm波段光滤过，并发生透射的波长分光膜。

全景透镜1选用牌号为F5的玻璃，后继透镜组2选用牌号为QK3、F7的两种玻璃，450nm的A光和650nm的B光均可以在上述三种玻璃种进行传播。

前端透镜组4选用牌号为LAF3、LAK3的两种玻璃，650nm的B光可以在上述两种玻璃中进行传播。

450nm波段的A光从全景透镜第一透射面5处入射进入光学系统，后遇全景透镜第一反射面6发生反射后折回，再遇全景透镜第二反射面7，由于全景透镜第二反射面7上镀有一层让450nm波段光发生反射的光学薄膜，使得该光反射后由第二透射面8出射，后经后继透镜组2校正光线传播方向，最终汇聚成像于探测器像面靠外侧的全景环带成像区域17中。

650nm波段的B光从前端透镜组前表面13处入射进入光学系统，经由前端透镜组4后，光线方向发生部分偏转，到达全景透镜第二反射面7处，由于全景透镜第二反射面7上镀有一层让650nm波段光发生透射的光学薄膜，使得该光透射进入全景透镜1，再经后继透镜组2校正光线传播方向，最终汇聚成像于探测器像面上由450nm波段光成像所形成的盲区12中。

实施例2：

根据本发明系统的结构构建光路，其中光学波段选择：A光355nm、B光800nm；光学薄膜采用对355nm波段光截止，并发生反射，对800nm波段光滤过，并发生透射的波长分光膜。

全景透镜1选用牌号为F_SILICA的玻璃，后继透镜组2选用牌号为CAF2、PBL1Y、SAPPHIRE的三种玻璃，355nm的A光和800nm的B光均可以在上述四种玻璃种进行传播。

前端透镜组4选用牌号为F_SILICA、QF5的两种玻璃，800nm的B光可以在上述两种玻璃中进行传播。

355nm波段的A光从全景透镜第一透射面5处入射进入光学系统，后遇全景透镜第一反射面6发生反射后折回，再遇全景透镜第二反射面7，由于全景透镜第二反射面7上镀有一层让355nm波段光发生反射的光学薄膜，使得该光反射后由第二透射面8出射，后经后继透镜组2校正光线传播方向，最终汇聚成像于探测器像面靠外侧的全景环带成像区域17中。

800nm波段的B光从前端透镜组前表面13处入射进入光学系统，经由前端透镜组4后，光线方向发生部分偏转，到达全景透镜第二反射面7处，由于全景透镜第二反射面7上镀有一层让800nm波段光发生透射的光学薄膜，使得该光透射进入全景透镜1，再经后继透镜组2校正光线传播方向，最终汇聚成像于探测器像面上由355nm波段光成像所形成的盲区12中。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，包括同轴安装的全景透镜（1）、置于全景透镜（1）后方的后继透镜组（2）和探测器，全景透镜（1）包括第一透射面（5）、第一反射面（6）、第二反射面（7）和第二透射面（8），其特征在于：在全景透镜（1）前方设有用于校正光传播方向的前端透镜组（4），前端透镜组（4）与全景透镜（1）同轴，前端透镜组（4）校正由前端透镜组前表面（13）入射光的传播方向，全景透镜（1）的第二反射面（7）镀有一层选择性光学薄膜，该光学薄膜使得从全景透镜（1）外射到第二反射面（7）的光只进行透射，并使从全景透镜（1）内射到第二反射面（7）的光只进行反射；前端透镜组前端入射的光由前端透镜组（4）折射再依次经全景透镜（1）的第二反射面（7）和后继透镜组（2）后会聚成像到探测器中心成像区域（16）上；由全景透镜（1）的第一透射面（5）入射的光在全景透镜（1）内部依次经第一反射面（6）、第二反射面（7）反射后，再经第二透射面（8）折射出，然后经后继透镜组（2）透射成像到探测器面的全景环带成像区域（17）；

所述的由全景透镜（1）第二反射面（7）入射的光和由第一透射面（5）入射的光分别为不同波段的光线。

2.根据权利要求1所述的一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，其特征在于：所述的全景透镜（1）和后继透镜组（2）使得由全景透镜（1）第二反射面（7）入射的光和第一透射面（5）入射的光能同时传播。

3.根据权利要求1所述的一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，其特征在于：所述的前端透镜组（4）由多片不同材料的光学透镜组合而成，使得由全景透镜（1）第二反射面（7）处入射的光能够传播。

4.根据权利要求1所述的一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，其特征在于：所述的光学薄膜采用分光膜，按波长区域对光束进行选择性透反射。

5.根据权利要求4所述的一种利用光学薄膜实现折反射式无盲区全景环带成像系统，其特征在于：所述的光学薄膜对由全景透镜（1）第二反射面（7）处入射的光进行选择性透射，对第一透射面（5）处入射的光进行选择性反射。