CN110824673A - 一种超大视场全球面全景环带光学系统 - Google Patents

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白剑
王佳
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Abstract

本发明公开了一种超大视场球面全景环带光学系统，包括同轴安装的全景环带头部透镜、置于全景环带头部透镜后方的后继透镜组和传感器，所述全景环带头部透镜包括从物方到像方依次排列的PAL1和PAL2，所述后继透镜组包括从物方到像方依次排列的RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7；其中所述PAL1、RL1为具有正光焦度的弯月型玻璃透镜，所述PAL2、RL3、RL4、RL5、RL6为具有正光焦度的双凸透镜，所述RL2、RL7为具有负光焦度的双凹透镜；所述PAL1的凸面朝向物方，凹面朝向像方；所述RL1凹面朝向物方，凸面朝向像方，所有镜片均由球面玻璃构成。采用本发明的全景环带光学系统在所有镜片均采用球面的前提下，能够在有限像面实现(55°～120°)×360°超大视场一次凝视成像。

Description

一种超大视场全球面全景环带光学系统
技术领域
本发明涉及视觉传感器领域，包括视频会议、车载系统等等，尤其涉及一种超大视场全景环带光学系统。
背景技术
全景环带成像系统需要一次性完成将超大视场范围内的物体经过几何变换成像到有限像面的图像传感器上，当视场需求过大时，全景环带的设计难度会增加，在以往的设计中常加入非球面镜片来提升大视场的像质，但非球面玻璃加工较为困难，若采用光学塑料则会导致极端环境下成像质量的不稳定。
随着计算机视觉和人工智能的发展，研发者对光学传感器提出了更细分明确的要求，对于全景环带设计来说，更大的视场范围和更高的分辨率是研发重要方向。全景环带通过折反射的设计提高了大视场的成像质量，但当视场大于90°时，再想要提升视场范围难度就会逐步增大。例如在专利申请公开号为CN108181782A的无盲点的折返式全景成像仪中提到的全景环带镜头最大视场角为95°。专利申请公开号为CN109709661A的一种基于全景环带投影物镜的柱面结构光投影装置中提到的全景环带镜头最大视场角同样为95°。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种超大视场全景环带光学系统，可以通过全球面玻璃的设计满足全景环带光学系统大视场需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明实施例提供一种超大视场球面全景环带光学系统，包括同轴安装的全景环带头部透镜、置于全景环带头部透镜后方的后继透镜组和传感器，所述全景环带头部透镜包括从物方到像方依次排列的PAL1和PAL2，所述后继透镜组包括从物方到像方依次排列的RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7，RL3和RL4之间设置光阑；其中所述PAL1、RL1为具有正光焦度的弯月型玻璃透镜，所述PAL2、RL3、RL4、RL5、RL6为具有正光焦度的双凸透镜，所述RL2、RL7为具有负光焦度的双凹透镜；所述PAL1的凸面朝向物方，凹面朝向像方；所述RL1凹面朝向物方，凸面朝向像方，所有镜片均由球面玻璃构成。
进一步的，所述PAL1和PAL2胶合在一起，整体前表面包括前透射面A1和位于前透射面中心的前反射面A6，整体后表面包括后反射面A3和位于后反射面中心的后透射面A8，胶合面为透射面A2。
进一步的，所述RL1为单个透镜，前表面为透射面B1，后表面为透射面B2。
进一步的，所述RL2和RL3胶合在一起，前表面为透射面C1，后表面为透射面C3，中间透射胶合面为C2。
进一步的，所述RL4为单个透镜，前表面为透射面D1，后表面为透射面D2。
进一步的，所述RL5为单个透镜，前表面为透射面E1，后表面为透射面E2。
进一步的，所述RL6和RL7胶合在一起，前表面为透射面F1，后表面为透射面F3，中间透射胶合面为F2。
进一步的，沿着光路经过的各个面的参数具体如下：
A1面，曲率半径范围为36.90～37.90，中心厚度范围为14.40～15.40，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为29.60～30.60；
A2面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为14.60～15.60，折射率范围为1.65～1.70，阿贝数范围为55～56，有效半口径范围为29.60～30.60；
A3面，曲率半径范围为-22.70～-21.70，中心厚度范围为-15.60～-14.60，折射率为1，阿贝数为0，有效半口径范围为17.00～18.00；
A4面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为-15.40～-14.40，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为14.30～15.30；
A5面，曲率半径范围为36.90～37.90，中心厚度范围为3.60～4.60，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为4.20～5.20；
