CN106168704A - 一种无中央盲区的全景成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无中央盲区的全景成像镜头，从物侧起沿着光轴方向依次包括：调整透镜(22)，半透半反镜(23)以及凹面反射镜(24)，该凹面反射镜(24)的中央具有圆孔(241)，该调整透镜(22)，该半透半反镜(23)与该凹面反射镜(24)以光轴为旋转对称轴，其中，该调整透镜(22)用于会聚原中央盲区内的物体发出的光线；该凹面反射镜(24)用于将原中央盲区外的物体发出的光线反射至该半透半反镜(23)；该半透半反镜(23)用于将来自该调整透镜(22)的入射光线进行透射并穿过该凹面反射镜(24)的圆孔(241)，以及用于将来自该凹面反射镜(24)的反射光线反射并穿过该凹面反射镜(24)的圆孔(241)，从而该来自该调整透镜(22)的光线与自该凹面反射镜(24)的光线在焦平面上成像。

Description

一种无中央盲区的全景成像镜头

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，尤其涉及一种无中央盲区的全景成像镜头。

背景技术

全景环带光学镜头的光学视场可以认为是由两个方向的光学视场组成。在笛卡尔极坐标系内，一个方向的光学视场位于XOY平面内，即方位角方向的视场大小为360°；而另一个方向的光学视场的大小为系统俯仰角度差值。这样的环带光学镜头能够对在XOY平面中的360°环带视场内的景物成像，达到特殊的全景成像效果。

目前，全景环带镜头的形式有多种，主要包括折射式与反射式。反射式全景环带镜头包括两片反射式全景镜头。图1为示出现有的两片(二次)反射式全景镜头的主要结构及中央盲区视场的示意图。如图所示，两片反射式全景镜头从物侧依次包括第一凹面反射镜11、第二凹面反射镜12以及中继透镜组13。第一凹面反射镜11的中央具有圆孔14。第一凹面反射镜11与第二凹面反射镜12以光轴O(光学系统的对称轴)为中心旋转对称。

如图1所示，在全景成像时，通常视场中的光线(光线I)经由第一凹面反射镜11反射至第二凹面反射镜12，再由第二凹面反射镜12反射通过凹面反射镜11中央的圆孔14，并通过该圆孔14后方的中继透镜组13进行像差校准，然后在焦平面15上成像。

但是，由于第二凹面反射镜12自身尺寸的限制，使得图中所示的入射光线II与入射光线III所围成的阴影区域中物体发出的光线无法经过上述二次反射而在焦平面上成像。这样，在位于焦平面上的探测器(未图示)中央有一块圆形区域上没有光线聚焦，从而最终获得的视场图像为一个圆环(环带)，而环带的正中心成为了盲区(黑斑)。也就是说，图1中所示中央光轴O与入射光线II所成的夹角α即为所述中央视场盲区的范围。这一中央盲区不仅影响成像的完整、美观，同时也导致安防、监视等实际应用领域中的安全性大大降低了。

因此，亟需一种无中央盲区的全景成像镜头。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、体积小巧、无中央盲区的全景成像镜头。

本发明的无中央盲区的全景成像镜头，从物侧起沿着光轴方向依次包括：调整透镜，半透半反镜以及凹面反射镜，所述凹面反射镜的中央具有圆孔，所述调整透镜，所述半透半反镜与所述凹面反射镜以光轴为旋转对称轴，其中，所述调整透镜用于会聚原中央盲区内的物体发出的光线；所述凹面反射镜用于将原中央盲区外的物体发出的光线反射至所述半透半反镜；所述半透半反镜用于将来自所述调整透镜的入射光线进行透射并穿过所述凹面反射镜的圆孔，以及用于将来自所述凹面反射镜的反射光线反射并穿过所述凹面反射镜的圆孔，从而来自所述调整透镜的光线与来自所述凹面反射镜的光线在焦平面上成像。

优选地，调整透镜的曲率半径被设计为使得通过调整透镜的光线在焦平面上的成像光斑直径不大于原中央盲区的成像光斑直径。

优选地，所述调整透镜的曲率半径和/或所述半透半反镜的曲率半径和/或所述调整透镜的与所述半透半反镜之间的距离被设计为使所述来自所述调整透镜的光线与自所述凹面反射镜的光线在同一焦平面上成像。

优选地，本发明的全景成像镜头还包括设置于调整透镜和所述半透半反镜外部的遮光部，所述遮光部被设计为使得入射至所述调整透镜并且能够在所述焦平面上成像的光线的最大入射角等于所述原中央盲区的视角。

