CN107664831A - 一种高分辨率全向凝视光电成像装置 - Google Patents

一种高分辨率全向凝视光电成像装置 Download PDF

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Abstract

一种高分辨率全向凝视光电成像装置属于光电成像技术领域；本装置为了解决现有的全向凝视光电成像系统分辨率比较低的技术问题；包括，鱼眼透镜、光学低通滤波片、前镜筒、后镜筒和CCD探测器像面，所述鱼眼透镜安装在前镜筒内，所述光学低通滤光片和CCD探测器像面安装在后镜筒内，前镜筒与后镜筒固定连接；本装置采用全向凝视光学成像系统与大面阵CCD相匹配，构成高分辨率全向凝视光电成像系统，为实现“全向”和“实时”信息获取提供了解决途径，使用了非球面和二元衍射光学元件，使装置结构紧凑，像差得到较好的校正，且温度特性稳定，在军事探测、空间探测、航天遥感和安防监控等领域中，具有广泛的应用前景和使用价值。

Description

一种高分辨率全向凝视光电成像装置
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，具体涉及一种高分辨率全向凝视光电成像装置。
背景技术
全向凝视光电成像系统可实现半球或超半球空域目标的实时探测，相比其它光电成像系统，还具有功耗小、重量轻、体积小、性价比高等优点，但是由于具有超大视场，全向凝视光电成像系统边缘分辨率比较低，而许多重要的成像领域要求全视场有较高分辨率，随着大面阵图像传感器的发展，设计与之匹配的高分辨率全向凝视光学系统，具有很好的研究价值。
此外，由于全向凝视光电成像系统视场非常大，造成轴外像差难以消除，存在多种高级像差，而高分辨率全向凝视光电成像系统采用大面阵图像传感器，会相应的增大光学系统的焦距，在视场角和相对孔径不变的情况下，增大焦距相当于把整个系统按比例放大，于是剩余像差也相应按比例增加，从而加大了校正和平衡的难度。
发明内容
本发明为了解决现有的全向凝视光电成像系统分辨率比较低的技术问题，提一种高分辨率全向凝视光电成像装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种高分辨率全向凝视光电成像装置，包括，鱼眼透镜、光学低通滤波片、前镜筒、后镜筒和CCD探测器像面；
所述光学低通滤光片和CCD探测器像面安装在后镜筒内，前镜筒与后镜筒固定连接；
所述鱼眼透镜安装在前镜筒内，包括按顺序依次安装有第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜和胶合透镜组；
所述第一透镜和第二透镜是负弯月形透镜，凸面朝向与光线传播方向相反；第三透镜是双凸透镜，曲率绝对值大的面朝向与光线传播方向相反；第四透镜为平凸透镜，且两面曲率半径相差大，凸面朝向与光线传播方向相同；
所述胶合透镜组包括第五透镜和第六透镜；所述第五透镜为平凸透镜，凸面朝向与光线传播方向相同；所述第六透镜为负弯月形透镜，凹面朝向与光线传播方向相反。
所述前镜筒有五个放置透镜的凹槽；将第二透镜后表面磨边变平，先压入前镜筒的凹槽内，然后垫上第一隔圈，再将第一透镜放入前镜筒的靠缘凹槽内，通过前镜筒上三个径向方向的通孔，注入弹性的密封材料，通孔与前镜筒内侧的一个环形沟槽相通，在环形沟槽中注满密封材料，在第一透镜外侧旋入第一压圈进行固定；将第三透镜装入前镜筒的凹槽内，然后依次安装第二隔圈，光阑，第三隔圈，第四透镜，第四隔圈和胶合透镜组，在胶合透镜组外侧旋入第二压圈进行固定；前镜筒和后镜筒通过螺纹连接，再用调整螺丝固定，将光学低通滤波片用第三压圈紧固在后镜筒内。
所述第二透镜和第四透镜的后表面均为非球面；第五透镜后表面是基底为非球面的二元衍射面。
所述成像装置的光学元件都具有旋转对称性，且所有光学元件光学表面的曲率中心都位于光轴上。
所述光学低通滤波片为平行平板玻璃，且靠近鱼眼透镜的焦平面处。
第一透镜的材料是肖特PSK53A玻璃，第二透镜的材料是肖特LAK34玻璃，第三透镜的材料是肖特SF5玻璃，第四透镜的材料是肖特SK5玻璃，第五透镜的材料是肖特PSK57玻璃，第六透镜的材料是肖特SF57玻璃，光学低通滤波片的材料是肖特BK7玻璃。
