CN113467062B - 一种可见光与近红外光双分辨成像镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光与近红外光双分辨成像镜头。本发明主要由前组镜头、分光棱镜、后组可见光镜头、可见光像面、后组近红外光镜头和近红外光像面组成，光束入射到前组镜头，经前组镜头透射后到分光棱镜发生反射和折射，分光棱镜的透射光经后组可见光镜头后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像，分光棱镜的反射光经后组近红外光镜头后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外成像。本发明充分利用了可见光与近红外波段的信息，优化设计的双胶合透镜和整体结构能有效减少像差、提高成像质量，共轴双像面结构使得成像结果没有视差、易于配准融合。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域的一种光学镜头，具体涉及了一种可见光与近红外光双分辨成像镜头。
背景技术
可见光成像的分辨率高、视觉效果好，但在夜间、大雾等环境条件成像质量将大幅下降。红外系统则可全天候工作，但红外图像通常存在空间分辨率有限、对比度低、视觉效果模糊等问题。可见光与红外成像各具优势，由二者构成双分辨有助于提取更多有用的信息，同时比两路红外镜头大幅降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，该镜头能结合两个像面在可见光波段和近红外波段成像，镜头结构紧凑、稳定性强，双像面的成像结果没有视差、易于配准融合。
本发明所采用的技术方案是：
本发明主要由前组镜头、分光棱镜、后组可见光镜头、可见光像面、后组近红外光镜头和近红外光像面组成，光束入射到前组镜头，经前组镜头后到达分光棱镜，分光棱镜的透射光经后组可见光镜头后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像，分光棱镜的反射光经后组近红外光镜头后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外成像。
所述前组镜头主要由同轴间隔布置的第一凸透镜和第二凸透镜组成；光线依次经第一凸透镜和第二凸透镜后入射到分光棱镜；第一凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第二凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
所述后组可见光镜头主要由第三凸透镜、第一双胶合透镜、第四凸透镜、第一凹透镜和第五凸透镜组成；分光棱镜的透射光依次经第三凸透镜、第一双胶合透镜、第四凸透镜、第一凹透镜和第五凸透镜后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像；第三凸透镜的入射面和出射面均为凸面，第四凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第一凹透镜的入射面和出射面均为凹面，第五凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
所述后组近红外光镜头主要由第二凹透镜、第六凸透镜、第七凸透镜、第二双胶合透镜、第八凸透镜组成；分光棱镜的反射光依次经第二凹透镜、第六凸透镜、第七凸透镜、第二双胶合透镜、第八凸透镜后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外光成像；第二凹透镜的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第六凸透镜的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第七凸透镜的入射面和出射面均为凸面，第八凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
所述第一胶合透镜为凹透镜和凸透镜通过胶合构成，凹透镜朝向分光棱镜一侧布置，凸透镜朝向可见光像面一侧布置，凹透镜的入射面和出射面均为凹面，凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
所述第二胶合透镜为凸透镜和凹透镜通过胶合构成，凸透镜朝向分光棱镜一侧布置，凹透镜朝向近红外光像面一侧布置，凸透镜的入射面和出射面均为凸面，凹透镜的入射面和出射面均为凹面。
所述前组镜头和分光棱镜的材料均为熔融石英。
所述第一胶合透镜的凹透镜的材料为重火石玻璃，凸透镜的材料为重火石玻璃。
所述第二胶合透镜的凸透镜的材料为重镧火石玻璃、凹透镜的材料为重火石玻璃。
所述后组可见光镜头和后组近红外光镜头的光轴垂直并且两个光轴的交点与分光棱镜的中心重合。
