CN213240643U - 一种可见光成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可见光成像装置，包括开设有聚光腔和反射腔的套筒，反射腔内设有直角反射棱镜，可见光探测器固定在反射腔的出口处，聚光腔中心线与可见光探测器的探测器靶面中心相垂直；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜和第二透镜，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜、第四透镜和第五透镜；第二透镜与第三透镜之间设有小孔光阑；探测器靶面与第四透镜的成像焦点镜面对称。本实用新型可以满足在飞行中的高精度可见光探测拍摄；能够兼顾50～100000lux范围内的成像质量，在一定的气象条件下通过较大视场，获得较高的成像质量。

Description

一种可见光成像装置

技术领域

本实用新型属于探测器技术领域，涉及一种可见光成像装置。

背景技术

随着包括无人机在内的飞行器技术的不断发展成熟，无人机已被广泛应用到航拍、遥感测绘、森林防火等工业及商业用途。而为了实现这些功能，往往需要在飞行器上搭载拍摄装置，进行各种角度的航拍。当前的可见光拍摄装置的光学设计很难兼顾大光谱范围成像的质量，然而在飞行中的航拍时，由于气象条件或其他原因影响到光照变化时，拍摄装置就很难得到好的拍摄效果。

发明内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种可见光成像装置，能够兼顾 50～100000lux范围内的成像质量，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种可见光成像装置，包括开设有聚光腔和反射腔的套筒，反射腔内设有直角反射棱镜，可见光探测器固定在反射腔的出口处，聚光腔中心线与可见光探测器的探测器靶面中心相垂直；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜和第二透镜，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜、第四透镜和第五透镜；第二透镜与第三透镜之间设有小孔光阑；探测器靶面与第四透镜的成像焦点镜面对称。

所述的圈架通过螺纹嵌套在聚光腔内，透镜固定台上、圈架外侧均设有相匹配的螺纹。

所述的第一透镜为弯月形薄透镜，第二透镜为厚透镜；第三透镜为校正色差的胶合镜，第四透镜为校正场曲的厚透镜，第五透镜为校正球差的薄透镜；改变第二透镜与第四透镜之间的距离可校正像散。

所述的第一透镜为双单透镜或多单透镜。

所述的直角反射棱镜的出射面上还设有滤光片。

所述的直角反射棱镜通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片通过固定胶与直角反射棱镜的出射面相固定。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的可见光成像装置，可以满足应用于包括无人机在内的飞行器在飞行中的高精度可见光探测拍摄；本实用新型通过在透镜光路中插入一个小孔光阑，即在强光环境下通过小孔光阑可以显著地减小光通量，当外部光强变弱时小孔光阑再退出光路，以提高弱光成像效果；本实用新型的透镜设置透镜趋于对称型，而对称系统垂轴像差很容易校正，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正；还通过后半系统的厚透镜的结构变化校正场曲，利用薄透镜的弯曲校正球差，改变两块厚透镜间的距离可以校正像散，并在厚透镜中引入胶合面来校正色差；从而能够兼顾50～100000lux范围内的成像质量，在一定的气象条件下通过较大视场，获得较高的成像质量。

附图说明

图1为本实用新型的光学系统示意图；

图2为本实用新型的结构示意图。

其中，1501为第一透镜，1502为第二透镜，1503为第三透镜，1504为第四透镜，1505为第五透镜，1506为可见光探测器，1507为滤光片，1508 为直角反射棱镜，1509为小孔光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1、图2，一种可见光成像装置，包括开设有聚光腔和反射腔的套筒，反射腔内设有直角反射棱镜1508，可见光探测器1506固定在反射腔的出口处，聚光腔中心线与可见光探测器1506的探测器靶面中心相垂直；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜1501和第二透镜 1502，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜1503、第四透镜1504和第五透镜1505；第二透镜1502与第三透镜1503之间设有小孔光阑1509；探测器靶面与第四透镜1504的成像焦点镜面对称。

具体的，所述的圈架通过螺纹嵌套在聚光腔内，透镜固定台上、圈架外侧均设有相匹配的螺纹。

进一步的，所述的第一透镜1501为弯月形薄透镜，第二透镜1502为厚透镜；第三透镜1503为校正色差的胶合镜，第四透镜1504为校正场曲的厚透镜，第五透镜1505为校正球差的薄透镜；改变第二透镜1502与第四透镜 1504之间的距离可校正像散。

进一步的，所述的直角反射棱镜1508的出射面上还设有滤光片1507。

具体的，所述的直角反射棱镜1508通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片1507通过固定胶与直角反射棱镜1508的出射面相固定。

下面给出具体的实施例。

1)光学系统参数要求

由于光学设计很难兼顾大光谱范围成像的质量，为了兼顾50～100000lux 范围内的成像，以及成像的质量考虑提出以下参数要求：照度范围： 50～100000lux、帧频：≥5fps、单帧曝光时间：≤40ms、图像畸变：≤5％、视场角：不小于24°×18°(横向×纵向)。

为了提高弱光成像效果，在空间允许的条件下，尽可能减小F数，这将导致强光下成像抗饱和能力下降，仅靠摄像机本身的动态范围调整是难以应对的；因此提出在光路中插入一个小孔光阑，即在强光环境下通过小孔光阑可以显著地减小光通量，当外部光强变弱时小孔光阑再退出光路。

