专利名称：利用非球面反射镜实现折返式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，可通过单一传感器实现全景观测和局部望远放大两种功能。
背景技术：
基于折反射式的全景成像技术是一种结合了传统相机与反射镜的成像技术。它利用反射镜将大视场的光线反射成为视场较小的光线，从而只需要普通的相机与镜头即可实现全景大范围的目标监测，不同于折射式全景系统，此种结构较适合监测探测器后方360° 空间内的全景区域。此类全景系统较多的采用连续的球面或圆锥曲面作为反射镜实现广角光线的收集。折返式全景成像光学系统有视场大，结构简单，易于实现等特点，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，但其存在的最大缺点是相机镜头垂直向上直接对着反射镜放置，其中间的视场势必会将镜头的形貌反射到镜头的成像区域中，这部分区域对于像面有效像素的利用率来说是浪费的。为了减小此部分在像面所占的大小一般只能缩小镜头的尺寸，但为了保证传感器接收到足够的通光量，镜头的直径不能无限制的缩小，目前所采用的方式往往是通过软件将此部分成像区域去除，形成一个环带像面。另一方面，全景光学系统由于其超广角的特性，像面放大率较小，若要对环带像上的某区域实现局部放大，一种方式是采用更大的或像素密度更高的传感器，这种方式不能将中央镜头所占的像面面积缩小，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另外增加一套望远光学系统作为辅助，但这样会导致系统复杂性增加，并且由于其存在也会在像面中占用部分的视场，在某个角度形成视觉盲区，此外想要其快速转向全景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，提供了一种利用折反射全景系统中央被镜头成像所浪费的成像区域，使用单一探测器就能实现全景望远组合成像装置及其方法。在光轴上顺次设有反光镜、望远镜组、非球面反射镜、成像镜组和探测面，望远镜组的焦距为90mnTl00mm，成像镜组的焦距为10mnTl5mm，望远镜组和成像镜组的中心空气间隔为80mnTl00mm，非球面反射镜的外径为100mnTl20mm，中心通孔直径为20mnT30mm，圆锥系数为-1. 5^-2. 0，曲率半径为150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面镀反射膜，用于反射光线，反光镜能绕光轴转动，将光线导入下方的望远镜组和成像镜组。所述装置的利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像方法，其特征在于光线通过反光镜的反射，望远镜组、成像镜组的折射后在探测面上形成一个中心成像圆，光线经过非球面反射镜反射和成像镜组折射后在探测面形成环带像面，物点P发出的一条光线经过反光镜反射、望远镜组折射，穿过非球面反射镜中心孔，最后经过成像镜组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非球面反射镜反射和成像镜组折射后成像于探测面上的环带像面中，形成第二像点P2，通过改变望远镜组的焦距、成像镜组的焦距、两者的中心距离、非球面反射镜的圆锥系数与其曲率半径使得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折返式全景成像系统，将折反射式全景系统中原本被镜头自身成像所浪费的中央像素充分利用，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中心被镜头所占成像区中形成一个放大的像，从而仅使用单一传感器即实现了全景与望远的双重功能。该系统由于有效利用了反射式全景系统被浪费的中央无效成像区域，弥补了全景系统中的最大缺陷，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)利用了像面上由于镜头自身成像导致的浪费区域；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是利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像装置示意图； 图2是本发明探测面的像面图中光轴1、反光镜2、望远镜组3、非球面反射镜4、成像镜组5、探测面6、环带像面7、 中心成像圆8、第一条光线9、第二条光线10、非球面反射镜中心孔11、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，利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像装置是在光轴1 上顺次设有反光镜2、望远镜组3、非球面反射镜4、成像镜组5和探测面6，望远镜组3的焦距为90mnTl00mm，成像镜组5的焦距为10mnTl5mm，望远镜组3和成像镜组5的中心空气间隔为80mnTl00mm，非球面反射镜4的外径为100mnTl20mm，中心通孔11直径为20mnT30mm， 圆锥系数为-1. 5^-2. 0，曲率半径为150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面镀反射膜，用于反射光线，反光镜2能绕光轴1转动，将光线导入下方的望远镜组3和成像镜组5。利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像方法是光线通过反光镜2的反射，望远镜组3、成像镜组5的折射后在探测面6上形成一个中心成像圆8，光线经过非球面反射镜4反射和成像镜组5折射后在探测面6形成环带像面8，物点P发出的一条光线9经过反光镜2反射、望远镜组3折射，穿过非球面反射镜中心孔11，最后经过成像镜组5折射成像于探测面6的中心成像圆8中，形成第一像点P1，物点P发出的第二条光线10经过非球面反射镜4反射和成像镜组5折射后成像于探测面6上的环带像面7中，形成第二像点 P2，通过改变望远镜组3的焦距、成像镜组5的焦距、两者的中心距离、非球面反射镜4的圆锥系数与其曲率半径使得中心成像圆7的外径小于环带像面环带像面8的内径，同时两个像面上的像都清晰的成像方法。