专利名称：利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置及其方法
技术领域：
本发明涉及透镜成像装置及其方法，尤其涉及一种利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置及其方法。
背景技术：
基于平面圆柱投影原理的全景环带成像技术是一种与传统中心投影原理截然不同的新成像技术，可在无需转动成像系统的条件下，将周围360°的环带景物一次性地成像在同一个环带像面上，从光学原理上实现了 360°全景凝视成像。如专利US Patent 4，566，763，1986和US Patent 5，473，474，1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法 FCP( Flat Cylinder Perspective)，将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。该全景镜头由玻璃等透光性材料构成，全景透镜及其中继透镜组的几何结构由图3所示，透镜一端面为外凸的第一环形折射面2，透镜另端一面为外凸出的第一环形反射面3，在透镜环形第一折射面中心设有内凹的第二反射面4，第一环形折射面2中心内环边缘与第二反射面4边缘相接，在第一环形反射面3中心设有第二折射面 5，第一环形反射面3中心内环边缘与第二折射面5边缘相接。光线从第一折射面2进入，被折射到第一反射面3，经第一反射面3反射到第二反射面4，再从第二反射面4反射到第二折射面5，最后从第二折射面5折射出全景环带透镜并在其内部或后方形成虚像，该虚像通过中继透镜组7变换成实像，成像于位于探测面8的 CCD/CMOS探测器。全景环带成像光学系统具有视场大，体积紧凑，制造成本低的特点，适用于安防监视、机器人视觉、自动导航等需要大视场周视观测的应用领域，但由于其成像原理的特殊性，第一反射面遮挡前方视场从而存在一个中央盲区，此盲区降低了传感器有效像素的利用率，且随着视场的增大此区域面积也会增大，这是一个严重的缺陷；另一方面，全景环带光学系统由于其超广角的特性，其成在探测面上的像的大小被严重压缩，若要对环带像上的某区域实现放大观察，一种方式是采用更大的或像素密度更高的传感器，但这种方式不能使中央盲区面积缩小，而且整体系统的体积会变得更大，制造成本和制造难度都会大大增加，另一种方法是在其附近再增加一套望远光学系统，这套系统势必会遮挡环带像的部分视场，要同时实现快速转向全景环带系统像面感兴趣区域的难度也较大，因此实时性较差，且无法实现结构的紧凑性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置及其方法。利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置是在光轴上顺次设有反光镜、望远镜组、连接透镜，全景环带成像透镜、中继转向透镜和探测面，全景环带成像透镜一端面设有外凸的第一环形折射面，第一环形折射面内侧设有内凹的第二环形反射面，第二凹面环型反射面内侧设有内凹的第二折射面，全景环带成像透镜另一端面设有外凸的第一环形反射面，第一环形反射面内侧设有第三折射面，连接透镜上表面曲率半径为10mnTl5mm，连接透镜下表面曲率半径为10mnTl5mm，连接透镜与望远镜组之间的中心距离为5mnTl0mm， 连接透镜与第二折射面之间的中心距离为5mnTl0mm，反光镜能绕光轴转动。利用全景环带透镜实现全景望远组合成像的方法是光线通过反光镜的反射，望远镜组、连接透镜、全景环带成像透镜和中继转向透镜的折射后在探测面上形成一个中心成像圆，光线经过全景环带成像透镜折反射，中继转向透镜折射后在探测面形成环带像面， 物点P发出的第一条光线经过反光镜反射、望远镜组、连接透镜、第二折射面、第三折射面和中继转向透镜折射成像于探测面的中心成像圆中，形成第一像点P1，物点P发出的第二条光线经过全景环带成像透镜的第一环形折射面折射，第一环形反射面、第二环形反射面的反射，第三折射面、中继转向透镜的折射后成像于探测面上的环带像面中，形成第二像点 P2，通过改变连接透镜前后表面的曲率半径，望远镜组的中心距离和第二折射面的中心距离使中心成像圆的外径小于环带像面环带像面的内径，同时两个像面上的像都清晰的成像方法。本发明利用位于同一光轴上的望远镜组与全景环带透镜，将全景环带透镜中原本不能成像的盲区得以充分利用，把环带像中感兴趣的区域通过其上方的反光镜与望远镜组在原盲区中形成一个放大的像，从而仅使用单一传感器即可实现全景与望远的双重功能。 该系统由于有效利用了全景环带透镜的盲区，弥补了全景环带系统中盲区的最大缺陷，实现了传感器有效像素利用率的最大化。该全景望远成像系统具有如下特点1)弥补了全景环带光学系统的盲区；2)使用一套光学系统即实现了全景与望远的双重功能。
