CN210803962U - 全景环形成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全景环形成像光学系统，包括环形球面反射镜、球面反射镜、像差校正透镜组和图像传感器，所述环形球面反射镜的中心具有开孔，所述环形球面反射镜用于收集光学系统四周的全景图像光线信息，反射远处的平行光以形成发散光；所述球面反射镜用于将环形球面反射镜反射过来的发散光反射成汇聚光束，并使汇聚光线进入所述环形球面反射镜中心的开孔中，所述像差校正透镜组置于所述环形球面反射镜中心的开孔内，所述像差校正透镜组用于矫正所述汇聚光束的像差；所述图像传感器用于接收像差矫正后的汇聚光束并成像。本实用新型的光学系统结构简单，成像质量良好，符合光学仪器的运用标准。

Description

全景环形成像光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统，特别涉及一种全景大视场成像的光学系统。

背景技术

传统单视场成像常应用于有限视场范围的成像，适合捕获小视场范围内的深层次信息,缺乏对周围360°范围场景的整体认识。即使采用带有转台的扫描方式，为了保障所需的扫描速率，驻留在每个像素上的时间大约有几十微秒，信噪比较低，进而造成系统探测和目标判定之间明显的时间延迟，特别是对于捕获高速移动的目标，由于系统扫描速率达不到搜索跟踪目标的要求，系统就会丢失部分有用的探测信息。

全景成像是指通过某种特殊的成像设备，获得垂直或水平方向360°全视场，或者大于180°的半球视场的成像技术。全景成像技术提供了关于对象与环境的全方位和垂直方向上信息,为后续的图像分析和图像处理赢得了时间。

全景环形透镜实际上属于折反射全景镜头，但与常用的折反射全景镜头又有所不同，这类镜头是由两个反射面和两个折射面构成的折反射透镜系统，它可以对围绕光轴360°的侧面围成的平面成环形像，根据成像特点和本身的投影方式,在其内部存在侧向视场的环形虚像，再经过后面的转像透镜成像到探测器焦平面上。

目前，在实现全景成像的研究过程中，主要发展了三大类实现全景成像的方法，分别是旋转扫描式全景图像拼接法、鱼眼透镜法和全景环形透镜实现全景成像法，这三类方法各有其优缺点和应用领域。三种全景成像方式优缺点对比总结如表1所示。可见在有限空间和成本控制下，全景环形透镜是更好的解决方案。

表1

而目前，市场上尚缺乏适用于大视场的全景环形透镜。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中全景图像拼接法、鱼眼透镜法成像质量和结构复杂度难以同时实现的缺陷，提供一种全景环形成像光学系统，可以实现360度全方位同时成像。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种全景环形成像光学系统，其特点在于，其包括环形球面反射镜、球面反射镜、像差校正透镜组和图像传感器，其中，

所述环形球面反射镜的中心具有开孔，所述环形球面反射镜用于收集光学系统四周的全景图像光线信息，反射远处的平行光以形成发散光；

所述球面反射镜用于将环形球面反射镜反射过来的发散光反射成汇聚光束，并使汇聚光线进入所述环形球面反射镜中心的开孔中；

所述像差校正透镜组置于所述环形球面反射镜中心的开孔内，所述像差校正透镜组用于矫正所述汇聚光束的像差；

所述图像传感器用于接收像差矫正后的汇聚光束并成像。

优选地，所述环形球面反射镜为凸面球面反射镜。

优选地，所述球面反射镜为凹面球面反射镜。

优选地，所述球面反射镜置于所述环形球面反射镜的一侧，所述图像传感器置于所述环形球面反射镜的另一侧。

优选地，所述像差校正透镜组置于所述开孔内接近所述图像传感器的一侧。

优选地，所述环形球面反射镜、所述球面反射镜、和所述像差校正透镜组的光轴位于同一直线。

优选地，所述光学系统的孔径光阑位于所述像差校正透镜组中间，可以用来灵活调节系统的光圈数。

优选地，所述像差校正透镜组包括至少两片透镜。针对应用的波段范围需要采用相应的光学透镜材料。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：可以实现360度全方位同时成像，且光学系统结构简单，设计合理，成像质量较好。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的光学系统的光路示意图。

图2为本实用新型一实施例的光学系统中各个光学元件的设置方式示意图。

图3为本实用新型一实施例的光学调制传递函数图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

参考图1-图3，介绍本实用新型一实施例所述的光学系统。本实施例所述的全景环形成像光学系统，包括环形球面反射镜1、球面反射镜2、像差校正透镜组3和图像传感器4，其中，