焦距计算：

接收传感器靶面的尺寸为15.1312mm×10.5984mm(对角线为17.664)，视场为24°×18°，利用公式(1)计算可见光的焦距：

式中：

f'——当前视场焦距，单位mm；

d——靶面高度，单位mm；

ω——半视场角，单位°。

利用公式(1)计算得出其焦距为f'＝33.24mm。

入瞳直径计算：

利用公式(2)计算系统的入瞳直径：

式中：

D——入瞳直径，单位mm；

f'——当前视场焦距，单位mm；

F^#——F数。

利用公式(2)，取F＝1.8计算得出其入瞳直径D＝φ18mm。

根据以上的计算，可见光光学系统设计参数如下：

焦距：f'＝32.66mm；波长范围：0.65～0.85μm；视场：2ω＝24°×18°； F数：1.8。

2)可见光成像方案

本实用新型的可见光成像装置，属于较大孔径和较大视场光学系统，故以三片型透镜作为设计基础。三片型透镜的F数可以设计到4～5，视场角可以设计到400到500。

而为了减小F数，提高视场边沿的成像质量，对三片型透镜进行优化，增加一块透镜；前半部系统由一个弯月形薄透镜和一个厚透镜组成，后半系统由一个厚透镜和薄透镜组成，此时的四片透镜趋于对称型。

由于对称系统垂轴像差很容易校正，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。因此，通过后半系统的厚透镜的结构变化校正场曲，利用薄透镜的弯曲校正球差，改变两块厚透镜间的距离可以校正像散，并在厚透镜中引入胶合面来校正色差。

为了进一步满足更大相对孔径，并保证成像质量，将弯月形薄透镜进一步设计为双单/多单透镜，该结构可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。因此，本实用新型以对称型四片结构为基础，在其后半部的厚透镜中引入胶合镜以校正色差，该结构可以使轴外视场的高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大视场的情况下，获得较高的成像质量。

所组成的光学透镜要求工作波段为0.4～0.8μm，光学系统有效口径 16.7mm，光学总长60mm；可见光波段系统的MTF接近0.4(150lp/mm)，点列斑<4μm，畸变小于3.5％。

3)透过率计算

系统透过率按照公式(3)计算

τ＝τ₁ ^N1×τ₂ ⁿ×τ₃ (3)

式中：

τ—总透过率；

τ₁—与空气接触面的透过率，99％；

N1—透射面数，10个；

τ₂—由吸收系数计算出的光学材料透过率，99％；

n—材料总厚度，3.57cm；

τ₃—滤光镜透过率92％；

4)单位像素空间分辨率验证

当目标距离为1km，像元尺寸为3.45μm时，检测得到目标在探测器靶面占N＝1lp时的目标大小0.208m，故单个像素空间分辨率为0.104m。

本实用新型提供的可见光成像装置，可以满足应用于包括无人机在内的飞行器在飞行中的高精度可见光探测拍摄；能够兼顾50～100000lux范围内的成像质量，在一定的气象条件下通过较大视场，获得较高的成像质量。

以上给出的实施例是实现本实用新型较优的例子，本实用新型不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本实用新型技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种可见光成像装置，其特征在于，包括开设有聚光腔和反射腔的套筒，反射腔内设有直角反射棱镜(1508)，可见光探测器(1506)固定在反射腔的出口处，聚光腔中心线与可见光探测器(1506)的探测器靶面中心相垂直；所述的聚光腔内开设有多个透镜固定台，透镜固定在圈架上并通过其嵌套在透镜固定台上；

所述的透镜包括依次设置在聚光腔头部的第一透镜(1501)和第二透镜(1502)，以及设置在聚光腔尾部并相贴合的第三透镜(1503)、第四透镜(1504)和第五透镜(1505)；第二透镜(1502)与第三透镜(1503)之间设有小孔光阑(1509)；探测器靶面与第四透镜(1504)的成像焦点镜面对称。

2.如权利要求1所述的可见光成像装置，其特征在于，所述的圈架通过螺纹嵌套在聚光腔内，透镜固定台上、圈架外侧均设有相匹配的螺纹。

3.如权利要求1所述的可见光成像装置，其特征在于，所述的第一透镜(1501)为弯月形薄透镜，第二透镜(1502)为厚透镜；第三透镜(1503)为校正色差的胶合镜，第四透镜(1504)为校正场曲的厚透镜，第五透镜(1505)为校正球差的薄透镜；改变第二透镜(1502)与第四透镜(1504)之间的距离可校正像散。

4.如权利要求1或3所述的可见光成像装置，其特征在于，所述的第一透镜(1501)为双单透镜或多单透镜。

5.如权利要求1所述的可见光成像装置，其特征在于，所述的直角反射棱镜(1508)的出射面上还设有滤光片(1507)。

6.如权利要求5所述的可见光成像装置，其特征在于，所述的直角反射棱镜(1508)通过固定胶与反射腔的侧壁相固定；所述的滤光片(1507)通过固定胶与直角反射棱镜(1508)的出射面相固定。

7.如权利要求1所述的可见光成像装置，其特征在于，所述第一透镜(1501)、第二透镜(1502)、第三透镜(1503)、第四透镜(1504)和第五透镜(1505)所组成的透镜光学总长不小于60mm，总厚度为12mm，有效口径为16.7mm，视场为24°×18°。

Images