优选地，遮光部为在光轴方向上具有规定长度的遮光圆筒。

优选地，遮光圆筒具有容易吸收光线的材质。

优选地，调整透镜的镜面为球面或非球面，所述半透半反透镜的镜面为球面或非球面，所述凹面反射镜的镜面为球面或非球面。

优选地，本发明的全景成像镜头还包括中继透镜组，其用于将穿过所述凹面反射镜的圆孔的光线进行像差校正。

优选地，本发明的全景成像镜头还包括设置于调整透镜和所述半透半反镜外部的镜头保护罩21，用于固定所述调整透镜和所述半透半反镜的位置和两者之间的距离。

优选地，本发明的全景成像镜头还包括设置于所述凹面反射镜与所述中继透镜组周围的机械结构，用于固定所述凹面反射镜与所述中继透镜组的位置和两者之间的距离。

根据本发明的包括调整透镜、半反半透镜、以及凹面反射镜所组成的成像镜头具有以下有益效果。

根据本发明，在所述镜头的光学视场中，由于调整透镜与半透半反镜对视场的补偿，相对于一般全景环带成像镜头，本发明能够真正实现360度全景无中央盲区(死角)成像。并且，本发明在现有全景成像镜头的基础上引入调整透镜及半透半反镜，因而结构简单、成本低廉、体积紧凑小巧。

根据本发明，在所述镜头的光学视场中，光线只经过一面高反镜，一面半透半反镜及一面调整透镜，能量损耗相对较低，光学效率足以达到探测要求。

根据本发明，在所述镜头的光学视场中，光线只经过一面高反镜，一面半透半反镜及一面调整透镜，从而因透镜产生的色差较低，同时也降低了中继透镜组对色差校正的难度。

附图说明

图1为示出现有的两片反射式全景镜头的主要结构及中央盲区视场的示意图。

图2为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的结构示意图。

图3为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的分解示意图。

图4为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的光路示意图，图4(a)为反射光路示意图，图4(b)为透射光路示意图。

图5为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的中央视场光路约束示意图。

符号说明：

11 第一凹面反射镜

12 第二凹面反射镜

13、25 中继透镜组

14、241 圆孔

15、26 探测元件(焦平面)

21 镜头保护罩

22 调整透镜

23 半透半反透镜

24 凹面反射镜

27 机械支撑结构

28 遮光部(遮光圆筒)

具体实施方式

以下，将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

图2为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的结构示意图。图3为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的分解示意图。图5为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的中央视场光路约束示意图。

如图2、3所示，本发明一实施例的无中央盲区全景成像镜头，从物侧起沿着光轴方向依次包括：镜头保护罩21，设置在调整透镜22和半透半反镜23外部的遮光圆筒28，调整透镜22，半透半反镜23，中央具有圆孔241的凹面反射镜24，中继透镜组25，探测元件(焦平面)26以及机械支撑结构27。上述部件均以光轴O(光学系统的对称轴)为中心旋转对称。下面对上述部件进行逐一详细说明。

其中，调整透镜22用于会聚原中央盲区内的物体发出的光线从而使其聚焦在焦平面26上。本实施例中，调整透镜22为两面均为凸面的透镜。在另外的实施例中，也可以采用一面为凹面而另一面为凸面的透镜。本发明中调整透镜22为具有正屈光度的透镜。调整透镜22的镜面可以为球面或非球面。

透镜22可根据对光路成像位置的要求、像差范围的要求等而选择合适的曲率半径。需要注意的是，本发明中，调整透镜22的曲率半径被设计为使得通过调整透镜22的光线在焦平面26上的成像光斑直径不大于原盲区(背景技术中所述的中央盲区或黑斑)的直径。这样可以避免与通过凹面反射镜24的光线重叠成像。调整透镜22的像差最优化曲率半径函数可通过计算机数值迭代来计算，固定调整透镜22与半透半反镜23之间的距离，半透半反镜23的曲率半径函数，可以计算出像差最小时的调整透镜22的曲率半径函数。

凹面反射镜24用于将原中央盲区外的物体发出的光线反射至半透半反镜23，即使通常视场范围内的光线经凹面反射镜24全部反射至半透半反镜23。本实施例中，凹面反射镜24为内凹圆形环带高反镜面。凹面反射镜24采用球面或非球面镜面，都能够实现成像。在对像差的要求不是很高的情况下，可以选取球面镜面，同时计算机迭代计算曲率半径函数相对简单。在对像差要求较严格的情况下，可采用非球面镜面，此时镜面曲率半径函数的计算相对复杂。