A6面，曲率半径范围为-24.90～-23.90，中心厚度范围为10.30～11.30，折射率为1，阿贝数为0，有效半口径范围为6.00～7.00；
A7面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为14.60～15.60，折射率范围为1.65～1.70，阿贝数范围为55～56，有效半口径范围为5.80～6.80；
A8面，曲率半径范围为-22.70～-21.70，中心厚度范围为4.10～5.10，有效半口径范围为5.40～6.40；
B1面，曲率半径范围为-24.90～-23.90，中心厚度范围为8.10～9.10，折射率范围为1.80～1.90，阿贝数范围为46～47，有效半口径范围为4.20～5.20；
B2面，曲率半径范围为-19.50～-18.50，中心厚度范围为6.30～7.30，有效半口径范围为3.90～4.90；
C1面，曲率半径范围为-7.30～-6.30，中心厚度范围为2.50～3.50，折射率范围为1.70～1.80，阿贝数范围为34～36，有效半口径范围为1.90～2.90；
C2面，曲率半径范围为11.60～12.60，中心厚度范围为4.70～5.70，折射率范围为1.50～1.60，阿贝数范围为57～58，有效半口径范围为1.90～2.90；
C3面，曲率半径范围为-10.90～-9.90，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为2.00～3.00；
光阑面，曲率半径为无限大，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为1.90～2.90；
D1面，曲率半径范围为365.00～375，中心厚度范围为2.80～3.80，折射率范围为1.50～1.60，阿贝数范围为57～58，有效半口径范围为2.10～3.10；
D2面，曲率半径范围为-17.90～-16.90，中心厚度范围为3.90～4.90，有效半口径范围为2.50～3.50；
E1面，曲率半径范围为34.00～35.00，中心厚度范围为2.50～3.50，折射率范围为1.55～1.65，阿贝数范围为68～69，有效半口径范围为3.10～4.10；
E2面，曲率半径范围为-45.00～-44.00，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为3.10～4.10；
F1面，曲率半径范围为7.90～8.90，中心厚度范围为3.90～4.90，折射率范围为1.65～1.75，阿贝数范围为49～50，有效半口径范围为3.10～4.10；
F2面，曲率半径范围为-17.20～-16.20，中心厚度范围为1.10～2.10，折射率范围为1.60～1.70，阿贝数范围为32～34，有效半口径范围为2.50～3.50；
F3面，曲率半径范围为3.90～4.90，中心厚度范围为9.80～10.80，有效半口径范围为2.00～3.00；
传感器面，曲率半径范围为无限大，有效半口径范围为3.00～4.00；
根据设计中的光线追迹原理，光线每次经过的面都需要单独标注，故有A5与A1为同一个面，A4、A7与A2为同一个面。
进一步的，使用时光轴垂直于地面放置，超大视场球面全景环带光学系统将绕光轴360°范围之内、水平线55°～120°范围内的物体发出的光线投影到传感器成像面上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。
本发明的有益效果是，本发明的全景环带光学系统采用全球面的玻璃透镜设计，包含两组双胶合透镜，相比于之前的全景环带镜头最大视场角只能做到100°左右，本发明视场角度能够达到120°，成像效果提升显著，且易于加工制作，可见光分辨率达到500万像素，像质良好，图像高分辨率显示。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例超大视场全球面全景环带光学系统光学结构图；
图2是本发明实施例的超大视场全球面全景环带光学系统中沿着光路方向各个表面的标记图；
图3是本发明实施例在可见光486-656nm下的MTF曲线图；
图4是本发明实施例在可见光486-656nm下的标准点列图；
图5是本发明实施例在可见光486-656nm下的场曲畸变图；
图6是本发明实施例在可见光486-656nm下的光程差图；
图7是本发明实施例在可见光486-656nm下的倍率色差图；
图8是本发明实施例在可见光486-656nm下的相对照度曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，为本发明超大视场全球面全景环带光学系统的光学结构图。所述超大视场全球面全景环带光学系统包括同轴安装的全景环带头部透镜(PAL)、置于全景环带头部透镜后方的后继透镜组(RL)和传感器。所述全景环带头部透镜包括从物方到像方依次排列的光学透镜为：PAL1和PAL2；后继透镜组包括从物方到像方依次排列的RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7，光阑面位于RL3和RL4之间；所述PAL1、RL1为具有正光焦度的弯月型玻璃透镜，所述PAL2、RL3、RL4、RL5、RL6为具有正光焦度的双凸透镜，所述RL2、RL7为具有负光焦度的双凹透镜；所述PAL1的凸面朝向物方，凹面朝向像方；所述RL1凹面朝向物方，凸面朝向像方。所有镜片均由球面玻璃构成。