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和胶合透镜组的光焦度绝对值比依次为-1：-0.83：0.5：0.99：0.47；第一透镜、第二透镜和第三透镜的总光焦度与第四透镜和胶合透镜组的总光焦度的比值约为1：1。
所述弹性的密封材料的材质是橡胶。
所述成像装置的焦距为12.837mm，视场角为180°，F数为4，成像像面有效成像直径为40.2mm，有效成像像素高于六千万。
本发明的有益效果：
1、本发明采用全向凝视光学成像系统与大面阵CCD相匹配，构成高分辨率全向凝视光电成像系统，为实现“全向”和“实时”信息获取提供了解决途径。
2、本发明使用了非球面和二元衍射光学元件，使装置结构紧凑，像差得到较好的校正，且温度特性稳定，在军事探测、空间探测、航天遥感和安防监控等领域中，具有广泛的应用前景和使用价值。
附图说明
图1为本发明一种高分辨率全向凝视光电成像装置的光线追迹示意图；
图2为本发明一种高分辨率全向凝视光电成像装置的纵向剖面结构示意图。
其中，1、第一透镜，2、第二透镜，3、第三透镜，4、第四透镜，5、第五透镜，6、第六透镜，7、光学低通滤波片，8、第一压圈，9、密封胶，10、第一隔圈，11、第二隔圈，12、光阑，13、第三隔圈，14、前镜筒，15、第四隔圈，16、调整螺丝，17、第二压圈，18、后镜筒，19、第三压圈，20、CCD探测器像面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细阐述。
如图1和图2所示，一种高分辨率全向凝视光电成像装置，具有可凝视探测半球或超半球的场景，与大面阵图像传感器匹配，利用非球面和二元衍射面校正系统像差，在可见光波段，实现了高分辨率“全向”和“实时”目标探测。
包括，鱼眼透镜、光学低通滤波片7、前镜筒14、后镜筒18和CCD探测器像面20。
成像装置的光学元件都具有旋转对称性，所有光学元件的光学表面的曲率中心都位于光轴上，属于共轴光学系统。
光学低通滤光片7和CCD探测器像面20安装在后镜筒18内，前镜筒14与后镜筒18固定连接。光学低通滤波片7可以很好的滤除红外波段杂光，CCD探测器像面20的有效成像尺寸为53.664mm×40.310mm，有效像素约为8000万，具有较高的分辨率。
鱼眼透镜安装在前镜筒14内，其光学结构包括按顺序依次安装有：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑12、第四透镜4和胶合透镜组。鱼眼透镜视场角为180°，可以将半球空域的目标信息压缩成像在探测器上，
第一透镜1和第二透镜2是负弯月形透镜，凸面朝向与光线传播方向相反。第三透镜3是双凸透镜，右边紧挨着光阑，曲率绝对值大的面朝向与光线传播方向相反。第四透镜4近似为平凸透镜，其两面曲率半径相差比较大，凸面朝向与光线传播方向相同。第二透镜2和第四透镜4的后表面均为非球面，可以增加光学系统优化变量，减少透镜数量。
胶合透镜组包括，第五透镜5和第六透镜6。所述第五透镜5为平凸透镜，凸面朝向与光线传播方向相同，第五透镜5的后表面是基底为非球面的二元衍射面，可以更好的校正系统色差，使系统在全视场内都具有良好的像质。第六透镜6为负弯月形透镜，凹面朝向与光线传播方向相反。
第一透镜1的材料是肖特PSK53A玻璃，第二透镜2的材料是肖特LAK34玻璃，第三透镜3的材料是肖特SF5玻璃，第四透镜4的材料是肖特SK5玻璃，第五透镜5的材料是肖特PSK57玻璃，第六透镜6的材料是肖特SF57玻璃。
鱼眼透镜光学结构包括的六块透镜片可分为五组透镜，两边光学元件通光口径比较大，中间光学元件通光口径较小，根据光学元件尺寸，鱼眼透镜的六块透镜片按前2组和后3组形式顺序安装在前镜筒14内。