由于折返式全景成像的像面中心不可避免的将下方镜头成像到像面中，本发明利用利用该浪费的区域，使望远镜组3与成像镜组5组合形成的一个望远系统的成像区域刚好落在折反射式全景成像系统的环带像的中间区域中，从而将探测器的有效像素得以充分利用，通过非球面反射镜4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，可通过测量物点在像面上的位置从而推算出其在物方的视场角与方位角，通过控制电机旋转反光镜2的光轴1使之转向物点P，第一条光线9经过反光镜2反射后向下经过望远镜组3折射，再穿过非球面反射镜4的中心通孔11，最后经过成像镜组5折射成像与第一像点Pl，此像点是物点P经过非球面反射镜4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实现了全景与望远的双重功能。非球面反射镜4和成像镜组5制造时设计全景环带光学系统首先确定其探测面 6上环带像面7的内环与外环直径确定光学玻璃的种类与数量，得到其焦距；然后确定非球面反射镜4的中央开孔大小和直径，设计非球面的面型，并于成像镜组5联合优化完成光学系统的设计。将成像镜组5的各个透镜磨成指定的形状，分别抛光，然后在各个折射面通过真空蒸镀等方式镀上透射膜来增加表面的光线透过率。非球面反射镜从采用高质量铝作为原材料，通过金刚石车削的方式车成指定的连续非球面面型，然后在中间钻出指定大小的通孔，最后镀金属反射膜增加其反射率。镀膜的波长根据设计的中心波长确定。望远镜组3制造时根据已设计好的成像镜组5与所需放大率，确定要采用的光学玻璃的种类与结构，通过改变连望远镜组3各个透镜前后表面的曲率与前后间距以及其与成像镜组5之间的距离，使其与成像镜组5组合而成的望远系统能将经过反射镜2反射而来的光线成像于成像镜组5与非球面反射镜4组成系统的像面上，同时，其像面大小刚好与若不存在中心通孔时成像镜组5在像面的上所成的像大小相同。这样就可以将原本无用的镜头的像其替换成望远系统所成的像面。完成光学系统设计后，把望远镜组3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。本发明可通过建立初始结构，利用光学设计软件优化设计完成最终系统的设计。 在利用ZEMAX软件进行优化设计时，需要首先设计折反射式全景成像系统的光学结构，并为望远镜组3的透光区域留下足够的空间，然后再设计望远镜组3，最后将两者组合到一起联合优化确定最终的结构。非球面反射镜4、望远镜组3和反光镜2之间可采用透明的圆柱形玻璃如石英玻璃管做支撑，要求不能遮挡视场。反光镜2绕光轴1旋转使用的运动机构可通过计算机控制。
权利要求
1.一种利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像装置，其特征在于，在光轴 (1)上顺次设有反光镜(2)、望远镜组(3)、非球面反射镜(4)、成像镜组(5)和探测面(6)，望远镜组(3)的焦距为90mnTl00mm，成像镜组(5)的焦距为10mnTl5mm，望远镜组(3)和成像镜组(5)的中心空气间隔为80mnTl00mm，非球面反射镜(4)的外径为100mnTl20mm，中心通孔(11)直径为20mnT30mm，圆锥系数为-1. 5 -2. 0，曲率半径为150mnT200mm，凸面朝下放置，下表面镀反射膜，用于反射光线，反光镜(2 )能绕光轴(1)转动，将光线导入下方的望远镜组(3)和成像镜组(5)。
2.一种使用如权利要求1所述装置的利用非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像方法，其特征在于光线通过反光镜(2)的反射，望远镜组(3)、成像镜组(5)的折射后在探测面(6)上形成一个中心成像圆(8)，光线经过非球面反射镜(4)反射和成像镜组(5)折射后在探测面(6)形成环带像面(8)，物点P发出的一条光线(9)经过反光镜(2)反射、望远镜组(3)折射，穿过非球面反射镜中心孔(11)，最后经过成像镜组(5)折射成像于探测面(6) 的中心成像圆(8)中，形成第一像点P1，物点P发出的第二条光线(10)经过非球面反射镜 (4)反射和成像镜组(5)折射后成像于探测面(6)上的环带像面(7)中，形成第二像点P2， 通过改变望远镜组(3)的焦距、成像镜组(5)的焦距、两者的中心距离、非球面反射镜(4)的圆锥系数与其曲率半径使得中心成像圆(7)的外径小于环带像面环带像面(8)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非球面反射镜实现折返式全景望远组合成像装置及其方法。物点发出的一条光线，经过非球面反射镜反射与成像镜组折射在像面上成环带像；物点发出的另一条光线经过反光镜反射后向下进入同轴放置的望远镜组和成像镜组后成像于环带像面的中央盲区中，形成一个局部放大的像。通过改变望远镜组各个镜片的曲率、成像镜组的各个镜片的曲率半径和两个镜组之间的距离，使两个像面在同一平面上清晰成像并且互相不重叠。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，利用了中心原来因为相机自成像而浪费的区域，实现了使用单一传感器同时实现全景与望远的双重功能。
文档编号G02B13/06GK102401988SQ20111038636
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者白剑, 黄治 申请人:浙江大学