CN109541787A - 一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统 - Google Patents

一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，从物方到像方依次由主反射镜、次反射镜、非制冷型长波红外中继透镜组及可见光中继透镜组组成，通过选择长波红外中继透镜组与反射镜系统同光轴构成长波红外全景凝视成像光学系统，通过选择可见光中继透镜组与反射镜系统同光轴构成可见光全景凝视成像光学系统；非制冷型红外长波全景凝视成像光学系统与可见光全景凝视成像光学系统共用主、次反射镜，长波红外系统与可见光系统分时工作，通过切换长波中继透镜组和可见光中继透镜组及探测器组件，实现长波红外和可见光全景凝视成像。长波红外中继透镜组、可见光中继透镜组作为调焦部件，补偿温度变化造成的长波红外全景凝视成像系统的像质退化。

Description

一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统
技术领域
本发明专利属于光学技术领域，具体涉及一种非制冷型长波红外、可见光双波段全景凝视成像光学系统。
背景技术
全景凝视成像技术，是目前迅速发展的一种新型成像技术，利用特殊的全景成像装置，可实现水平方向360°，在垂直方向一定角度视场的成像。全景成像技术在机器视觉、管道探测、医学内窥检查、周视检测等方面有着非常重要的意义，在航空、国防、民用及医学领域有着广泛的应用前景。
为获得大视场成像，全景凝视成像通常采用鱼眼透镜和旋转拼接技术，利用鱼眼镜头能够获得接近半球的视场，但其畸变较大，水平视线像质下降迅速；旋转拼接技术复杂，不利于小型化，不能对周边环境瞬时成像，实时性差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供了一种非制冷型长波红外、可见光双波段全景凝视成像光学系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，从物方到像方依次包括反射镜系统、非制冷型长波红外中继透镜组及可见光中继透镜组；其中所述的反射镜系统用于折转光路，实现圆周向360°凝视成像，从物方到像方依次由同光轴的主反射镜和次反射镜组成；所述的长波红外中继透镜组由5片锗透镜组成，从物方到像方由同轴的具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜组成；所述的可见光中继透镜组从物方到像方由同轴的具有负光焦度的第1透镜、具有负光焦度的第2透镜、具有正光焦度的第3透镜、具有正光焦度的第4透镜、具有正光焦度的双胶合第5透镜、具有负光焦度的第6透镜、具有正光焦度的第7透镜、具有负光焦度的双胶合第8透镜和具有正光焦度的第9透镜组成；通过选择长波红外中继透镜组与反射镜系统同光轴构成长波红外全景凝视成像光学系统，或者选择可见光中继透镜组与反射镜系统同光轴构成可见光全景凝视成像光学系统。
所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其主反射镜和次反射镜均为旋转对称非球面反射镜，材料为微晶玻璃。
所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，长波红外全景凝视成像光学系统工作波段为8～12μm，可见光全景凝视成像光学系统工作波段为0.4～0.7μm ，F#为1。
所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，长波红外全景凝视成像光学系统探测器F#为1，像素数640×512，像素大小25μm；可见光全景凝视成像光学系统CCD分辨率2560×2160，像元尺寸6.5μm。
所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其第一透镜的第二面、第四透镜的第二面和第五透镜的第一面均为非球面。
本发明的有益效果是：可通过选择长波红外/可见光中继透镜组及探测器组件实现长波红外、可见光双波段全景凝视成像；长波红外中继透镜组、可见光中继透镜组整组作为调焦部件，可补偿温度变化造成的长波红外全景凝视成像系统的像质退化；本发明基于双次反射原理的全景凝视成像光学系统，可实现对可见光波段和长波红外波段目标场景全方位的快速感知；基于双次反射的全景凝视成像光学系统不存在转动部件，其结构简单紧凑，可小型化设计，能有效满足全景凝视成像系统的小型化、轻量化以及高可靠性的设计要求。随着大面阵凝视成像器件和图像校正技术的发展，其图像分辨率和作用距离又可达到较好的技术性能。
附图说明
图1是本发明专利的光学系统示意图：图1（a）为长波红外光学系统，图1（b）为可见光光学系统；
图2是本发明专利光学系统传递函数图：图2（a）为长波红外，图2（b）为可见光。
图中各附图标记为：G1—长波红外中继透镜组，G2—可见光中继透镜组，1—主反射镜，2—次反射镜，3-1—第一透镜，4-1—第二透镜，5-1—第三透镜，6-1—第四透镜，7-1—第五透镜，3-2—第1透镜，4-2—第2透镜，5-2—第3透镜，6-2—第4透镜，7-2—第5透镜，8-2—第6透镜，9-2—第7透镜，10-2—第8透镜，11-2—第9透镜。
具体实施方式
以下结合附图，通过本实施例对本发明做进一步详细说明：
参照图1所示，本发明提出的非制冷型长波红外、可见光双波段全景凝视成像光学系统，从物方到像方依次由反射镜系统、非制冷型长波红外中继透镜组G1及可见光中继透镜组G2组成。其中长波红外中继透镜组G1与可见光中继透镜组G2共用反射镜系统，分别构成长波红外全景凝视成像光学系统及可见光全景凝视成像光学系统。长波红外系统与可见光系统分时工作，通过选择更换长波红外中继透镜组G1与可见光中继透镜组G2及探测器组件实现长波红外、可见光双波段全景凝视成像。长波红外中继透镜组G1与可见光中继透镜组G2整组作为调焦部件，补偿温度变化造成的长波红外全景凝视成像系统的像质退化。