所述环形球面反射镜1的中心具有开孔，所述球面反射镜2置于所述环形球面反射镜1的一侧(后侧)，所述图像传感器4置于所述环形球面反射镜1的另一侧(前侧)。所述像差校正透镜组3置于所述开孔内接近所述图像传感器4的一侧。所述环形球面反射镜1、所述球面反射镜2、和所述像差校正透镜组3的光轴位于同一直线。

其中，所述环形球面反射镜1用于收集光学系统四周的全景图像光线信息，反射远处的平行光以形成发散光；所述球面反射镜2用于将环形球面反射镜1反射过来的发散光反射成汇聚光束，并使汇聚光线进入所述环形球面反射镜中心的开孔中；所述像差校正透镜组3置于所述环形球面反射镜中心的开孔内，所述像差校正透镜组3用于矫正所述汇聚光束的像差；所述图像传感器4用于接收像差矫正后的汇聚光束并成像，例如成像于图像传感器4的光敏元平面上。本实用新型可以实现360度全方位同时成像。光学系统采用的是环形折反射式设计。环形折反射式光学系统不同于常规的成像光学系统的一个特点是，其入射光线与系统镜片的光轴垂直，如图2所示，两片离轴球面反射镜将四周360°的光线收集并汇聚到后透镜系统。环形折反射式全景光学系统成像到探测器平面上是环形图像，为了利于观察，一般需要将其处理成平视的全景图像。

具体来说，所述环形球面反射镜1为凸面球面反射镜。所述球面反射镜2为凹面球面反射镜。

更具体地，所述光学系统的孔径光阑位于所述像差校正透镜组3中间，这样就可以用来灵活调节系统的光圈数。

其中，所述像差校正透镜组3包括至少两片透镜。针对应用的波段范围需要采用相应的光学透镜材料。

参考图2，环形球面反射镜1安置在光学系统的底座上，通过三根支撑结构，将球面反射镜2支撑在其上方。环形球面反射镜1中心开孔，将像差矫正透镜组3的镜筒置于其中。整个光学系统的孔径光阑在像差矫正透镜组3中，通过控制孔径光阑的通光孔径来控制系统的F数(光圈数，光圈数可以调节，本实施例设计的最小光圈数是2)。

下面给出一个在长波红外波段成像应用的设计实例，按照以下参数设计系统，可以得到一个F数为2，焦距3.28mm，视场角360°×60°的全景环形成像系统，其光学调制传递函数图如图3。(其中负厚度、面序号是这是行业内光学仿真软件用于描述系统的方式，AMTIR1是一种硫系玻璃材料，常见的红外光学材料)

图3为本实用新型光学系统按照表2实施的光学调制传递函数曲线图。调制传递函数表示调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，是所有光学系统性能判断中最全面的判据，特别是对于成像系统。在红外光学系统中，一般要求系统在奈奎斯特空间频率处的调制传递函数值≥0.3或0.4，以红外探测器象元大小25um为例，则系统能分辨的最大空间频率为：20lp/mm。从图中可以看出，在空间频率20lp/mm处，系统在全视场范围内的调制传递函数值大于0.3，表明光学系统成像质量良好，符合光学仪器的运用标准，即本光学系统设计合理，可以在实践中运用。

表2

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种全景环形成像光学系统，其特征在于，其包括环形球面反射镜、球面反射镜、像差校正透镜组和图像传感器，其中，

所述环形球面反射镜的中心具有开孔，所述环形球面反射镜用于收集光学系统四周的全景图像光线信息，反射远处的平行光以形成发散光；

所述球面反射镜用于将环形球面反射镜反射过来的发散光反射成汇聚光束，并使汇聚光线进入所述环形球面反射镜中心的开孔中；

所述像差校正透镜组置于所述环形球面反射镜中心的开孔内，所述像差校正透镜组用于矫正所述汇聚光束的像差；

所述图像传感器用于接收像差矫正后的汇聚光束并成像。

2.如权利要求1所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述环形球面反射镜为凸面球面反射镜。

3.如权利要求1所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述球面反射镜为凹面球面反射镜。

4.如权利要求3所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述球面反射镜置于所述环形球面反射镜的一侧，所述图像传感器置于所述环形球面反射镜的另一侧。

5.如权利要求4所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述像差校正透镜组置于所述开孔内接近所述图像传感器的一侧。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述环形球面反射镜、所述球面反射镜、和所述像差校正透镜组的光轴位于同一直线。

7.如权利要求1-5中任意一项所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，光学系统的孔径光阑位于所述像差校正透镜组中间。

8.如权利要求1-5中任意一项所述的全景环形成像光学系统，其特征在于，所述像差校正透镜组包括至少两片透镜。

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