本发明采用共轴双像面结构进行布置，包含两路光线，一路为可见光成像，另一路为近红外成像，两组光路的光轴相互垂直，交点在分光棱镜的中心上。所述前组镜头、分光棱镜、后组近红外光镜头可以等效成一个近红外光镜头，结合近红外光传感器进行成像。所述前组镜头、分光棱镜、后组可见光镜头可以等效成一个可见成像镜头，结合可见光传感器进行成像。所述等效近红外光镜头与等效可见光镜头共用了前组镜头和分光棱镜。
本发明与已有技术相比具有以下有益效果：
(1)结合前沿的可见光与红外图像融合技术，利用可见光像面的信息指导红外像面的信息进行红外图像超分辨，能有效改善红外镜头成像的空间分辨率有限、对比度低、视觉效果模糊等问题，获得高质量红外图像。
(2)镜头采用共轴双像面结构。双像面采集的图像没有视差，从系统硬件上避免了复杂的图像配准问题、提高了系统的稳定性，在后期图像融合的过程中能更快速得到像质更高的双分辨图像。
(3)镜头利用分光棱镜的分光作用，将光束一分为二，且光线传播方向相互垂直，利用分光棱镜滤光作用，分别选择可见光和近红外波段进行成像，提取特征，充分利用可见光与近红外波段的信息，适用于双像面相机。
(4)后组镜头中优化设计的双胶合透镜和整体结构能有效减少像差，大幅提高了成像质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为等效可见光镜头示意图；
图3为等效近红外光镜头示意图；
图4为等效可见光镜头的MTF曲线；
图5为等效近红外光镜头的MTF曲线；
图6为等效可见光镜头的点列图；
图7为等效近红外光镜头的点列图；
图中：第一凸透镜1、第二凸透镜2、分光棱镜3、第三凸透镜4、第一双胶合透镜5、第四凸透镜6、第一凹透镜7、第五凸透镜8、第二凹透镜9、第六凸透镜10、第七凸透镜11、第二双胶合透镜12、第八凸透镜13。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明主要由前组镜头、分光棱镜3、后组可见光镜头、可见光像面、后组近红外光镜头和近红外光像面组成，共包含10片透镜、2片胶合透镜、1个分光棱镜。光束入射到前组镜头，经前组镜头后到达分光棱镜3，分光棱镜3的透射光经后组可见光镜头后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像，分光棱镜3的反射光经后组近红外光镜头后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外成像。后组可见光镜头和后组近红外光镜头的光轴垂直并且两个光轴的交点与分光棱镜3的中心重合。由此，便可在后组近红外光镜头、后组可见光镜头后分别设置近红外传感器、可见光传感器，实现可见光的高分辨率与近红外的低分辨率成像。
前组镜头主要由同轴间隔布置的第一凸透镜1和第二凸透镜2组成；光线依次经第一凸透镜1和第二凸透镜2后入射到分光棱镜3；第一凸透镜1的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第二凸透镜2的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
前组镜头、分光棱镜和后组可见光镜头构成等效可见光镜头，后组可见光镜头主要由第三凸透镜4、第一双胶合透镜5、第四凸透镜6、第一凹透镜7和第五凸透镜8组成；分光棱镜3的透射光依次经第三凸透镜4、第一双胶合透镜5、第四凸透镜6、第一凹透镜7和第五凸透镜8后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像；第三凸透镜4的入射面和出射面均为凸面，第四凸透镜6的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第一凹透镜7的入射面和出射面均为凹面，第五凸透镜8的入射面和出射面分别为凸面和凹面。第一胶合透镜5为凹透镜和凸透镜通过胶合构成，凹透镜朝向分光棱镜3一侧布置，凸透镜朝向可见光像面一侧布置，凹透镜的入射面和出射面均为凹面，凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
前组镜头、分光棱镜3和后组近红外光镜头构成等效近红外光镜头，后组近红外光镜头主要由第二凹透镜9、第六凸透镜10、第七凸透镜11、第二双胶合透镜12、第八凸透镜13组成；分光棱镜3的反射光依次经第二凹透镜9、第六凸透镜10、第七凸透镜11、第二双胶合透镜12、第八凸透镜13后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外光成像；第二凹透镜9的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第六凸透镜10的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第七凸透镜11的入射面和出射面均为凸面，第八凸透镜13的入射面和出射面分别为凸面和凹面。第二胶合透镜12为凹透镜和凸透镜通过胶合构成，凸透镜朝向分光棱镜3一侧布置，凹透镜朝向近红外光像面一侧布置，凸透镜的入射面和出射面均为凸面，凹透镜的入射面和出射面均为凹面。
