CN113777874A - 一种立体圆周视角成像的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体圆周视角成像的光学系统，属于光学成像技术领域。该光学系统包括一成像芯片、一反射镜组，多条图像摄取光路。多条图像摄取光路以反射镜组为圆心呈圆周状均匀分布。反射镜组中的每个反射镜与每条图像摄取光路出光方向对应，将各条图像摄取光路的光线反射至成像芯片。图像摄取光路包括以光轴为旋转中心依次排列连接的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、胶合片、第四透镜，外界光线由第一透镜射入，从第四透镜射出，经反射镜组反射后投射至成像芯片。多条图像摄取光路的视场角总和大于360°。该系统可通过一个成像芯片在静置状态下实现立体圆周视角成像，能够大大节约立体周向图像的成像成本。

Description

一种立体圆周视角成像的光学系统

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种立体圆周视角成像的光学系统，具体涉及一种用于安防或智能家居领域的全方位成像的定焦系统。

背景技术

随着安防、智能家居领域的快速发展，对图像及视频信息采集的要求越来越高，如何平衡到采集系统的成本与采集信息的完整之间的矛盾显得非常重要。在一定的空间范围内如何得到无死角全视角的图像信息一直是行业内需要解决的问题。针对以上问题，传统的做法有两种：1、多组摄像模组的组合；2、云台旋转采集。第一种方式由于采用对个摄像模组，产品的硬件成本和维护成本均比较高。而第二种方式，由于采用云台旋转采集，很难实现图像的实施采集。

发明内容

为解决如何通过一套成像系统静置条件下的360度无死角立体成像问题，本发明提供了一种立体圆周视角成像的光学系统，所采取的技术方案如下：

一种立体圆周视角成像的光学系统，该光学系统包括一成像芯片7、一反射镜组6，多条图像摄取光路；所述多条图像摄取光路以所述反射镜组6为圆心呈圆周状均匀分布；所述反射镜组6中的每个反射镜与每条图像摄取光路出光方向对应，将各条图像摄取光路的光线反射至成像芯片；所述图像摄取光路包括以光轴为旋转中心依次排列连接的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑、胶合片4、第四透镜5，外界光线由第一透镜1射入，从第四透镜5射出，经反射镜组6反射后投射至成像芯片；所述多条图像摄取光路的视场角总和大于360°。

优选地，所述多条图像摄取光路，数量为4条；所述反射镜组6具有4面分别与4条图像摄取光路对应的反射镜。

优选地，所述第一透镜1与第二透镜2的光学间隔为5.86±0.03mm；所述第二透镜2与第三透镜3的光学间隔为0.484±0.03mm；所述第三透镜3与光阑的光学间隔为7.012±0.003mm；所述光阑到胶合片4的光学间隔为0.1±0.03mm；所述胶合片4与所述第四透镜5之间的光学间隔为0.1±0.02mm；第四透镜5与像面之间的光学间隔为11±0.1mm；所述第一透镜1的前曲率中心至像面的光学总长为38mm。其中，像面指的是成像芯片7的表面。

优选地，所述第一透镜1物面为凸球面，曲率半径为20mm，像面为凹球面，曲率半径为4.7mm；所述第二透镜2物面为凹球面，曲率半径为14.6mm，像面为凹球面，曲率半径为6.3mm；所述第三透镜3物面为凸球面，曲率半径为7.5mm，像面为凸球面，曲率半径为33mm；所述第四透镜5的物面为凸球面，曲率半径为18.4mm，像面为凸球面，曲率半径为14.3mm。

更优选地，胶合片4由两个镜片贴合而成，其中，第一镜片物面为凸球面，曲率半径为39mm，像面为凹球面，曲率半径为4mm；第二镜片的物面为凸球面，曲率半径为4mm，镜面为凸球面，曲率半径为8.5mm。

