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Abstract

一种DMD相机的成像光学系统，本系统由两部分组成，成像光学系统及中继光学系统。成像光学系统可以实现25.6‑30.72mm连续变焦的远心光路结构，中继光学系统采用优化了的双高斯结构，同时在中继光学系统中加入一个偏心透镜，用以校正偏心像差。系统中用TIR棱镜将两个光学系统分开，TIR棱镜由两个直角棱镜胶合而成，且胶合表面留有一定空气间隔。本发明专利适用于DMD相机的光学系统，以及包含有DMD且成像器件是CCD或CMOS的光学系统设计中。

Description

一种用于DMD相机的光学系统
技术领域
本发明专利涉及一种可见光成像光学系统，尤指包含有DMD的成像光学系统，即适用于DMD相机的可见光成像光学系统。
背景技术
专利号2014101077388的发明专利中所述及了一个DMD（Digital Micro-mirrorDevices）调制成像系统（DMD相机），该系统是将DMD引入到成像光学系统中，以实现对获得图像信息进行调制，屏蔽图像中的饱和区域，保证图像信息的完整。这对3D测量、监控、车载摄像以及机器视觉等领域都具有一定的应用价值。
光学系统是DMD相机的核心部分。由于DMD的引入，势必对原成像光学系统的设计产生影响。DMD是由美国TI公司研制生产的，它由成千上万微反射镜组成，每个微反射镜可以对角线为轴做±12º的偏转，是一个二维空间光调制器。目前，DMD最常见的应用是投影仪，其光学系统由照明光学系统和投影光学系统组成，只要保证照明的均匀性，即可满足使用要求，根据不同的设计方法和结构，投影光学系统的设计只需校正本身的像差即可。而本发明所述及的DMD相机光学系统其接收系统是成像器件，通常为CCD或CMOS。这对光学系统提出了更高的要求。
包含有DMD的光学系统基本有以下三种结构。
1.利用DMD微反射镜的工作原理设计光学系统
这种光学系统由两个光路组成，两个光轴夹角24º。这种光学系统最大的缺点就是两路光学系统的元件相互影响。虽然可以通过增加一路光学系统的后工作距离避免元件的相互干涉，但这也同时意味着光学系统设计的难度增加。
2.非远心光路结构
非远心光路结构的一路光学系统的出瞳位于DMD器件的有限远处，并与另一路光学系统的入瞳相匹配。这种光路结构利用场镜可以将两个光路分开，但是其中一个光路要设计成离轴光学系统。当成像器件是CCD/CMOS时，无疑增加了设计难度，甚至无法实现。
3.远心光路结构
远心光路结构中一路光学系统的出瞳位于DMD器件的无穷远处，即入射到DMD微反射镜上的光束入射角分布均匀，这对后续光学系统的设计具有一定的帮助。同时，利用TIR（Total Internal Reflection）棱镜对两个光路进行分光，可以保证两个光路的角度足够大，不用担心两个光路中的光学元件相互干涉的问题。同时，TIR棱镜的引入有助于缩短两个光学系统的后工作距离，降底光学系统设计难度。
基于以上几方面的考虑，本发明专利采用的是远心光路结构。一路光学系统为成像光学系统，将外界景象成像到DMD上。另一路光学系统是中继光学系统，连接DMD与CCD/CMOS。成像光学系统要满足远心光路结构，中继光学系统需要校正系统本身的像差外，还要校正成像光学系统中所引入的球差、慧差、像散、场曲、畸变等像差，还要校正由TIR棱镜所引入的色差。同时，系统还要考虑，满足成像光学系统的光轴垂直于DMD微反射镜“平”态时的法线方向时，意味着中继光学系统光轴与之夹角12º。此时，对于中继光学系统，物面（DMD）与光轴不垂直，倾斜的物面所成的像亦是倾斜的，所以，像面（CCD/CMOS）亦与光轴成一夹角。这些都给光学系统的设计增加了难度。
本发明专利提出一种DMD相机的光学系统，通过设计结果及实验分析，本光学系统的成像质量良好。适用于DMD相机的光学系统中。