图1是利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置示意图； 图2是本发明的像面图3是本发明的全景透镜成像原理示意图中全景环带成像透镜1、第一环形折射面2、第一环形反射面3、第二环形反射面4、 第三折射面5、第二折射面6、中继转向透镜7、探测面8、望远镜组9、反光镜10、光轴11、第二条光线12、第一条光线13、中心成像圆14、环带像面15、连接透镜16、物点P、第一像点 P1、第二像点P2。
具体实施例方式如图1、2所示，利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置是在光轴11上顺次设有反光镜10、望远镜组9、连接透镜16，全景环带成像透镜1、中继转向透镜7和探测面 8，全景环带成像透镜1 一端面设有外凸的第一环形折射面2，第一环形折射面2内侧设有内凹的第二环形反射面4，第二凹面环型反射面4内侧设有内凹的第二折射面6，全景环带成像透镜1另一端面设有外凸的第一环形反射面3，第一环形反射面3内侧设有第三折射面 5，连接透镜16上表面曲率半径为10mnTl5mm，连接透镜16下表面曲率半径为10mnTl5mm， 连接透镜16与望远镜组9之间的中心距离为5mnTl0mm，连接透镜16与第二折射面6之间的中心距离为5mnTl0mm，反光镜10能绕光轴11转动。
利用全景环带透镜实现全景望远组合成像的方法是光线通过反光镜10的反射， 望远镜组9、连接透镜16、全景环带成像透镜1和中继转向透镜7的折射后在探测面8上形成一个中心成像圆14，光线经过全景环带成像透镜1折反射，中继转向透镜7折射后在探测面8形成环带像面15，物点P发出的第一条光线13经过反光镜10反射、望远镜组9、连接透镜16、第二折射面6、第三折射面5和中继转向透镜7折射成像于探测面8的中心成像圆 14中，形成第一像点P1，物点P发出的第二条光线12经过全景环带成像透镜1的第一环形折射面2折射，第一环形反射面3、第二环形反射面4的反射，第三折射面5、中继转向透镜 7的折射后成像于探测面8上的环带像面16中，形成第二像点P2，通过改变连接透镜16前后表面的曲率半径，望远镜组9的中心距离和第二折射面6的中心距离使中心成像圆14的外径小于环带像面环带像面15的内径，同时两个像面上的像都清晰的成像方法。如图3所示，全景环带透镜的结构是透镜的一端面为外凸的第一环形折射面2， 透镜另一端面为内凹的第一环形反射面3，在透镜第一环形折射面中设有内凹的第二反射面4，第一环形折射面2内环边缘与内凹的第二反射面4边缘相接，在内凹的第一环形反射面3中设有第二折射面5，内凹的第一环形反射面3的内环边缘与第二折射面5边缘相接。 全景透镜的成像原理是光线从第一环形折射面2进入后折射到第一环形反射面3，经第一环形反射面3反射到第二反射面4，经第二反射面4反射到第二折射面5，最后从第二折射面5折射出透镜。光线通过全景透镜后在其内部成虚像，该虚像通过中继转向透镜7在探测面8上形成实像，被此位置的(XD/CM0S所接收。由于全景环带成像的像面中心不可避免地存在圆形盲区，本发明利用该盲区，使望远镜组9的成像区域14在全景环带透镜1的成像盲区中，两个成像区域互相不重合，从而完全补全了原有的成像盲区。通过全景环带透镜1的成像区域可以观察周围360°区域视场内的所有物点，若对某一物点P感兴趣，可通过测量该物点在像面上的位置从而推算出其在物方的方位角，然后通过电机控制反光镜10的绕光轴11旋转使之转向物点P点，第一条光线13经过反光镜10反射后进入望远镜组9成像、全景环带成像透镜1的第二折射面6、第三折射面5和中继转向透镜7折射后成像于第一像点P1，此像点是物点P经过全景环带成像透镜1在环带上所成第二像点P2放大的像，所以通过单一的传感器就可以实现了全景与望远的双重功能。全景环带成像透镜1和中继转向透镜7制造时首先确定其在探测面8上环带像面15的内、外环直径、第二折射面6与第二反射面4的直径，为了方便制造，一般第二环形反射面4、和第二折射面6的曲率半径为相同，曲率半径绝对值一般大于100mm，第一环形反射面3的曲率半径较小，一般在50mnTl00mm之间，且第三折射面5的曲率半径一般与第一环形反射面3的曲率半径相同或是平面，设计时将反射到第二反射面4上的光线的位置尽量移向外侧，为望远镜组9进入全景环带透镜的第二折射面6留下足够的空间，此透光区域的直径一般不小于10mm，在设计好全景环带成像透镜1后再设计中继转向透镜7，此透镜能够将全景环带成像透镜1内部形成的虚像转换到探测面8上。全景环带成像透镜1一般采用折射率较高色散较小的镧系玻璃制作，如LAK3等，中级转向透镜一般采用火石玻璃制作，如ZF4等。