前镜筒14有五个放置透镜的凹槽，将第二透镜2的后表面经过磨边变平，从前面先压入前镜筒14的凹槽内，然后垫上第一隔圈10，再将负弯月形的第一透镜1放入前镜筒14的靠缘凹槽内，通过前镜筒14上三个径向方向均匀分布在圆周上的通孔，注入弹性橡胶材质的密封材料9，这些通孔与前镜筒14内侧的一个环形沟槽相通，连续不断的注入密封材料9，在环形沟槽中注满密封材料9，直到其从所有孔中溢出，从研磨透镜的侧面能看到连续的密封材料9，当密封材料9固化后，使第一透镜1与外界隔绝，最后在第一透镜1外侧旋入第一压圈8进行固定，注意不要遮挡垂直入射的光线。在前镜筒14的后边将第三透镜3装入前镜筒14的凹槽内，然后依次安装第二隔圈11，光阑12，第三隔圈13，第四透镜4，第四隔圈15和胶合透镜组，在胶合透镜组外侧固定轴向间距旋入第二压圈17进行固定，前镜筒14和后镜筒18通过螺纹连接，再用调整螺丝16固定，最后，将光学低通滤波片7用第三压圈19紧固在后镜筒18内。装配鱼眼透镜期间，绕中心轴旋转鱼眼透镜的光学元件，以中心轴为基准校准其光学元件位置，使中心轴上的成像具有最佳对称性。第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和胶合透镜组的光焦度绝对值比依次为-1：-0.83：0.5：0.99：0.47。第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的总光焦度与第四透镜4和胶合透镜组的总光焦度的比值约为1：1。
光学低通滤波片7为平行平板玻璃，光学低通滤波片7靠近鱼眼透镜的焦平面处，可以滤除通过光学系统后的高频段光波，只允许一定范围内低频光波通过，能够有效提高彩色CCD图像传感器的分辨率和色彩还原性，使图像清晰、稳定，而且能够对入射光线进行修整，使其尽量直射进CCD的颗粒感光体，以便图像更加清晰，还可以对鱼眼透镜进行一定的像差补偿，安装之前，先用聚硫化物密封胶涂满后镜筒18内径和光学低通滤波片7侧面，然后用具有螺纹的第三压圈19压紧光学低通滤波片7，第三压圈19的螺纹都经防滑物质处理。本发明的成像装置选择后焦距作为补偿器，在装配阶段它可以进行径向或轴向调整，以便校正成像质量，所以在前镜筒14和后镜筒18之间用螺纹衔接，在前镜筒14和后镜筒18衔接处侧面设计两个矩形沟槽，两个调整螺丝16穿过壳体，到达沟槽底部，应注意，调整螺丝16并没用挤压主镜体外径，调整螺丝16头部对沟槽面的作用，并不阻止前镜筒14和后镜筒18的相对移动。
如图1所示，半视场0°、30°、60°和90°的光线入射到负弯月形的第一透镜1，负弯月形透镜具有很大的负光焦度，对光线进行发散，缩小入射光线与光轴的夹角，又经过后面4组透镜的折射，形成汇聚光束到达光学低通滤波片7，光学低通滤波片7的材料是BK7玻璃，厚度为1.559mm，直径是40.15mm，能够对入射光线进行修整，还可以对本发明的成像装置进行一定的像差补偿，滤光后成像在大面阵CCD探测器像面上，像面为圆周成像，成像直径为40.2mm，由于加入了非球面和二元衍射面，增大了自变量，可以更好的校正轴外像差，减少镜片数量，可实现成像装置的小型轻量化。根据装配工艺，光学元件留有足够的外径余量，设计了前后镜筒的结构，以及滤光片的安装方式，不包括CCD探测器，本发明成像装置长度可以控制在70mm以内，直径可控制在60mm以内。
具体实施方式一，前镜筒14的材料为2AL2，径向间隙是0.03mm。第二透镜2的材料是肖特LAK34玻璃，将第二透镜2的后表面经过磨边变平，从前面先压入前镜筒14的凹槽内，然后垫上第一隔圈10，再将负弯月形的第一透镜1放入前镜筒14的靠缘凹槽内，通过前镜筒14上三个径向方向的通孔，注入弹性橡胶材质的密封材料9，当密封材料9固化后，使第一透镜1与外界隔绝，最后在第一透镜1外侧旋入第一压圈8进行固定。在前镜筒14的后边将第三透镜3装入前镜筒14的凹槽内，然后依次安装第二隔圈11，光阑12，第三隔圈13，第四透镜4，第四隔圈15和胶合透镜组，在胶合透镜组外侧固定轴向间距旋入第二压圈17进行固定，将前镜筒14外螺纹和后镜筒18的内螺纹相连，后镜筒材料是不锈钢，型号为303，然后用调整螺丝16进行固定，最后，将光学低通滤波片7用第三压圈19紧固在后镜筒18内。装配鱼眼透镜期间，绕中心轴旋转鱼眼透镜的光学元件，以中心轴为基准校准其光学元件位置，使中心轴上的成像具有最佳对称性。
根据本发明的特点，得到了一款，焦距为12.837mm，系统全视场角为180°，F数为4的全向凝视的光电成像装置，成像像面的有效成像直径为40.2mm，有效成像像素高于六千万，成像装置总长67.8mm，最宽外径是负弯月形第一透镜1的直径为54mm。