由主反射镜1和次反射镜2构成的反射镜系统，用于折转光路，实现圆周向360°成像探测：物方-20°～20°视场范围内平行入射光线经主反射镜1、次反射镜2反射后，进入长波红外全景凝视成像光学系统/可见光全景凝视成像光学系统，光线折转后，物方-20°、+20°视场分别对应长波红外中继透镜组G1/可见光中继透镜组G2光轴上零视场和轴外最大半视场，视场映射满足线性映射关系，主反射镜1焦距为次反射镜2焦距的4倍；主反射镜1、次反射镜2皆为旋转对称非球面反射镜，材料为微晶玻璃。
本发明光学系统视场角水平360°，垂直向-20°～+20°
长波红外全景凝视成像光学系统从物方到像方依次由主反射镜1、次反射镜2、长波中继透镜组G1组成。其中长波中继透镜组G1由5片锗透镜组成，沿光轴方向上物侧到像侧依次分布有：具有负光焦度的第一透镜3-1；具有负光焦度的第二透镜4-1；具有正光焦度的第三透镜5-1；具有正光焦度的第四透镜6-1；具有正光焦度的第五透镜7-1。所述的长波红外全景凝视成像光学系统探测器F#为1，像素数640×512，像素大小25μm；工作波段为8～12μm。
所述的长波红外全景凝视成像光学系统适配FLIR tau 640探测器及同等或更高分辨率探测器，FLIR tau 640探测器，像素数640×512，像素大小25μm，工作波段为8～12μm；可见光全景凝视成像光学系统适配PCO公司CIS2521 SCMOS及同等分辨率探测器。CIS2521 SCMOS分辨率2560×2160，像元尺寸6.5μm。
可见光全景凝视成像光学系统从物方到像方依次由主反射镜1、次反射镜2、可见光中继透镜组G2组成。其中可见光中继透镜组G2沿光轴方向上物侧到像侧依次分布有：具有负光焦度的第1透镜3-2；具有负光焦度的第2透镜4-2；具有正光焦度的第3透镜5-2；具有正光焦度的第4透镜6-2；具有正光焦度的双胶合第5透镜7-2；具有负光焦度的第6透镜8-2；具有正光焦度的第7透镜9-2；具有负光焦度的双胶合第8透镜10-2；具有正光焦度的第9透镜11-2。所述的可见光全景凝视成像光学系统CCD分辨率2560×2160，像元尺寸6.5μm；工作波段为0.4～0.7μm ，F#为1。适配PCO公司CIS2521 SCMOS及同等分辨率探测器。CIS2521SCMOS分辨率2560×2160，像元尺寸6.5μm。
本发明光学系统具体设计参数如下表所示。
上表中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。
为使系统获得比较好的像质，长波红外全景凝视成像光学系统中使用三片非球面，分别位于第一透镜3-1的第二面、第四透镜6-1的第二面和第五透镜7-1的第一面，下表是其在具体实施例中使用非球面系数。
非球面方程定义如下：
。
图2为本发明专利光学系统的光学仿真数据图。其中图2（a）为长波红外光学系统在32lp/mm时的传递函数曲线图，图2（b）为可见光光学系统在120lp/mm时的传递函数曲线图，且其横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其特征在于：从物方到像方依次包括反射镜系统、非制冷型长波红外中继透镜组（G1）及可见光中继透镜组（G2）；
所述的反射镜系统用于折转光路，实现圆周向360°凝视成像，从物方到像方依次由同光轴的主反射镜（1）和次反射镜（2）组成；
所述的长波红外中继透镜组（G1）从物方到像方由同轴的具有负光焦度的第一透镜（3-1）、具有负光焦度的第二透镜（4-1）、具有正光焦度的第三透镜（5-1）、具有正光焦度的第四透镜（6-1）和具有正光焦度的第五透镜（7-1）组成；
所述的可见光中继透镜组（G2）从物方到像方由同轴的具有负光焦度的第1透镜（3-2）、具有负光焦度的第2透镜（4-2）、具有正光焦度的第3透镜（5-2）、具有正光焦度的第4透镜（6-2）、具有正光焦度的双胶合第5透镜（7-2）、具有负光焦度的第6透镜（8-2）、具有正光焦度的第7透镜（9-2）、具有负光焦度的双胶合第8透镜（10-2）和具有正光焦度的第9透镜（11-2）组成；
通过选择长波红外中继透镜组（G1）与反射镜系统同光轴构成长波红外全景凝视成像光学系统，或者选择可见光中继透镜组（G2）与反射镜系统同光轴构成可见光全景凝视成像光学系统。
2.根据权利要求1所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其特征在于，所述的主反射镜（1）和次反射镜（2）均为旋转对称非球面反射镜，材料为微晶玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其特征在于，所述的长波红外全景凝视成像光学系统工作波段为8～12μm，可见光全景凝视成像光学系统工作波段为0.4～0.7μm ，F#为1。
4.根据权利要求1所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其特征在于，所述的长波红外全景凝视成像光学系统探测器F#为1，像素数640×512，像素大小25μm；可见光全景凝视成像光学系统CCD分辨率2560×2160，像元尺寸6.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种非制冷型双波段全景凝视成像光学系统，其特征在于，所述的第一透镜（3-1）的第二面、第四透镜（6-1）的第二面和第五透镜（7-1）的第一面均为非球面。
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