CN112363308B - 紧凑型双通道折反射全景成像光学系统 - Google Patents

紧凑型双通道折反射全景成像光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，包括：第一通道、第二通道、光阑和传感器；第一通道包括第一通道反射透镜和4个后继透镜，第二通道包括2个透镜以及与第一通道共用的4个后继透镜，第一通道入射光经过第一通道反射透镜反射进入后继透镜组，将周围360°环视场景成像到传感器上，第二通道入射光在第二通道的物方经过2个透镜汇聚并依次经过4个后继透镜再成像到传感器上；本发明弥补了传统折反射全景光学系统传感器中间视场像面为传感器的缺陷，采用双通道共用光路，减小反射镜尺寸，实现大范围双视场清晰成像，提高了传感器有效利用率；降低了制造成本，系统紧凑度更高，可应用到空间限制场景中。

Description

紧凑型双通道折反射全景成像光学系统
技术领域
本发明涉及全景成像光学技术领域，尤其涉及一种紧凑型双通道折反射全景成像光学系统。
背景技术
随着信息科学技术的不断发展，使用多视场超广角全景成像系统多维成像技术对周围环境信息进行感知已经成为国内外研究热点。5G的发展和传感器小型化应用大大提高了光学系统的信息传输能力，同时让光学成像系统的微型化和智能化成为可能，对其环境感知能力提出了更高的要求。如何高效利用传感器满足小体积多视场光学成像已经成为了研究者们亟需解决的问题。
折反射全景光学系统利用反射镜对周围360°景物进行成像，是一种超大视场特殊成像光学系统，但由于其光学原理导致了折反射全景光学系统中反射镜体积较大，相对于同类型360°环视成像的全景环带光学系统体积更大，不利于在空间限制的环境中进行成像和勘探。同时，传统的折反射全景光学系统的中心区域虽无盲区，但是对后继系统和传感器成像，反射镜中心区域无法对周围环境进行成像和感知，造成了传感器有效利用率不高的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，以弥补传统折反射全景光学系统传感器中间视场像面为传感器的缺陷，采用双通道共用光路，减小反射镜尺寸，实现大范围双视场清晰成像，提高了传感器有效利用率。
本发明采用的具体技术方案如下：
紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，包括第一通道、第二通道、光阑和传感器；
第一通道包括第一通道反射透镜、1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜，第一通道反射透镜、1号后继透镜、2号后继透镜、3 号后继透镜以及4号后继透镜从物方到像方依次排列，1号后继透镜前方设置光阑，第二通道包括第二通道2号透镜、第二通道1号透镜、1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜，第二通道2号透镜、第二通道1号透镜、1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜从物方到像方依次排列，第一通道和第二通道共用由1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜组成的后继透镜组，第一通道入射光经过第一通道反射透镜反射进入后继透镜组，将周围360°环视场景最终成像到位于4号后继透镜后方的传感器上，第二通道与后继透镜组同光轴，第二通道入射光在第二通道的物方经过第二通道2号透镜和第二通道1号透镜汇聚后依次经过1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜然后再成像到传感器上；
第一通道反射透镜为反射镜，包括第一通道反射透镜反射面，可将第一通道物方入射光反射经过光阑进入1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜，1号后继透镜包括1号后继透镜前表面和1号后继透镜后表面， 2号后继透镜包括2号后继透镜前表面和2号后继透镜后表面，3号后继透镜包括3号后继透镜前表面和3号后继透镜后表面，4号后继透镜为滤光片，包括4 号后继透镜前表面和4号后继透镜后表面，4号后继透镜前表面和4号后继透镜后表面中至少有一个镀覆有红外截止滤膜，第二通道1号透镜包括第二通道1 号透镜后表面和第二通道1号透镜前表面，第二通道2号透镜包括第二通道2 号透镜后表面和第二通道2号透镜前表面。
进一步的技术方案为
沿着光路经过的各个面的参数具体如表1和表2，其中，表1为第一通道反射透镜、光阑、1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜以及4号后继透镜的光学参数，表2为第二通道1号透镜和第二通道2号透镜的光学参数：
表1
Figure BDA0002835405710000021
表2
Figure BDA0002835405710000022
其中第一通道反射透镜反射面为抛物面，圆锥系数为-1，1号后继透镜前表面、1号后继透镜后表面、2号后继透镜前表面、2号后继透镜后表面、3号后继透镜前表面、3号后继透镜后表面、4号后继透镜前表面、4号后继透镜后表面、第二通道1号透镜后表面、第二通道1号透镜前表面、第二通道2号透镜后表面和第二通道2号透镜前表面均为球面。
本发明和现有技术相比具有以下优点：
本发明提供的一种紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，包括：第一通道、第二通道、光阑和传感器。第一通道包括第一通道反射透镜、1号后继透镜、 2号后继透镜、3号后继透镜和4号后继透镜，第二通道包括第二通道2号透镜、第二通道1号透镜、1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜和4号后继透镜，第一通道和第二通道共用由1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜和 4号后继透镜组成的后继透镜组，第一通道入射光经过第一通道反射透镜反射进入后继透镜组，将周围360°环视场景成像到传感器上，第二通道入射光在第二通道的物方经过第二通道2号透镜和第二通道1号透镜汇聚后依次经过1号后继透镜、2号后继透镜、3号后继透镜和4号后继透镜然后再成像到传感器上。本发明弥补了传统折反射全景光学系统传感器中间视场像面为传感器的缺陷，采用双通道共用光路，减小反射镜尺寸，实现大范围双视场清晰成像，提高了传感器有效利用率。
其次，本发明提供的一种紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，除反射镜外其他表面都为球面，便于加工和制造，极大地降低了成本，反射镜与传感器之比相对于传统折反射全景系统紧凑度更高，实现了系统的紧凑化，可应用到空间限制场景中。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明提供的紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的结构示意图；