Claims (9)

1.一种高分辨率全向凝视光电成像装置，包括，鱼眼透镜、光学低通滤波片(7)、前镜筒(14)、后镜筒(18)和CCD探测器像面(20)；
其特征在于，所述光学低通滤光片(7)和CCD探测器像面(20)安装在后镜筒(18)内，前镜筒(14)与后镜筒(18)固定连接；
所述鱼眼透镜安装在前镜筒(14)内，包括按顺序依次安装有第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、光阑(12)、第四透镜(4)和胶合透镜组；
所述第一透镜(1)和第二透镜(2)是负弯月形透镜，凸面朝向与光线传播方向相反；第三透镜(3)是双凸透镜，曲率绝对值大的面朝向与光线传播方向相反；第四透镜(4)为平凸透镜，且两面曲率半径相差大，凸面朝向与光线传播方向相同；
所述胶合透镜组包括第五透镜(5)和第六透镜(6)；所述第五透镜(5)为平凸透镜，凸面朝向与光线传播方向相同；所述第六透镜(6)为负弯月形透镜，凹面朝向与光线传播方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述前镜筒(14)有五个放置透镜的凹槽；将第二透镜(2)后表面磨边变平，先压入前镜筒(14)的凹槽内，然后垫上第一隔圈(10)，再将第一透镜(1)放入前镜筒(14)的靠缘凹槽内，通过前镜筒(14)上三个径向方向的通孔，注入弹性的密封材料(9)，通孔与前镜筒(14)内侧的一个环形沟槽相通，在环形沟槽中注满密封材料(9)，在第一透镜(1)外侧旋入第一压圈(8)进行固定；将第三透镜(3)装入前镜筒(14)的凹槽内，然后依次安装第二隔圈(11)，光阑(12)，第三隔圈(13)，第四透镜(4)，第四隔圈(15)和胶合透镜组，在胶合透镜组外侧旋入第二压圈(17)进行固定；前镜筒(14)和后镜筒(18)通过螺纹连接，再用调整螺丝(16)固定，将光学低通滤波片(7)用第三压圈(19)紧固在后镜筒(18)内。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述第二透镜(2)和第四透镜(4)的后表面均为非球面；第五透镜(5)后表面是基底为非球面的二元衍射面。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述成像装置的光学元件都具有旋转对称性，且所有光学元件光学表面的曲率中心都位于光轴上。
5.根据权利要求4所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述光学低通滤波片(7)为平行平板玻璃，且靠近鱼眼透镜的焦平面处。
6.根据权利要求5所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述第一透镜(1)的材料是肖特PSK53A玻璃，第二透镜(2)的材料是肖特LAK34玻璃，第三透镜(3)的材料是肖特SF5玻璃，第四透镜(4)的材料是肖特SK5玻璃，第五透镜(5)的材料是肖特PSK57玻璃，第六透镜(6)的材料是肖特SF57玻璃，光学低通滤波片(7)的材料是肖特BK7玻璃。
7.根据权利要求6所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和胶合透镜组的光焦度绝对值比依次为-1：-0.83：0.5：0.99：0.47；第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)的总光焦度与第四透镜(4)和胶合透镜组的总光焦度的比值约为1：1。
8.根据权利要求7所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述弹性的密封材料(9)的材质是橡胶。
9.根据权利要求8所述的一种高分辨率全向凝视光电成像装置，其特征在于，所述成像装置的焦距为12.837mm，视场角为180°，F数为4，成像像面有效成像直径为40.2mm，有效成像像素高于六千万。
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