优选地，其特征在于，所有曲率的面型公差为光圈3-4，局部光圈0.3-0.5。

优选地，所述系统焦距为2.6mm，像面直径为4.4mm。

优选地，第一透镜1和第二透镜2材质为重镧火石玻璃；第三透镜3的材质为重火石玻璃；胶合片的第一镜片材质为重磷冕玻璃，第二镜片材质为重火石玻璃；第四透镜的材质为重火石玻璃。

更优选地，所用镜片均采用成都光明无色玻璃，其中，所述第一透镜1采用的是牌号为h-zlaf89l的重镧火石玻璃，第二透镜2采用的是牌号为h-zlaf55d的重镧火石玻璃；第三透镜3采用的是牌号为h-zf72a的重火石玻璃；胶合片4的第一镜片采用的是牌号为h-zpk5的重磷冕玻璃，第二镜片采用的是牌号为h-zf62的重火石玻璃；所述第四透镜5采用的是牌号为h-zk21的重火石玻璃。

优选地，工作环境为可见光和近红外环境，工作波段为485nm-850nm。

整个光路结构物面在左，起始对焦物距为无穷远，像面在右，像距11mm。

本申请定义每一个透镜的左面曲率为镜片的物面曲率，右面曲率为像面曲率，且曲率凸面朝物面为正，凸面朝像面为负。

相对于现有技术，本发明获得的有益效果：

本申请用一个成像芯片，通过特殊的一套光学系统一次性的将圆周视角的图像曝光成像，这样既不增加成像硬件的成本，又可以做到静止状态下圆周视角的图像采集，通过这种方式的开发，在未来很多安防或是智能家居甚至智能机器人上都可以以更低的成本实现更完整的图像信息采集。

附图说明

图1为本发明一种优选实施方式中光学系统单一图像摄取光路(加与之对应的反射镜)的光路图(省略光阑)。

图2为本发明一种优选实施方式中光学系统中四条图像摄取光路的光路图。

图3为本图2中反射镜组的立体结构示意图。

图4为本发明一种优选实施方式中光学系统的扇形图。

图5为本发明一种优选实施方式中光学系统的畸变和场曲图。

图6为本发明一种优选实施方式中光学系统的调制光学传递函数曲线图。

图7为本发明一种优选实施方式中光学系统的像面照度曲线图。

图8为本发明一种优选实施方式中光学系统的弥散图示意图。

图中：1，第一透镜；2，第二透镜；3，第三透镜；4，胶合片；5，第四透镜；6，反射镜组；61，横向反射镜；62，纵向反射镜；7，成像芯片。

具体实施方式

以下实施例所用材料、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、方法和仪器，本领域普通技术人员均可通过商业渠道获得。

在本发明以下的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本发明以下的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间介质间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以是具体情况理解上书术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明以下的描述中，除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

以下实施例中透镜全部采用成都光明无色玻璃，都用成都光明的牌号表示，且为了保证后面的工业化生产，所有牌号都为目前量产推荐牌号。所用成像芯片是SONY的IMX334CMOS芯片。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但以下详细说明不视为对本发明的限定。

图1为本发明一种优选实施方式中光学系统单一图像摄取光路(加与之对应的反射镜)的光路图(省略光阑)。从图1可知，该光路光轴为旋转中心依次排列连接的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、胶合片4、第四透镜5和反射镜组6。光线经反射镜组6反射后投射到成像芯片7上。其中，在第三透镜3和胶合片4之间还设有光阑(未显示)。

图2为本发明一种优选实施方式中光学系统中四条图像摄取光路的光路图。从图2可知，在该光路系统中，一共设有四条图像摄取光路，且该四条图像摄取光路以反射镜组6为中心，呈圆周阵列式均匀分布，以便于在四个方向上充分摄取360度圆周方向上的图像信息。

图3为图2中反射镜组的立体结构示意图。从图3可知，该反射镜组共有4个反射镜，四者呈矩形分布。其中，对角设置的两个反射镜为横向反射镜61，另外两个对角设置的两个反射镜为纵向反射镜62。四个反射镜分别将四路光线共同向上反射至成像芯片上。