图2为本发明提供的紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的第一通道各个表面的分布示意图；
图3为本发明提供的紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的第二通道各个表面的分布示意图；
图4为第一通道和第二通道的成像在传感器上的成像分布图；
图中：1.光阑，2.传感器，3.第一通道成像区域，4.第二通道成像区域，C1. 第一通道入射光，C2.第二通道入射光，L1.第一通道反射透镜，L2.1号后继透镜， L3.2号后继透镜，L4.3号后继透镜，L5.4号后继透镜，L6.第二通道1号透镜 L6，L7.第二通道2号透镜L7，S1.第一通道反射透镜反射面，S2.1号后继透镜前表面，S3.1号后继透镜后表面，S4.2号后继透镜前表面，S5.2号后继透镜后表面，S6.3号后继透镜前表面，S7.3号后继透镜后表面，S8.4号后继透镜前表面，S9.4号后继透镜后表面，S10.第二通道1号透镜后表面，S11.第二通道1号透镜前表面，S12.第二通道2号透镜后表面，S13.第二通道2号透镜前表面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
参阅图1，为本发明提供的紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的双通道系统示意图，包括第一通道、第二通道、光阑1和传感器2；
第一通道包括第一通道反射透镜L1、1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L4以及4号后继透镜L5，第一通道反射透镜L1、1号后继透镜 L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L4以及4号后继透镜L5从物方到像方依次排列，1号后继透镜L2前方设置光阑1，第二通道包括第二通道2号透镜L7、第二通道1号透镜L6、1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L4 以及4号后继透镜L5，第二通道2号透镜L7、第二通道1号透镜L6、1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L4以及4号后继透镜L5从物方到像方依次排列，第一通道和第二通道共用由1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、 3号后继透镜L4以及4号后继透镜L5组成的后继透镜组，第一通道入射光C1 经过第一通道反射透镜L1反射进入后继透镜组，将周围360°环视场景最终成像到位于4号后继透镜L5后方的传感器2上，第二通道与后继透镜组同光轴，第二通道入射光C2在第二通道的物方经过第二通道2号透镜L7和第二通道1 号透镜L6汇聚后依次经过1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜 L4以及4号后继透镜L5然后再成像到传感器2上；
参阅图2，为本发明提供的紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的第一通道中的各个表面的分布示意图，第一通道反射透镜L1为反射镜，包括第一通道反射透镜反射面S1，第一通道反射透镜L1的设计采用了抛物面结构，其半直径与传感器的尺寸之比缩小，实现系统在垂轴方向的紧凑性，其可将第一通道入射光C1反射经过光阑1依次进入1号后继透镜L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L4、4号后继透镜L5，1号后继透镜L2包括1号后继透镜前表面S2和1 号后继透镜后表面S3，2号后继透镜L3包括2号后继透镜前表面S4和2号后继透镜后表面S5，3号后继透镜L4包括3号后继透镜前表面S6和3号后继透镜后表面S7，4号后继透镜L5为滤光片，包括4号后继透镜前表面S8和4号后继透镜后表面S9，4号后继透镜前表面S8和4号后继透镜后表面S9中至少有一个镀覆有红外截止滤膜。
参阅图3，为紧凑型双通道折反射全景成像光学系统的第二通道中的各个表面分布示意图，第二通道1号透镜L6包括第二通道1号透镜后表面S10和第二通道1号透镜前表面S11，第二通道2号透镜L7包括第二通道2号透镜后表面S12和第二通道2号透镜前表面S13。第二通道与第一通道共用1号后继透镜 L2、2号后继透镜L3、3号后继透镜L44和4号后继透镜L5，仅仅使用两块透镜(第二通道1号透镜L6和第二通道2号透镜L7)即实现了双通道全景成像，解决了传统折反射全景光学系统中心盲区的问题，提高了传感器的有效利用率，同时，第二通道利用第一通道反射透镜L1的中心圆形通孔，减小了反射镜重量，共用4个后继透镜减小了系统的体积，使得该光学系统能够在空间限制和重量限制的场景下使用，提高了应用领域的适普性。
参阅图4，为像面双通道成像分布图，第一通道将周围360°场景发出的第一通道入射光C1成像到传感器4的第一通道成像区域3中，第二通道将第二通道C2在物方场景成像到传感器4的第二通道成像区域4中。相比于传统折反射全景光学系统，该系统成功解决了中心视场为传感器的无效成像问题，大大提高了传感器的有效利用率，增强了系统对周围环境的感知能力。
在本发明实施案例中，该光学系统的第一通道焦距为EFL1，视场角为FOV1, 第二通道焦距为EFL2，视场角为FOV2。
本发明的各个透镜的优选参数值如表1和表2，其中，表1为第一通道中各透镜的光学参数，表2为第二通道中各透镜的光学参数；
EFL1＝1mm,FOV1＝(50°～130°)×360°，EFL2＝-1.75mm，FOV2＝(0°～15 °)×360°。
在材料方面，为降低生产和加工价格，透镜的材料可选择PMMA和OKP4。
表1
Figure BDA0002835405710000051
表2
Figure BDA0002835405710000061
其中第一通道反射透镜反射面S1为抛物面，圆锥系数为-1，由以下方程进行描述：
Figure BDA0002835405710000062
该方程中z是离在表面与光轴的交点与该表面相切的平面距离，c是表面曲率(曲率半径的倒数)，y是从光轴到z要被计算的点的距离，k是圆锥系数。
1号后继透镜前表面S2、1号后继透镜后表面S3、2号后继透镜前表面S4 和2号后继透镜后表面S5、3号后继透镜前表面S6和3号后继透镜后表面S7、 4号后继透镜前表面S8、4号后继透镜后表面S9、第二通道1号透镜后表面S10、第二通道1号透镜前表面S11、第二通道2号透镜后表面S12、第二通道2号透镜前表面S13均为球面。