半透半反镜23用于将来自调整透镜22的入射光线进行透射并穿过凹面反射镜24的圆孔241，以及用于将来自凹面反射镜24的反射光线反射并穿过凹面反射镜24的圆孔241，从而来自所述调整透镜22的光线与自凹面反射镜24的光线在焦平面上成像。本实施例中，半透半反透镜3为内凹圆形镜面。同样，半透半反透镜23可以采用球面，非球面或平面镜面。采用球面、非球面、平面镜面的区别在于对像差的要求不同。

可见，本发明通过设置调整透镜22和半透半反镜23，从而将上述两路光线，即原中央盲区内的物体发出的光线(现有技术中不可成像的光线)与原中央盲区外的物体发出的光线(现有技术中可成像的光线)一同在焦平面上成像，从而达到克服现有技术中存在的中央视场盲区的缺陷。

优选地，本实施例中还具有中继透镜组25，其为调整光路像差的一组透镜，用于将穿过所述凹面反射镜24的圆孔241的光线进行像差校正，使光线聚焦于焦平面上，并且，通过调整中继透镜组25，可以使得自调整透镜22的入射光线与来自凹面反射镜24的反射光线在焦平面上不重叠成像。

优选地，本实施例中还具有探测元件26，其位于经半透半反镜3反射或透射后形成的焦平面上。可以采用具有高分辨率的探测元件，例如CCD探测器。

另外，由于本发明通过将原中央盲区内的物体发出的光线进行透射(现有技术中不可成像的光线)与原中央盲区外的物体发出的光线(现有技术中可成像的光线)进行二次反射而一同在焦平面上成像这样的方案来消除中央视场盲区，因此可能存在透射视场中混入二次反射视场的光线而在焦平面上产生重复成像的现象，从而导致图像质量有所下降。

为了消除该重复成像之现象以在克服中央盲区的同时进一步提高图像质量，本实施例的无中央盲区全景成像镜头还包括设置于调整透镜22和所述半透半反镜23外部的遮光圆筒(遮光部)28。

如图5所示，遮光圆筒28在光轴O方向上的长度被设计为使得入射至所述调整透镜22并且能够在所述焦平面上成像的光线的最大入射角等于所述原中央盲区的视角α。这样，使得大于这一入射角入射的杂散光线，或者经由调整透镜22出射至遮光圆筒28而被遮光圆筒28吸收，或者由于圆筒28的遮挡而无法入射并通过调整透镜22。因此，保证了仅仅原中央盲区的光线通过调整透镜22，而不会混入原中央盲区外的光线。通过上述的设置，可以使得二次反射成像的视场与透射成像的视场分开，透射视场的成像不会与二次反射成像产生部分重复，在消除中央盲区的同时进一步提高了图像质量。

上述遮光圆筒28可以为具有容易吸收光线的材质。例如为黑色哑光材质。另外，遮光圆筒28可以为圆柱筒或者圆锥形筒。

优选地，本实施例还包括透明的镜头保护罩21，其用于保护调整透镜22，半透半反透镜23和凹面反射镜24，以及固定调整透镜22与半透半反透镜33的位置，并固定半透半反透镜23与凹面反射镜24之间的间距，使其满足计算得到的最优成像效果所应满足的间距。

优选地，本实施例还包括机械结构27，其用于固定凹面反射镜24、中继透镜组25和焦平面数据探测元件26(CCD)的位置，并且使得凹面反射镜24与中继透镜组25之间的间距，中继透镜组25与焦平面数据探测装置26(CCD)之间的间距满足计算得到的最优成像效果所应满足的间距。

图4为根据本发明一实施例的无中央盲区的全景成像镜头的光路示意图，图4(a)为反射光路示意图，图4(b)为透射光路示意图。

如图4(a)所示，从镜头外部原中央盲区外的物体(例如A物体)发出的光线先入射到凹面反射镜24与半透半反透镜23的间隙内(也即二次反射视场的光线)，然后由凹面反射镜24反射到半透半反镜23，再由半透半反透镜23反射穿过凹面反射镜24中央的圆孔241进入中继透镜组25，经过中继透镜组25进行像差及光路的校正后达到焦平面，通过探测元件26接受光线。这样，完成了原中央盲区外的成像，这与现有的全景成像镜头的成像过程是基本相同的。

图4(b)为透射光路示意图，对原中央盲区进行成像。由光学原理可知，一个物体对镜面的光线反射的过程可以等效为其虚像对现有透镜的透射过程。利用这一性质，为了补偿原中央盲区的视场，本发明引入了调整透镜22并结合半透半反镜23。如图4(b)所示，原中央盲区内的物体(例如B物体)发出的光线经过调整透镜22聚焦，通过半透半反镜23及凹面反射镜24中央的圆孔241，中继透镜组25，最终到达焦平面，由探测元件26接受光信号并处理成像。

