CN107179600A - 一种非制冷红外折反射全景镜头 - Google Patents

一种非制冷红外折反射全景镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。该全景镜头适用于非制冷红外焦平面探测器，具有视场大、体积小、体积大等优势。

Description

一种非制冷红外折反射全景镜头
技术领域
本发明属于红外光学技术领域，具体涉及一种非制冷红外折反射全景镜头。
背景技术
传统成像系统以视场中的一点作为成像中心点，将物空间有限大小的区域经过该中心点投影到成像平面上，对物空间的一个局部成像，获取的信息量有限。
全景成像是指视场超过人的正常视场、能够获得360°水平视场、大垂直视场信息的成像技术，信息量更大，在机器人导航、预警监测、视频监控、虚拟现实等众多应用中具有重要价值，而且随着成像器件像元规模的增大，全景成像逐渐获得更多的关注，成为机器视觉和计算机视觉等新兴领域的研究热点。
全景图像的获取方式通常分为三种：第一种是围绕一个固定视点旋转拍摄一系列视场有部分重叠的图像序列，再对这些图像序列进行图像拼接，最终得到一幅360°水平视场的全景图像，此类全景成像技术的优点是空间分辨力高，不足是时间分辨力较低，不能完整记录360°全方位实景空间内重要事件的发生、持续以及结束整个过程。第二种是采用多个相机对不同方位角的物空间区域进行成像，再通过图像拼接形成全景图像；这种方法的优点是空间分辨力高，不足是所获取的图像原始数据量大，拼接算法较复杂，存在拼接缝，不同方位角相机拍摄的图像之间存在明暗差异，而且对相机之间的定位要求比较严苛。第三种是单个探测器配合特殊的全景光学系统来获得全景图像，代表性的全景光学系统有：鱼眼镜头、全景环形透镜和折反射全景镜头，此类全景成像方式的优点是无需扫描部件即可一次性获得全景图像，速度快，不足是空间分辨力较低、几何畸变严重。
与鱼眼镜头和全景环形透镜相比，折反射全景成像系统的设计灵活性高，可以设计满足单视点结构约束的透视全景系统，也可以设计水平无畸变或柱面无畸变的全景系统，还可以根据实际应用环境需要设计特定的系统结构。
红外成像系统可以在夜间和低能见度条件下实现成像观察、侦察、监视、制导等，作用距离远且能穿透薄雾和烟尘，具备在全黑的夜间和低能见度条件下获取“单向透明”信息优势的能力。随着红外探测器技术的发展，高灵敏度和大面阵红外探测器不断涌现，非制冷红外焦平面探测器的像元规模和灵敏度也得到显著提高，2007年有文献公开报道，镜头F#为1时非制冷红外焦平面探测器的NETD已小于25mK。目前商品化的非制冷红外焦平面探测器的像元规模已超过1024×768，NETD小于50mK。
在折反射全景成像架构下针对非制冷红外焦平面探测器研究非制冷红外全景镜头，从而构建非制冷红外全景成像系统，在机器人夜视导航、车辆辅助驾驶、无人车自动驾驶等方面具有重要应用潜力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种非制冷红外折反射全景镜头，该全景镜头适用于非制冷红外焦平面探测器，具有视场大、体积小、体积大等优势。
本发明的技术方案为：
一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。
进一步地，本发明第三折射镜为弯月透镜。
进一步地，本发明第二折射镜的入射面为球面、出射面为非球面，第三折射镜的入射面为球面、出射面为非球面。
有益效果：
第一，本发明设计了红外非制冷型的折反射全景镜头，该发明成果相对目前其它红外波段全景成像系统具有结构简单、体积小、重量轻、成本低的优势。
第二，本发明的折反射全景镜头与已有的折反射系统(基本用于望远镜设计)的差异体现在：后者的投影特点与常规光学系统一样，满足透视投影模型，并且视场小，场景都被系统投影在探测器中央；而本发明的折反射全景镜头是一种环形投影成像，通过将系统竖直放置，将周围环形场景的景物投影在探测器的一个圆环带上，具有大视场的特点优势。
第三，本发明的折反射全景镜头与已有的全景系统的差异体现在：后者通常由多个常规相机环绕组成，或者由一个反射腔收集并会聚大视场下不同景物发出的光线，结构较为复杂；而本发明中的折反射全景镜头通过单个曲面反射镜和折射透镜组的组合实现周视大视场下的凝视成像，具有以简单结构实现更大视场的优势。
附图说明
图1本发明非制冷红外折反射全景镜头的光路图，其中(a)系统焦距3mm， (b)系统焦距4.2mm。
图2本发明获得的红外全景图像
图3实施例1的光路图
图4实施例1的MTF
图5实施例1的场曲及畸变
图6实施例1的弥散斑
图7实施例1的红外全景镜头剖面图
图8实施例2的光路图
图9实施例2的MTF
图10实施例2的场曲及畸变
图11实施例2的弥散斑
图12实施例2的红外全景镜头剖面图
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明一种非制冷红外折反射全景镜头，包含二次曲面反射镜和由透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。成像光路图如图1所示。