如图2所示，为本发明的超大视场全球面全景环带光学系统中沿着光路方向各个表面的标记图；其中所述PAL1和PAL2胶合在一起，整体前表面包括前透射面A1和位于前透射面中心的前反射面A6，整体后表面包括后反射面A3和位于后反射面中心的后透射面A8，胶合面为透射面A2；所述RL1为单个透镜，前表面为透射面B1,后表面为透射面B2；所述RL2和RL3胶合在一起，前表面为透射面C1，后表面为透射面C3，中间透射胶合面为C2；所述RL4为单个透镜，前表面为透射面D1，后表面为透射面D2；所述RL5为单个透镜，前表面为透射面E1，后表面为透射面E2；所述RL6和RL7胶合在一起，前表面为透射面F1，后表面为透射面F3，中间透射胶合面为F2；入射光从环形透射面A1折射入射，经环形反射面A3反射到圆形反射面A6上，再经圆形反射面A6反射后经圆形透射面A8折射后出射，出射的光经后组折射透镜汇聚到传感器上。
超大视场全球面全景环带光学系统使用时光轴垂直于地面放置，超大视场全球面全景环带光学系统将绕光轴360°范围之内、水平线55°～120°范围内的物体发出的光线投影到传感器成像面上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。
图3至图8为本发明应用于实施案例的光学性能曲线图，其中：
图3为本发明可见光486nm-656nm下的MTF曲线图。MTF曲线图代表了一个光学系统的综合解像水平，由图2可知，130lp/mm处全视场MTF值≥0.45，接近衍射极限，成像清晰，满足分辨率的要求。此外，该光学系统在各个波长下的MTF表现也非常好。
图4为本发明可见光486nm-656nm下的点列图，其中波长取F光(486nm)、d光(588nm)及C光(656nm)五个波长，权重比为1:1:1。所用传感器的像元大小为3.45微米，由图可知，点列图中各视场均小于像元大小。
图5为本发明可见光486nm-656nm下的场曲和畸变曲线图。畸变曲线图表示不同视场情况下的F-Theta畸变大小值，单位为％。由图4可见，F-Theta畸变绝对值≤1％。
图6为本发明可见光486nm-656nm下的光程差图，该图表示了成像的波前相位误差。由图5可见，各个视场下的光程差≤±0.5waves。
图7为本发明可见光486nm-656nm下的倍率色差曲线图，通过该图可以看出各个波长的倍率色差曲线都在艾里斑以内，说明色差矫正良好。
图8为本发明可见光486nm-656nm下的相对照度曲线图。由图7可知，曲线下降平滑，最大视场下的相对照度值＞0.84，成像画面明亮，照度均匀。
在本发明实施案例中，该光学系统的整体焦距值为EFL，光圈值为FNO,视场角为FOV，光学系统总长为TTL。
本发明的优选参数值(表一)：
EFL＝-1.68,FNO＝4.46,FOV＝(55°～120°)×360°，像面尺寸为8.4mm×7.1mm，TTL＝88mm,感光成像芯片为SONY的IMX264 CMOS，单位：mm。
表一
Figure BDA0002292966780000051
Figure BDA0002292966780000061
表中，A1与A5为同一面，A2与A4和A7为同一面，表中面的顺序按照光线追迹的顺序排列。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，包括同轴安装的全景环带头部透镜、置于全景环带头部透镜后方的后继透镜组和传感器，所述全景环带头部透镜包括从物方到像方依次排列的PAL1和PAL2，所述后继透镜组包括从物方到像方依次排列的RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7，RL3和RL4之间设置光阑；其中所述PAL1、RL1为具有正光焦度的弯月型玻璃透镜，所述PAL2、RL3、RL4、RL5、RL6为具有正光焦度的双凸透镜，所述RL2、RL7为具有负光焦度的双凹透镜；所述PAL1的凸面朝向物方，凹面朝向像方；所述RL1凹面朝向物方，凸面朝向像方，所有镜片均由球面玻璃构成。
2.根据权利要求1所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述PAL1和PAL2胶合在一起，整体前表面包括前透射面A1和位于前透射面中心的前反射面A6，整体后表面包括后反射面A3和位于后反射面中心的后透射面A8，胶合面为透射面A2。
3.根据权利要求2所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述RL1为单个透镜，前表面为透射面B1，后表面为透射面B2。
4.根据权利要求3所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述RL2和RL3胶合在一起，前表面为透射面C1，后表面为透射面C3，中间透射胶合面为C2。
5.根据权利要求4所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述RL4为单个透镜，前表面为透射面D1，后表面为透射面D2。
6.根据权利要求5所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述RL5为单个透镜，前表面为透射面E1，后表面为透射面E2。