这里决定成像效果的有三个参数，分别为半透半反镜23的曲率半径函数，凹面反射镜24的曲率半径函数，凹面反射镜24与半透半反镜23之间的距离，这三个参数共同决定了二次反射的光线追迹，聚焦点位置和像差。通常可以固定凹面反射镜24的曲率半径函数，凹面反射镜24与半透半反镜23之间的距离，通过改变半透半反镜23的曲率半径函数，来调整焦面26的位置以及成像效果(像差)。采取计算机数值迭代的方法，通过迭代计算半透半反镜23的不同的曲率半径函数，得到对应的像差值，可以求得产生像差最小的最优化曲率半径函数。

其次，在上述图4(a)中的二次反射成像效果最优的情况下，半透半反镜23的曲率半径函数，凹面反射镜24的曲率半径函数，半透半反镜23与凹面反射镜24之间的距离，焦平面26与半透半反镜23之间的距离都已固定。要使得原中央盲区内物体发出的光线最终也能够在焦平面26上成像，可以通过选取合适的调整透镜22与半透半反镜23之间的距离来实现。因为物体经由调整透镜22和半透半反镜23后的成像位置，由调整透镜22的曲率半径函数，半透半反镜3的曲率半径函数，调整透镜22与半透半反镜23之间的距离这三个参数来确定。一般可以固定调整透镜22的曲率半径函数，半透半反镜23的曲率半径函数，选取不同的调整透镜22与半透半反镜23之间的距离，运用共轴球面系统成像原理计算出焦平面的位置，最终得到焦平面26所对应的调整透镜22与半透半反镜23之间的距离。

综上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应属于本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种无中央盲区的全景成像镜头，其特征在于，

从物侧起沿着光轴方向依次包括：调整透镜(22)，半透半反镜(23)以及凹面反射镜(24)，所述凹面反射镜(24)的中央具有圆孔(241)，所述调整透镜(22)，所述半透半反镜(23)与所述凹面反射镜(24)以光轴为旋转对称轴，其中，

所述调整透镜(22)用于会聚原中央盲区内的物体发出的光线；

所述凹面反射镜(24)用于将原中央盲区外的物体发出的光线反射至所述半透半反镜(23)；

所述半透半反镜(23)用于将来自所述调整透镜(22)的入射光线进行透射并穿过所述凹面反射镜(24)的圆孔(241)，以及用于将来自所述凹面反射镜(24)的反射光线反射并穿过所述凹面反射镜(24)的圆孔(241)，从而所述来自所述调整透镜(22)的光线与自所述凹面反射镜(24)的光线在焦平面上成像。

2.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，调整透镜(22)的曲率半径被设计为使得通过调整透镜(22)的光线在焦平面上的成像光斑直径不大于原中央盲区的成像光斑直径。

3.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，所述调整透镜(22)的曲率半径和/或所述半透半反镜(23)的曲率半径和/或所述调整透镜(22)与所述半透半反镜(23)之间的距离被设计为使所述来自所述调整透镜(22)的光线与自所述凹面反射镜(24)的光线在同一焦平面上成像。

4.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，还包括设置于调整透镜(22)和所述半透半反镜(23)外部的遮光部(28)，所述遮光部(28)在被设计为使得入射至所述调整透镜(22)并且能够在所述焦平面上成像的光线的最大入射角等于所述原中央盲区的视角。

5.如权利要求4所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，所述遮光部(28)为在光轴方向上具有规定长度的遮光圆筒(28)。

6.如权利要求5所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，所述遮光圆筒(28)具有容易吸收光线的材质。

7.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，所述调整透镜(22)的镜面为球面或非球面，所述半透半反透镜(23)的镜面为球面或非球面或平面，所述凹面反射镜(24)的镜面为球面或非球面。

8.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，还包括中继透镜组(25)，其用于将穿过所述凹面反射镜(24)的圆孔(241)的光线进行像差校正。

9.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，还包括设置于调整透镜(22)和所述半透半反镜(23)外部的镜头保护罩(21)，用于固定所述调整透镜(22)和所述半透半反镜(23)的位置和两者之间的距离。

10.如权利要求1所述的一种中央无盲区的全景成像镜头，其特征在于，还包括设置于所述凹面反射镜(24)与所述中继透镜组(25)周围的机械结构(27)，用于固定所述凹面反射镜(24)与所述中继透镜组(25)的位置和两者之间的距离。