本发明采用二次曲面反射镜将360°水平视场、大垂直视场的红外辐射反射至第一折射镜中，其优点在于改变光束传播方向时不产生色差(包括轴向色差和放大率色差)，但带来的问题是正畸变非常大，并且还有较大的子午和弧矢场曲；本发明利用第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，消除8μm～12μ m波段的球差和垂轴色差，同时对二次曲面反射镜引入的场曲有很好的补偿效果，并对畸变有一定的补偿；同时，第二折射镜和第三折射镜都使用非球面折射面，补偿残余的弧矢场曲、子午场曲、像散和慧差；使用非球面以更少的透镜完成残余像差的补偿，避免使用过多球面透镜而导致系统整体透过率快速下降，以及成本快速增加(透镜材料使用价格较高的单晶Ge)。因此本发明所设计镜头的特点在于通过小的F数充分发挥了非制冷红外焦平面探测器的灵敏度性能，即镜头F数仅为1(F#＝1.0)，并在小F数的情况下实现了全视场清晰的全景成像，其中水平视场范围为360°，垂直视场范围为-70°～5°(使用时反射镜位于整个系统上方，负角度表示俯角)，同时，解决了大视场带来的轴上像差(球差、轴向色差)和轴外像差(慧差、场曲、像散、畸变和垂轴色差)都较大的问题。
本发明第三折射镜为弯月透镜。
如图1所示，图1(a)的焦距为3mm时，其第三折射镜为弯月透镜，图1(b) 的焦距为4.5mm时，其第三折射镜为非球面折射镜，其主要原因在于：图1(a) 为了获得比图1(b)更小的遮拦比，将透镜组和反射镜的距离增大，这样使得反射镜的弯曲程度变大，不同视场光线的光程差变大，因此图1(a)中的光学元件4 使用弯曲程度更大的弯月透镜来补偿这种光程差的差异，以实现更好的成像效果。
本发明获得红外全景图像的过程为：360°水平视场、大垂直视场的红外辐射经二次曲面反射镜反射后，依次进入第一折射镜、第二折射镜及第三折射镜，最终聚焦在非制冷红外焦平面探测器上，在探测器内切圆上形成圆环形的图像，如图2所示。
本发明提供的非制冷红外折反射全景镜头的性能和功能为：工作波段8μm～ 12μm，峰值波长10μm，水平视场范围360°，垂直视场范围为-70°～5°、像质评价以MTF为标准，在20lp/mm时MTF不小于40％。
本发明的非制冷红外折反射全景镜头可建立360°水平视场、大垂直视场的非红外全景成像系统，具有视场大、色差小、透过率高、体积小、重量轻和成本低等的优点。
实施例1
针对像元规模640×512、像元中心距17μm、工作波段8μm～12μm的非制冷红外氧化钒焦平面探测器，设计F#为1、等效焦距3mm、工作波段8μm～12μm 的折反射红外全景镜头，具体性能参数为：
(1)等效焦距：3mm
(2)F#：1
(3)红外成像波段范围：8μm～12μm
(4)水平视场：360°
(5)红外成像时的垂直视场：-70°～+5°
(6)红外成像MTF:>40％@20lp/mm
(7)光学系统平均透过率：88％
实施例1所设计的光学元件表面参数如表1所示。
表1实施例1的光学元件表面参数
表1中所设计光学元件各表面的三级像差见表2。
表2实施例1中光学元件各表面的三级像差
表面编号 SA TCO TAS SAS DST AX
1 0.000061 -0.047268 1.397927 -6.682922 1713.761131 0.00000
-0.000025 -0.012181 -1.965127 -0.655042 -105.677648
2 -0.077530 1.229828 -16.721570 -12.386390 65.493584 -0.003408
3 -0.002439 0.344709 -6.547993 4.279510 -201.632800 0.000557
STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
5 0.407027 3.266342 36.623239 30.798346 82.384401 0.004182
0.706666 -8.168214 31.471595 10.490532 -40.419334
6 -0.662504 2.415214 -19.453433 -17.496797 21.262006 -0.006982
7 0.020676 -1.106404 7.763047 -5.393559 96.204857 -0.002215
-0.238833 3.948534 -21.759868 -7.253289 39.97194
8 -0.156417 -2.874619 -7.916614 3.823303 23.421500 -0.002260
9 0.419300 0.413009 0.135604 0.045201 0.014841 0.002848