前组镜头和分光棱镜3的材料均为熔融石英F_SILICA。
第一双胶合透镜5的凹透镜的材料为重火石玻璃H-ZF52，凸透镜的材料为重火石玻璃H-ZF62。
第二双胶合透镜12的凸透镜的材料为重镧火石玻璃N-LASF31、凹透镜的材料为重火石玻璃N-SF66。
如图2所示，由前组镜头、分光棱镜、后组可见光镜头组成的系统可等效成一个独立的可见光镜头，称为等效可见光镜头。等效可见光镜头的焦距为80mm，半视场角为3.3deg，成像波段在0.43um-0.68um，像方空间的F/#＝5.6，像面大小为2560×2048，像元大小为2.8um。等效可见光镜头沿光线的入射方向依次由第一凸透镜(1)、第二凸透镜(2)、分光棱镜(3)、第三凸透镜(4)、第一双胶合透镜(5)、第四凸透镜(6)、第一凹透镜(7)、第五凸透镜(8)组成。具体参数如下：第一凸透镜(1)的中心厚度为3.50mm，曲率半径分别为102.73mm和577.55mm，与第二凸透镜(2)之间的空气间隔为0.50mm，材料为F_SILICA；第二凸透镜(2)的中心厚度为2.00mm，曲率半径分别为68.46mm和95.51mm，与分光棱镜(3)之间的空气间隔为2.00mm，材料为F_SILICA；分光棱镜(3)的厚度为22.00mm，与第三凸透镜(4)之间的空气间隔为1.97mm，材料为F_SILICA；第三凸透镜(4)的中心厚度4.09mm，曲率半径分别为22.54mm和-119.76mm，与第一双胶合透镜(5)之间的空气间隔为0.71mm，材料为H-QK3L；第一双胶合透镜(5)三个面的曲率半径分别为-490.29mm、12.75mm和95.13mm，负光组透镜的中心厚度为1.98mm、材料为H-ZF52，正光组透镜的中心厚度为5.34mm、材料为H-ZF62，与第四凸透镜(6)之间的空气间隔为0.19mm；第四凸透镜(6)的中心厚度为3.39mm，曲率半径分别为21.85mm和285.38mm，与第一凹透镜(7)之间的空气间隔为0.77mm，材料为H-QK3L；第一凹透镜(7)的中心厚度为4.51mm，曲率半径为-92.91mm和13.47mm，与第五凸透镜(8)之间的空气间隔为20.73mm，材料为H-ZF6；第五凸透镜(8)的中心厚度为5.86mm，曲率半径为31.81mm和69.45mm，与像面之间的空气间隔为19.17mm，材料为H-ZF13。
如图3所示，由前组镜头、分光棱镜、后组近红外光镜头组成的系统可等效成一个独立的近红外光镜头，称为等效近红外光镜头。等效近红外光镜头的焦距为30mm，半视场角为25deg，成像波段在0.90um-1.70um，像方空间的F/#＝5.6，像面大小为1280×1024，像元大小为15um。等效近红外光镜头沿光线的入射方向依次由第一凸透镜(1)、第二凸透镜(2)、分光棱镜(3)、第二凹透镜(9)、第六凸透镜(10)、第七凸透镜(11)、第二双胶合透镜(12)、第八凸透镜(13)组成。具体参数如下：前组镜头、分光棱镜(5)的参数与等效可见光镜头一致，分光棱镜(5)与第二凹透镜(9)之间的空气间隔为2.45mm；第二凹透镜(9)的中心厚度为2.47mm，曲率半径分别为-10.65mm和-212.96mm，与第六凸透镜(10)之间的空气间隔为0.47mm，材料为SF56A；第六凸透镜(10)的中心厚度为3.80mm，曲率半径分别为-73.80mm和-15.21mm，与第七凸透镜(11)之间的空气间隔为0.20mm，材料为IRG2；第七凸透镜(11)的中心厚度为2.97mm，曲率半径分别为82.31mm和-37.60mm，与第二双胶合透镜(12)之间的空气间隔为0.18mm，材料为N-LASF31A；第二双胶合透镜(12)三个面的曲率半径分别为41.53mm、-23.48mm和32.54mm，正光组透镜中心厚度为4.10mm、材料为N-LASF31，负光组透镜中心厚度为2.08mm、材料为N-SF66，与第八凸透镜(6)之间的空气间隔为0.56mm；第八凸透镜(13)的中心厚度为2.69mm，曲率半径为69.55mm和75.85mm，与像面之间的空气间隔为24.15mm，材料为LAFN24。
图4为等效可见光镜头的MTF曲线，在可见光像面的奈奎斯特采样频率(约为177lp/mm)下，并且3.3deg的视场角内，系统的MTF值都大于0.25。图5为等效近红外光镜头的MTF曲线，在近红外像面的奈奎斯特采样频率(约为33lp/mm)下，并且25deg的视场角内，系统的MTF值都大于0.5。图6为等效可见光镜头的点列图，在输入波长为0.43～0.69um的光线下，镜头在0deg、1.5deg、2.8deg、3.3deg视场角下的均方根半径分别为2.1um、2.1um、2.0um、2.0um。图7为等效近红外光镜头的点列图，在输入波长为0.9～1.7um的光线下，镜头在0deg、5deg、10deg、15deg、20deg、25deg视场角下的均方根半径分别为4.78um、4.87um、5.25um、5.72um、5.48um、5.88um。该可见光与近红外光双分辨成像镜头的光斑半径均小于像元大小，并且MTF值高，由此可知该镜头的成像质量高。