具体实施方式一

本实施方式采用图1-3所示的光路设置方式构建光学系统。其光学系统主要参数为各个组成透镜的曲率、中心厚、口径、透镜间的光学间隔以及各个透镜的材质，具体如下：

整个光路结构物面在左，起始对焦物距为无穷远，像面在右，像距11mm，我们定义每一个透镜的左面曲率为镜片的物面曲率，右面曲率为像面曲率，且曲率凸面朝物面为正，凸面朝像面为负。

各个透镜的曲率面型数据如下：

透镜1物面为凸球面，曲率半径为20mm,像面为为凹球面,曲率半径为4.7mm；透镜2物面为凹球面，曲率半径为-14.6mm，像面为为凹球面,曲率半径为6.3mm；透镜3物面为凸球面，曲率半径为7.5mm，像面为为凸球面,曲率半径为-33mm；胶合片1的第一片物面为凸球面，曲率半径为39mm，像面为凹球面,曲率半径为-4mm,胶合片1第二片的物面为凸球面，曲率和胶合片1的第一片像面曲率一致，像面为凸球面，曲率半径为-8.5mm；透镜4的物面为凸球面，曲率半径为18.4mm，像面为凸球面，曲率半径为-14.3mm；所有曲率的的面型公差为光圈3-4，局部光圈0.3-0.5(采用干涉仪来检测)。

各个透镜的材质数据如下：

透镜全部采用成都光明无色玻璃，都用成都光明的牌号表示，且为了保证后面的工业化生产，所有牌号都为目前量产推荐牌号。

透镜1采用重镧火石玻璃(h-zlaf89l)；透镜2采用重镧火石玻璃(h-zlaf55d)；透镜3采用重火石玻璃(h-zf72a)；胶合片1的第一镜片采用重磷冕玻璃(h-zpk5),第二镜片采用采用重火石玻璃(h-zf62)；透镜4采用重火石玻璃(h-zk21)；

参考图1，系统由5组6片玻璃透镜和1片平面反射镜的光路组成，整个光学系统的系统光阑设在透镜3与胶合片1之间，系统的光学总长(第一个透镜前曲率中心到像面)为38mm。透镜1到透镜2的光学间隔为5.86mm公差为±0.03mm；透镜2到透镜3的光学间隔为0.484mm公差为±0.03mm；透镜3到光阑的光学间隔为7.012mm公差为±0.03mm；光阑到胶合片1的光学间隔为0.1mm公差为±0.03mm；胶合片1到透镜4的光学间隔为0.1mm公差为±0.02mm；透镜4到像面的光学间隔为11mm公差为±0.01mm。

系统的焦距为2.6mm，像面为直径4.4mm，采用定焦光学设计。系统的工作环境为可见光、近红外环境，工作波段为485nm-655nm、850nm之间。

为验证上述光路系统的图像摄取效果，对该光路系统的相差、畸变和场曲、调制光学传递函数、像面照度和弥散圆等进行了检测，检测结果如图4-8所示。

图4为本发明一种优选实施方式中光学系统的扇形图。从图4可知，显示了10个不同视野区域产生的像差集合，每个视野区域可分别看到子午面和弧矢面像差的差异。从图中可知，各个视图的曲线分布很集中，说明像散不大，边缘视野清晰。

图5为本发明一种优选实施方式中光学系统的畸变和场曲图。从图5可知，此图表示系统的场曲和畸变情况，左边为场曲(像面弯曲)，从图中可以看出各个的曲线代表不同的波长，像面弯曲最大不会偏差0.05mm，可以忽略。右图为光学畸变的情况，最大畸变小于35％，达到设计要求。

图6为本发明一种优选实施方式中光学系统的调制光学传递函数曲线图。从图7可知，一种反应整个成像系统成像质量的表述形式，横坐标为线对/毫米，纵坐标为频率。不同线条代表不同的视野以及子午或弧矢的差异。