10 -0.411981 -0.405799 -0.133237 -0.044412 -0.014582 -0.002798
SUM 0.004002 -0.996849 2.893571 -0.475519 1694.769910 -0.010077
实施例1的光路图、MTF、畸变及场曲、弥散斑、全景镜头剖面图分别如图3、图4、图5、图6和图7所示。实施例1的红外全景镜头剖面图如图7所示，镜头结构紧凑、体积小。
实施例2
针对像元规模640×512、像元中心距17μm、工作波段8μm～12μm，峰值波长10μm的非制冷红外氧化钒焦平面探测器，设计F#为1、等效焦距4.2mm、工作波段8μm～12μm的折反射红外全景镜头，具体性能参数为：
(1)等效焦距：4.2mm
(2)F#：1
(3)红外成像波段范围：8μm～12μm
(4)水平视场：360°
(5)红外成像时的垂直视场：-70°～+5°
(6)红外成像MTF:>55％@20lp/mm
(7)光学系统平均透过率：88％
实施例2所设计的光学元件表面参数如表3所示。
表3实施例2的光学元件表面参数
表3中所设计光学元件各表面的三级像差见表4。
表4实施例2中光学元件各表面的三级像差
表面编号 SA TCO TAS SAS DST AX
1 0.000021 -0.031330 5.888609 -4.327141 2116.416647 0.000000
0.000039 0.020623 3.622084 1.207361 212.056640
2 -0.025558 0.257907 -27.864547 -27.286205 91.781534 -0.001810
0.059650 3.175434 56.347537 18.782512 333.292503
3 0.171837 -2.609151 64.931672 56.127896 -284.079405 0.002107
STO 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
5 -0.006638 1.282375 -70.845239 -15.789427 6.824157 -0.000628
0.595730 -6.353393 22.586094 7.528698 -26.764260
6 -0.141600 -2.676351 -36.209136 -24.968027 -157.304667 -0.003148
7 0.010899 0.988764 27.858162 7.924230 239.634117 0.000945
-0.003591 0.109733 -1.117856 -0.372619 3.795873
8 -0.700202 6.064412 -27.501423 -15.829530 45.699545 -0.003856
9 0.419118 -1.281386 1.305879 0.435293 -0.443613 0.002847
10 -0.411798 1.259008 -1.283074 -0.427691 0.435866 -0.002797
SUM -0.032094 0.206644 17.718762 3.005350 3591.344934 -0.006341
实施例2的光路图、MTF、畸变及场曲、弥散斑分别如图8、图9、图10 和图11所示。实施例2的红外全景镜头剖面图如图12所示，镜头结构紧凑、体积小。
本发明的设计方法可用于所有常见材料体系(如氧化钒材料体系、非晶硅材料体系)、像元规模(如640×512、640×480、320×256、320×240等)和像元中心矩(如17μm、25μm等)的非制冷红外焦平面探测器，并且可以设计为多种F数，如F#＝1、F#＝1.2、F#＝0.8等，因此本发明的适用性广，可能满足工业、公共安全、军事等不同应用领域的全景成像需求。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种非制冷红外折反射全景镜头，其特征在于，包含二次曲面反射镜和透镜组，所述二次曲面反射镜和透镜组共用同一光轴，且透镜组处于二次曲面反射镜的下方或上方；所述透镜组由第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜构成，其中第一折射镜和第二折射镜构成对称双高斯结构，第二折射镜和第三折射镜为非球面折射镜；在二次曲面反射镜、第一折射镜、第二折射镜和第三折射镜之间形成光线传输通路。
2.根据权利要求1所述非制冷红外折反射全景镜头，其特征在于，所述第三折射镜为弯月透镜。
3.根据权利要求1所述非制冷红外折反射全景镜头，其特征在于，所述第二折射镜的入射面为球面、出射面为非球面，第三折射镜的入射面为球面、出射面为非球面。
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