Claims (1)

1.紧凑型双通道折反射全景成像光学系统，包括第一通道、第二通道、光阑(1)和传感器(2)；
第一通道包括第一通道反射透镜(L1)、1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)，第一通道反射透镜(L1)、1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)从物方到像方依次排列，1号后继透镜(L2)前方设置光阑(1)，第二通道包括第二通道2号透镜(L7)、第二通道1号透镜(L6)、1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)，第二通道2号透镜(L7)、第二通道1号透镜(L6)、1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)从物方到像方依次排列，第一通道和第二通道共用由1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)组成的后继透镜组，第一通道入射光(C1)经过第一通道反射透镜(L1)反射进入后继透镜组，将周围360°环视场景最终成像到位于4号后继透镜(L5)后方的传感器(2)上，第二通道与后继透镜组同光轴，第二通道入射光(C2)在第二通道的物方经过第二通道2号透镜(L7)和第二通道1号透镜(L6)汇聚后依次经过1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)然后再成像到传感器(2)上；
第一通道反射透镜(L1)为反射镜，包括第一通道反射透镜反射面(S1)，可将第一通道物方入射光反射经过光阑(1)进入1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)，1号后继透镜(L2)包括1号后继透镜前表面(S2)和1号后继透镜后表面(S3)，2号后继透镜(L3)包括2号后继透镜前表面(S4)和2号后继透镜后表面(S5)，3号后继透镜(L4)包括3号后继透镜前表面(S6)和3号后继透镜后表面(S7)，4号后继透镜(L5)为滤光片，包括4号后继透镜前表面(S8)和4号后继透镜后表面(S9)，4号后继透镜前表面(S8)和4号后继透镜后表面(S9)中至少有一个镀覆有红外截止滤膜，第二通道1号透镜(L6)包括第二通道1号透镜后表面(S10)和第二通道1号透镜前表面(S11)，第二通道2号透镜(L7)包括第二通道2号透镜后表面(S12)和第二通道2号透镜前表面(S13)；其特征在于，沿着光路经过的各个面的参数具体如表1和表2，其中，表1为第一通道反射透镜(L1)、光阑(1)、1号后继透镜(L2)、2号后继透镜(L3)、3号后继透镜(L4)以及4号后继透镜(L5)的光学参数，表2为第二通道1号透镜(L6)和第二通道2号透镜(L7)的光学参数：
表1
Figure FDA0003639831990000021
表2
Figure FDA0003639831990000022
其中第一通道反射透镜反射面(S1)为抛物面，圆锥系数为-1，1号后继透镜前表面(S2)、1号后继透镜后表面(S3)、2号后继透镜前表面(S4)、2号后继透镜后表面(S5)、3号后继透镜前表面(S6)、3号后继透镜后表面(S7)、4号后继透镜前表面(S8)、4号后继透镜后表面(S9)、第二通道1号透镜后表面(S10)、第二通道1号透镜前表面(S11)、第二通道2号透镜后表面(S12)和第二通道2号透镜前表面(S13)均为球面。
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