图7为本发明一种优选实施方式中光学系统的像面照度曲线图。从图7可知，成像面中心照度和边缘照度的情况，边缘的图像照度可以达到中心照度的95％以上。该图表示波长为0.587μm时，像面上的光能量从中心至边缘的衰减情况，即像面的亮度均匀性。因本申请中各个视场的相对照度变化很小，所以该曲线呈现处趋近于直线的状态，数值几乎为1。

图8为本发明一种优选实施方式中光学系统的弥散图示意图。从图8可知，在不同视野区域所有入瞳光线会聚到像面的扩散情况。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，包括一成像芯片(7)、一反射镜组(6)，多条图像摄取光路；所述多条图像摄取光路以所述反射镜组(6)为圆心呈圆周状均匀分布；所述反射镜组(6)中的每个反射镜与每条图像摄取光路出光方向对应，将各条图像摄取光路的光线反射至成像芯片；所述图像摄取光路包括以光轴为旋转中心依次排列连接的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、光阑、胶合片(4)、第四透镜(5)，外界光线由第一透镜(1)射入，从第四透镜(5)射出，经反射镜组(6)反射后投射至成像芯片；所述多条图像摄取光路的视场角总和大于360°。

2.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所述多条图像摄取光路，数量为4条；所述反射镜组(6)具有4面分别与4条图像摄取光路对应的反射镜。

3.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)与第二透镜(2)的光学间隔为5.86±0.03mm；所述第二透镜(2)与第三透镜(3)的光学间隔为0.484±0.03mm；所述第三透镜(3)与光阑的光学间隔为7.012±0.003mm；所述光阑到胶合片(4)的光学间隔为0.1±0.03mm；所述胶合片(4)与所述第四透镜(5)之间的光学间隔为0.1±0.02mm；第四透镜(5)与像面之间的光学间隔为11±0.1mm；所述第一透镜(1)的前曲率中心至像面的光学总长为38mm。

4.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所述第一透镜(1)物面为凸球面，曲率半径为20mm，像面为凹球面，曲率半径为4.7mm；所述第二透镜(2)物面为凹球面，曲率半径为14.6mm，像面为凹球面，曲率半径为6.3mm；所述第三透镜(3)物面为凸球面，曲率半径为7.5mm，像面为凸球面，曲率半径为33mm；所述第四透镜(5)的物面为凸球面，曲率半径为18.4mm，像面为凸球面，曲率半径为14.3mm。

5.根据权利要求4所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，胶合片(4)由两个镜片贴合而成，其中，第一镜片物面为凸球面，曲率半径为39mm，像面为凹球面，曲率半径为4mm；第二镜片的物面为凸球面，曲率半径为4mm，镜面为凸球面，曲率半径为8.5mm。

6.根据权利要求3或4所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所有曲率的面型公差为光圈3-4，局部光圈0.3-0.5。

7.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所述系统焦距为2.6mm，像面直径为4.4mm。

8.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，第一透镜(1)和第二透镜(2)材质为重镧火石玻璃；第三透镜(3)的材质为重火石玻璃；胶合片的第一镜片材质为重磷冕玻璃，第二镜片材质为重火石玻璃；第四透镜的材质为重火石玻璃。

9.根据权利要求8所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，所用镜片均采用成都光明无色玻璃，其中，所述第一透镜(1)采用的是牌号为h-zlaf89l的重镧火石玻璃，第二透镜(2)采用的是牌号为h-zlaf55d的重镧火石玻璃；第三透镜(3)采用的是牌号为h-zf72a的重火石玻璃；胶合片(4)的第一镜片采用的是牌号为h-zpk5的重磷冕玻璃，第二镜片采用的是牌号为h-zf62的重火石玻璃；所述第四透镜(5)采用的是牌号为h-zk21的重火石玻璃。

10.根据权利要求1所述的立体圆周视角成像的光学系统，其特征在于，工作环境为可见光和近红外环境，工作波段为485nm-850nm。

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