设计好光学系统后，将全景环带成像透镜1和中继转向透镜7分别磨成指定的形状，对第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第三折射面5和第二折射面6分别抛光，然后在第一反射面3、第二反射面4上通过真空蒸镀等方式镀上金属反射膜来增加表面反射率。在第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第三折射面5、第二折射面6和中继转向透镜7上镀增透膜来增加表面透过率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。望远镜组9和连接透镜16制造时首先确定要放大的倍数与像面的大小，不加入连接透镜16，选择合适的材料与镜片数量，设计好望远镜的光学结构。然后加入连接透镜 16与已经设计好的全景环带成像透镜1与后继转向透镜7，在不改变后两者结构的情况下， 改变连接透镜16曲率、前后两个镜组的距离，必要时也可以增加连接透镜16的材料和镜片数目，使原先望远镜的像面成像移动到全景环带成像透镜1的中心成像圆14中，同时保证光线经过全景环带透镜1的第二折射面6时，光束的直径小于第二折射面的直径。最后把望远镜组9与连接透镜16包含的各个镜片磨成指定的形状，对各片的通光表面镀增透膜， 增加表面的透过率，镀膜的波长根据设计的中心波长确定。本发明可通过现有的望远镜与全景环带透镜及其中继转向透镜建立初始光学模型，利用ZEMAX等光学设计软件逐步优化设计达到特定的设计要求，完成最终系统的设计。 全景环带成像透镜1、望远镜组9反光镜10三者之间可采用透明的圆柱形玻璃管或有机玻璃管作支撑，保证成像环带中无遮挡。反光镜10绕光轴11旋转使用的运动机构可通过计算机控制。
权利要求
1.一种利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置，其特征在于，在光轴(11)上顺次设有反光镜(10)、望远镜组(9)、连接透镜(16)，全景环带成像透镜(1)、中继转向透镜 (7 )和探测面(8 )，全景环带成像透镜(1) 一端面设有外凸的第一环形折射面(2 )，第一环形折射面(2)内侧设有内凹的第二环形反射面(4)，第二凹面环型反射面(4)内侧设有内凹的第二折射面(6)，全景环带成像透镜(1)另一端面设有外凸的第一环形反射面(3)，第一环形反射面(3)内侧设有第三折射面(5)，连接透镜(16)上表面曲率半径为10mnTl5mm，连接透镜(16)下表面曲率半径为10mnTl5mm，连接透镜(16)与望远镜组(9)之间的中心距离为 5mnTl0mm，连接透镜(16)与第二折射面(6)之间的中心距离为5mnTl0mm，反光镜(10)能绕光轴(11)转动。
2.一种使用如权利要求1所述装置的利用全景环带透镜实现全景望远组合成像的方法，其特征在于光线通过反光镜(10)的反射，望远镜组(9)、连接透镜(16)、全景环带成像透镜(1)和中继转向透镜(7)的折射后在探测面(8)上形成一个中心成像圆(14)，光线经过全景环带成像透镜(1)折反射，中继转向透镜(7)折射后在探测面(8)形成环带像面(15)， 物点P发出的第一条光线(13)经过反光镜(10)反射、望远镜组(9)、连接透镜(16)、第二折射面(6)、第三折射面(5)和中继转向透镜(7)折射成像于探测面(8)的中心成像圆(14) 中，形成第一像点Pl，物点P发出的第二条光线(12)经过全景环带成像透镜(1)的第一环形折射面(2)折射，第一环形反射面(3)、第二环形反射面(4)的反射，第三折射面(5)、中继转向透镜(7)的折射后成像于探测面(8)上的环带像面(16)中，形成第二像点P2，通过改变连接透镜(16)前后表面的曲率半径，望远镜组(9)的中心距离和第二折射面(6)的中心距离使中心成像圆(14)的外径小于环带像面环带像面(15)的内径，同时两个像面上的像都清晰的成像方法。
全文摘要
本发明公开了一种利用全景环带透镜实现全景望远组合成像装置及其方法。物点发出的一条光线，经过全景环带成像透镜成像在像面上；物点发出的另一条光线经过反光镜反射后向下传播进入同轴放置的望远镜组、连接透镜、全景环带成像透镜的两个折射面与中继透镜，成像于环带像面的中央盲区中，形成一个局部放大像。通过改变连接透镜的曲率和与望远镜组和全景环带透镜之间的距离，使两个清晰的像面位于同一平面上并且互相不重叠。本发明利用位于同轴的两个透镜组组合而成的光学系统，将环带物空间中的同一物点同时分别成像于中心盲区中与环带像面中，弥补了全景环带成像透镜原来不能成像的中心盲区，同时实现了使用单一传感器完成全景与望远的双重功能。
文档编号G02B13/06GK102508354SQ20111033116
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者侯西云, 白剑, 黄治 申请人:浙江大学