一种小型化高像素全景日夜共焦光学系统的制作方法

本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种小型化高像素全景日夜共焦光学系统。

背景技术：

全景光学系统由于具备超过360°×180°的超大成像视场，可以获取无死角的景物图像，这是一般光学系统或镜头无法实现的。因此，全景光学系统在安防、监控、ar/vr等领域获得了广泛的应用。全景光学系统追求超大视场、大相对孔径以及高分辨率的性能指标，现有适用于高分辨率全景相机的光学系统大多存在结构较为复杂，尺寸较大等缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种小型化高像素全景日夜共焦光学系统采用的透镜数量少、成像分辨率高，而且结构紧凑、光学系统长度短，有益于提升全景相机光学系统的应用水平。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种小型化高像素全景日夜共焦光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；

所述第一透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第四透镜和第六透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜，所述第七透镜为光焦度为正的弯月形透镜；所述第三透镜为光焦度为正的鼓型厚透镜，所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述后透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴外视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h2/h1满足：

1.04≤h1/h2≤1.16。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光阑与所述第三透镜的中心的距离为l1，所述光阑与所述第四透镜的中心的距离为l2，其中l1/l2的比值满足：

3.15≤l1/l2≤3.75。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的光焦度为

所述第二透镜的光焦度为所述第四透镜和第五透镜的组合光焦度为所述第六透镜的光焦度为所述第七透镜的光焦度为其中和满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜和第六透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜和第四透镜的材质为镧冕玻璃，所述第三透镜和第五透镜的材质为重火石玻璃，所述第七透镜的材质为重冕玻璃。

作为上述技术方案的进一步改进，第一透镜、第二透镜和第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为球面玻璃透镜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第七透镜和像面之间设有滤光片。

本发明的有益效果是：本发明在光阑前端采用鼓型厚透镜实现光路的紧凑设计，光学系统长度仅20.439mm，满足高分辨率全景相机的小型化需求，实现了高解析、高分辨率成像，光焦度分配合理，工艺可实现性好，易于实现批量化生产装配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是实施例中的光学系统结构示意图；

图2是实施例中光学系统的可见光谱段的光学传递函数曲线；

图3是实施例中光学系统的夜视850nm谱段的光学传递函数曲线；

图4是实施例中光学系统的垂轴色差曲线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种小型化高像素全景日夜共焦光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组120、光阑110、后透镜组130和像面800，所述前透镜组120包括自前向后依次设置的第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300，所述后透镜组130包括自前向后依次设置的第四透镜400、第五透镜500、第六透镜600和第七透镜700；

所述第一透镜100为光焦度为负的弯月形透镜，所述第四透镜400和第六透镜600均为光焦度为正的双凸透镜，所述第二透镜200和第五透镜500均为光焦度为负的双凹透镜，所述第七透镜700为光焦度为正的弯月形透镜；所述第三透镜300为光焦度为正的鼓型厚透镜，所述第四透镜400和第五透镜500组成双胶合透镜。

所述第三透镜300为鼓型正光焦度厚透镜，鼓型透镜是双凸透镜的一种特殊形式。所述光阑110为孔径光阑。

本发明光学系统采用反远距的光学结构型式，由于成像视场达到220°以上，为降低超大视场带来的视场像差如像散和畸变，前透镜组120在最前端采用了两个负光焦度的透镜，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后组像差校正的压力。

本发明的重点考虑了在实现高像质的前提下进行了光学系统的小型紧凑化设计，进行了相应的创新性设计与合理像差校正；当光学系统长度缩短时，由于各组透镜的光焦度增加，引起球差、彗差、像散、畸变等各种像差迅速增加，导致光学系统像质下降。本发明为了实现全景光学系统的紧凑设计，在前透镜组120引入了为鼓型正光焦度厚透镜的第三透镜300；由于采用了鼓型厚透镜，有效降低了光线到达后透镜组130的高度，并对光线有较大的会聚效应，更进一步降低了出射光线高度，大幅减轻后透镜组130的像差校正压力，从而在缩短光学系统尺寸的同时获得高成像质量。

本发明在光阑110前端采用鼓型厚透镜实现光路的紧凑设计，光学系统长度仅20.439mm，满足高分辨率全景相机的小型化需求，实现了高解析、高分辨率成像，光焦度分配合理，工艺可实现性好，易于实现批量化生产装配。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组120的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为优选的实施方式，所述后透镜组130的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为优选的实施方式，所述第三透镜300的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中与的比值满足：

作为优选的实施方式，所述第三透镜300靠近光阑110的光学面为第一光学面，所述第四透镜400靠近光阑110的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述轴外视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h2/h1满足：

1.04≤h1/h2≤1.16。

作为优选的实施方式，所述光阑110与所述第三透镜300的中心的距离为l1，所述光阑110与所述第四透镜400的中心的距离为l2，其中l1/l2的比值满足：

3.15≤l1/l2≤3.75。

作为优选的实施方式，所述第一透镜100的光焦度为所述第二透镜200的光焦度为所述第四透镜400和第五透镜500的组合光焦度为所述第六透镜600的光焦度为所述第七透镜700的光焦度为其中和满足：

为了实现日夜共焦的应用要求，采用光焦度接近于零的双胶合透镜校正了系统的轴向色差和垂轴色差，并且将850nm的近红外谱段与可见光谱段进行了共焦校正，实现日夜共焦两用。

作为优选的实施方式，所述第一透镜100和第六透镜600的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜200和第四透镜400的材质为镧冕玻璃，所述第三透镜300和第五透镜500的材质为重火石玻璃，所述第七透镜700的材质为重冕玻璃。

作为优选的实施方式，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300、第四透镜400、第五透镜500、第六透镜600和第七透镜700均为球面玻璃透镜。

本光学系统的所有透镜均采用球面玻璃透镜，易于加工，成本较低。

作为优选的实施方式，所述第七透镜700和像面800之间设有滤光片900。

所述滤光片900用于实现对特定范围的光谱成像，避免其他波长的光谱进入，影响成像质量。

本实施例的光学系统，具体参数为：

焦距1.41mm；相对孔径d/f为1/2.2；视场角为220°；光学系统总长20.439mm，后工作距离(第七透镜700到像面800的距离)为3.165mm。

在本发明实施例中，如附图2、图3所示，可见光谱度和近红外谱段的焦面位置差异很小，在同一个像面800上能够同时满足两种谱段的成像质量；可见光谱段在180lp/mm时全视场平均传递函数值优于0.5，在360lp/mm时全视场平均传递函数值接近0.30；近红外850nm谱段在180lp/mm时全视场平均传递函数值优于0.42，在360lp/mm时全视场平均传递函数值优于0.12。保证了在不同谱段的高分辨率解析像质，实现了日夜共焦成像。

在本发明实施例中，考虑到全景相机应用环境的光照情况比较复杂，如果光学系统不对紫边进行很好的校正，景物成像就容易出现紫边效应，将成为影响图像明暗景物交界清晰度的杂光干扰。在本发明实施例中，对435nm的紫边进行了较好的校正，如图4所示，在全视场范围内，435nm和656nm光谱处于交叠状态，没有出现435nm远离其它光谱的现象，很好地避免了紫边效应。

本发明光学系统在光阑110前端采用鼓型厚透镜实现光路的紧凑设计，光学系统长度仅20.439mm，满足高分辨率全景相机的小型化需求；全视场传递函数平均值接近0.3@360lp/mm，像素分辨率达到了1200万，实现了高解析、高分辨率成像；采用全球面透镜设计，光焦度分配合理，工艺可实现性好，易于实现批量化生产装配。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。