7.根据权利要求6所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，所述RL6和RL7胶合在一起，前表面为透射面F1，后表面为透射面F3，中间透射胶合面为F2。
8.根据权利要求7所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，沿着光路经过的各个面的参数具体如下：
A1面，曲率半径范围为36.90～37.90，中心厚度范围为14.40～15.40，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为29.60～30.60；
A2面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为14.60～15.60，折射率范围为1.65～1.70，阿贝数范围为55～56，有效半口径范围为29.60～30.60；
A3面，曲率半径范围为-22.70～-21.70，中心厚度范围为-15.60～-14.60，折射率为1，阿贝数为0，有效半口径范围为17.00～18.00；
A4面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为-15.40～-14.40，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为14.30～15.30；
A5面，曲率半径范围为36.90～37.90，中心厚度范围为3.60～4.60，折射率范围为1.60～1.65，阿贝数范围为53～54，有效半口径范围为4.20～5.20；
A6面，曲率半径范围为-24.90～-23.90，中心厚度范围为10.30～11.30，折射率为1，阿贝数为0，有效半口径范围为6.00～7.00；
A7面，曲率半径范围为77.90～78.90，中心厚度范围为14.60～15.60，折射率范围为1.65～1.70，阿贝数范围为55～56，有效半口径范围为5.80～6.80；
A8面，曲率半径范围为-22.70～-21.70，中心厚度范围为4.10～5.10，有效半口径范围为5.40～6.40；
B1面，曲率半径范围为-24.90～-23.90，中心厚度范围为8.10～9.10，折射率范围为1.80～1.90，阿贝数范围为46～47，有效半口径范围为4.20～5.20；
B2面，曲率半径范围为-19.50～-18.50，中心厚度范围为6.30～7.30，有效半口径范围为3.90～4.90；
C1面，曲率半径范围为-7.30～-6.30，中心厚度范围为2.50～3.50，折射率范围为1.70～1.80，阿贝数范围为34～36，有效半口径范围为1.90～2.90；
C2面，曲率半径范围为11.60～12.60，中心厚度范围为4.70～5.70，折射率范围为1.50～1.60，阿贝数范围为57～58，有效半口径范围为1.90～2.90；
C3面，曲率半径范围为-10.90～-9.90，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为2.00～3.00；
光阑面，曲率半径为无限大，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为1.90～2.90；
D1面，曲率半径范围为365.00～375，中心厚度范围为2.80～3.80，折射率范围为1.50～1.60，阿贝数范围为57～58，有效半口径范围为2.10～3.10；
D2面，曲率半径范围为-17.90～-16.90，中心厚度范围为3.90～4.90，有效半口径范围为2.50～3.50；
E1面，曲率半径范围为34.00～35.00，中心厚度范围为2.50～3.50，折射率范围为1.55～1.65，阿贝数范围为68～69，有效半口径范围为3.10～4.10；
E2面，曲率半径范围为-45.00～-44.00，中心厚度范围为0.50～1.50，有效半口径范围为3.10～4.10；
F1面，曲率半径范围为7.90～8.90，中心厚度范围为3.90～4.90，折射率范围为1.65～1.75，阿贝数范围为49～50，有效半口径范围为3.10～4.10；
F2面，曲率半径范围为-17.20～-16.20，中心厚度范围为1.10～2.10，折射率范围为1.60～1.70，阿贝数范围为32～34，有效半口径范围为2.50～3.50；
F3面，曲率半径范围为3.90～4.90，中心厚度范围为9.80～10.80，有效半口径范围为2.00～3.00；
传感器面，曲率半径范围为无限大，有效半口径范围为3.00～4.00；
根据设计中的光线追迹原理，光线每次经过的面都需要单独标注，故有A5与A1为同一个面，A4、A7与A2为同一个面。
9.根据权利要求8所述的一种超大视场球面全景环带光学系统，其特征在于，使用时光轴垂直于地面放置，超大视场球面全景环带光学系统将绕光轴360°范围之内、水平线55°～120°范围内的物体发出的光线投影到传感器成像面上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114967072A (zh) * 2022-06-10 2022-08-30 浙江大学 一种三片式近红外全景环带镜头
CN115097607A (zh) * 2022-08-26 2022-09-23 杭州环峻科技有限公司 全景环带光学系统

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