发明内容
本发明专利采用远心光路结构，成像光学系统满足远心光路，同时，成像光路与中继光路用TIR棱镜分开。
1. 成像光学系统的设计
成像光学系统的作用是尽可能多的收集外界的光线，并成像到DMD器件上。本系统中选用的DMD型号是DLP7000，成像器件选用的是CCD，型号是SONY-ICX285。据此计算成像光学系统的设计参数。
F/#=f/D=1/2tan12º=2.4
由于系统对变倍光学系统没有过多的要求，考虑系统的功能，拟定水平视场为±14º和±12º，垂直视场为±11º和±10º。综上，可以确定变焦投影光学系统的焦距。
tanω=DDMD/f
两个视场的焦距分别为25mm和31mm。即本投影光学系统可在25-31mm连续变焦。
2. 中继光学系统
中继光学系统的设计要同时考虑校正系统本身的像差外，还要校正成像光学系统中所引入的球差、慧差、像散、场曲、畸变等像差，还要校正由TIR棱镜所引入的色差。同时，系统还要考虑，满足成像光学系统的光轴垂直于DMD微反射镜“平”态时的法线方向时，意味着中继光学系统光轴与之夹角12º。此时，对于中继光学系统，物面（DMD）与光轴不垂直，倾斜的物面所成的像亦是倾斜的，所以，像面（CCD/CMOS）亦与光轴成一夹角。
由于中继光学系统要校正的像差较多，所以采用双高斯结构。此外，考虑到中继光学系统的光轴与像面、物面有夹角，所以系统中一定存在偏心像差。故在中继光学系统中引入一个离轴偏心透镜，用以校正此类像差。
最终设计结果可见附图1.
为保证成像质量，将偏心透镜5设计成可微调的结构。
3. TIR棱镜
本发明专利中所设计的TIR棱镜是由两个直角棱镜胶合而成的。TIR棱镜充分利用了光从光密介质入射到光疏介质时会发生全反射的性质，通过精确计算棱镜对应斜边的倾斜角度，改变入射光线的光路走向。保证“开”态的入射光线全部进入投影光学系统，而“关”态的入射光线全部被反射出投影系统。为满足全反射条件，TIR棱镜在胶合时要保证在胶合面留有一定的空气间隔，通常为10µm以内。本发明专利中的空气间隔为9µm。同时，为保证系统的透过率，在棱镜的光学表面镀优质的增透膜。
4. 设计结果
本发明专利所述的DMD相机光学系统包含两部分，成像光学系统以及中继光学系统。
成像光学系统中包含11片透镜，中继光学系统10片透镜组成，一个滤光片，一组TIR棱镜所组成。
成像光学系统设计结果参数如下表
表1 成像光学系统设计结果
中继光学系统设计结果参数如下表。
表2 中继光学系统设计结果
本发明专利所述及的光学系统包含但不局限于所述的设计参数。
附图说明
附图1. DMD相机光学系统结构图。1.成像光学系统；2.DMD器件；3.中继光学系统；4.CCD；5.中继光学系统中偏心透镜；6.TIR棱镜。
附图2.光学系统MTF曲线图
附图3.光学系统弥散斑图。

Claims (5)

1.一种DMD相机可见光成像光学系统，利用TIR棱镜分光，包含有成像光学系统，中继光学系统，用于将成像光路与中继光路分开的TIR棱镜，滤光片，DMD，CCD/CMOS组成，成像光学系统采用远心光路结构，中继光学系统采用双高斯光路结构，且在中继光学系统中包含有一个偏心透镜，TIR棱镜由两个直角棱镜胶合而成，且胶合时两胶合面间有一定的空气间隔。
2.权利要求1所述及的成像光学系统工作波段为400-700nm。
3.权利要求1所述及的成像光学系统成像系统中包含有11片透镜，可实现25.6-30.72mm的连续变焦。
4.权利要求1所述及的成像光学系统中继光学系统中包含有10片透镜和一片滤光片，为定焦系统，系统总长213.5mm。
5.权利要求1所述及的成像光学系统中TIR棱镜胶合后留有的空气间隔为9μm。
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