需要说明的是，镜头的两条光路能同时进行可见光成像与近红外成像，但镜头设计的初衷是利用可见光成像的高分辨、高对比度、视觉效果清晰等特点来改善红外成像系统分辨率低、对比度差、视觉效果模糊等问题。装配到双像面相机中使用时，可结合可见光与红外图像融合算法，利用可见光像面的信息指导红外像面的信息进行像质提升，获得高质量的红外图像。
Claims (9)
1.一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：主要由前组镜头、分光棱镜（3）、后组可见光镜头、可见光像面、后组近红外光镜头和近红外光像面组成，光束入射到前组镜头，经前组镜头后到达分光棱镜（3），分光棱镜（3）的透射光经后组可见光镜头后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像，分光棱镜（3）的反射光经后组近红外光镜头后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外成像；
所述后组可见光镜头主要由第三凸透镜（4）、第一双胶合透镜（5）、第四凸透镜（6）、第一凹透镜（7）和第五凸透镜（8）组成；分光棱镜（3）的透射光依次经第三凸透镜（4）、第一双胶合透镜（5）、第四凸透镜（6）、第一凹透镜（7）和第五凸透镜（8）后入射到可见光像面进行高分辨率的可见光成像；第三凸透镜（4）的入射面和出射面均为凸面，第四凸透镜（6）的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第一凹透镜（7）的入射面和出射面均为凹面，第五凸透镜（8）的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
2.根据权利要求1所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述前组镜头主要由同轴间隔布置的第一凸透镜（1）和第二凸透镜（2）组成；光线依次经第一凸透镜（1）和第二凸透镜（2）后入射到分光棱镜（3）；第一凸透镜（1）的入射面和出射面分别为凸面和凹面，第二凸透镜（2）的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
3.根据权利要求1所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述后组近红外光镜头主要由第二凹透镜（9）、第六凸透镜（10）、第七凸透镜（11）、第二双胶合透镜（12）、第八凸透镜（13）组成；分光棱镜（3）的反射光依次经第二凹透镜（9）、第六凸透镜（10）、第七凸透镜（11）、第二双胶合透镜（12）、第八凸透镜（13）后入射到近红外光像面进行低分辨率的近红外光成像；第二凹透镜（9）的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第六凸透镜（10）的入射面和出射面分别为凹面和凸面，第七凸透镜（11）的入射面和出射面均为凸面，第八凸透镜（13）的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
4.根据权利要求1所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述第一双胶合透镜（5）为凹透镜和凸透镜通过胶合构成，凹透镜朝向分光棱镜（3）一侧布置，凸透镜朝向可见光像面一侧布置，凹透镜的入射面和出射面均为凹面，凸透镜的入射面和出射面分别为凸面和凹面。
5.根据权利要求3所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述第二双胶合透镜（12）为凸透镜和凹透镜通过胶合构成，凸透镜朝向分光棱镜（3）一侧布置，凹透镜朝向近红外光像面一侧布置，凸透镜的入射面和出射面均为凸面，凹透镜的入射面和出射面均为凹面。
6.根据权利要求3所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述前组镜头和分光棱镜（3）的材料均为熔融石英。
7.根据权利要求4所述的可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述第一双胶合透镜（5）的凹透镜的材料为重火石玻璃，凸透镜的材料为重火石玻璃。
8.根据权利要求5所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述第二双胶合透镜（12）的凸透镜的材料为重镧火石玻璃、凹透镜的材料为重火石玻璃。
9.根据权利要求1所述的一种可见光与近红外光双分辨成像镜头，其特征在于：所述后组可见光镜头和后组近红外光镜头的光轴垂直并且两个光轴的交点与分光棱镜（3）的中心重合。
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