包含一个非球面折反射全景成像光学系统

本发明涉及包含一个非球面折反射的全景成像光学系统，应用于超大视场光学系统的成像技术领域。

背景技术：

折反射全景成像光学系统的视场范围是一般光学系统无法达到的，成像的工作视场角在弧矢方向达360°，即弧矢方向全景成像，在子午方向最大可达到130°，具有旋转对称、超大视场、实时性成像等特性。因此，在很多领域有着广泛的应用，如机器人自动定位导航、vr、汽车辅助驾驶、机器视觉、视频会议等方面；而目前实现全景成像的其他两种方式为：

1.图像拼接方法；

2.鱼眼镜头光学系统。

图像拼接方法原始数据采集量大，拼接算法复杂，不能实现实时性成像的要求，而鱼眼镜头光学系统结构复杂、系统设计的柔韧性差、成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种包含一个非球面折反射的全景成像光学系统，能够完成超大视场物体成像，可调节性好，成像质量高，成本低，加工方便，更加具有实用价值。

为达到上述发明目的，本发明采用的方案是：

一种包含一个非球面折反射的全景成像光学系统，沿着光轴从物方到像方，依次设有前光组、孔径光阑、后光组；所述前光组由二次旋转圆锥曲面反射镜、双凸透镜、双凹透镜构成，所述反射镜的凸面向后；所述的后光组包括双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜和双凸透镜；所述的双凸透镜、双凹透镜、双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜、以及双凸透镜中的各块透镜的两个光学面的面型都为球面；所述的孔径光阑为中心开孔的薄金属圆片，限制通光孔径大小。

优选地，所述的前光组与后光组之间空气间隔为50.849mm±0.005mm，前光组与孔径光阑的空气间隔为47.159mm±0.005mm，孔径光阑与后光组之间的空气间隔为3.690mm±0.005mm。

优选地，所述的二次旋转圆锥曲面反射镜与双凸透镜之间的空气间隔为182.343mm±0.005mm，双凸透镜与双凹透镜之间的空气间隔为14.882mm±0.005mm，双胶合透镜与双凸透镜之间的空气间隔为20.347mm±0.005mm。

优选地，所述的前光组反射镜光学表面采用二次旋转圆锥曲面，因此反射镜的光学表面的非球面面型系数应该满足如下方程式：

x^′2+y^′2＝a1z′+a2z^′2(1)

式中：a1＝2r0，r0表示二次旋转圆锥曲线顶点处的曲率半径；a2是面型系数，当a2＜-1、a2＝-1、-1＜a2＜0、a2＝0和a2＞0时，反射镜的光学表面的面型分别为扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双曲面。

优选地，二次旋转圆锥曲面反射镜的材料为mirroe，双凸透镜的材料为ubk7，双凹透镜的材料为ubk7，双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜的材料为ubk7和bsc3，双凸透镜的材料为ubk7。

优选地，考虑到0°视场角附近时，由于折反射全景成像光学系统后光组物镜的遮挡，使得光学系统无法成像，故规定最小工作视场角为10°，折反射全景成像光学系统子午方向的工作视场角范围为10°至90°，总焦距为9.23mm±0.005mm，f/#＝4.03，后工作距离—光学系统最后一个光学面到像面的距离为40.998mm±0.005mm，光学系统的轴向长度—折反射光学系统第一个反射面到像面的距离为377.290mm±0.005mm。

优选地，在平面对称光学系统的波像差理论的基础上，通过计算折反射光学系统的波像差表达式，得到折反射全景成像光学系统的调制传递函数mtf，然后以光学系统mtf为优化依据，选取光学系统10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°九个物方工作视场角光学系统的mtf进行加权求和作为优化的评价函数进行优化，得到子午方向和弧矢方向的评价函数qm和qs，根据子午方向和弧矢方向上贡献不同，将子午方向和弧矢方向同时加权求和，得到优化过程中的最终评价函数q，然后采用自适应归一化实数编码遗传算法，对折反射全景成像光学系统进行优化设计，得到包含一个非球面折反射的全景成像光学系统。

为了得到更好的光学系统成像性能，本发明还提供了折反射全景成像光学系统优化设计方法。折反射全景成像光学系统有着巨大工作视场角的同时，也带来了系统巨大像差问题，而目前赛德尔像差理论只适用于中、小视场光学系统像差的求解，对于像折反射全景成像这类超大视场光学系统像差的求解一般是通过抽样光线拟合得到光学系统的像差，而拟合的精度不易控制，且无法得到折反射全景成像光学系统像差的解析表达式，进而无法计算光学系统调制传递函数(mtf)。

本发明在平面对称光学系统的波像差理论的基础上，通过计算折反射光学系统的波像差表达式，得到折反射全景成像光学系统的调制传递函数mtf，然后以光学系统mtf为优化依据，选取光学系统10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°九个物方工作视场角光学系统的mtf进行加权求和作为优化的评价函数进行优化，则子午方向和弧矢方向的评价函数为

式中，εi为视场角加权系数，qm为子午方向评价函数，qs为弧矢方向评价函数，由于子午方向和弧矢方向上贡献不同，本发明将子午方向和弧矢方向同时加权求和，得到优化过程中的最终评价函数，即

q＝ηqm+ξqs(3)

式中η、ξ分别为子午方向和弧矢方向加权系数，q为光学系统优化过程中的最终评价函数，然后采用自适应归一化实数编码遗传算法，利用评价函数，对折反射全景成像光学系统进行优化设计，从而得到mtf曲线性能更好的折反射全景成像光学系统。

与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明设计的折反射全景成像光学系统的前光组反射镜采用一个二次旋转圆锥曲面，为扁椭球面，因此比一般折反射全景成像光学系统的工作视场角广，其工作视场角的范围为10°至90°，能够完成超大视场物体成像；

2.本发明的光学系统孔径(f/#＝4.03)大、后工作距离广、光学系统轴向长度长、可调节性强、更加具有实用价值；

3.在工作视场范围内，本发明的光学系统的像面均匀性好，成像质量高，同时该光学系统结构简单，成本低，加工方便。

附图说明

图1是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统结构示意图。

图2是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统光学面示意图。

图3是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统光学参数标注示意图。

图4是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统mtf曲线图。

图5是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统的场曲曲线图。

图6是本专利实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光线追迹点列图。

图7是本发明实施例的包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光路图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1～图2，一种包含一个非球面折反射的全景成像光学系统，沿着光轴从物方到像方，依次设有前光组、孔径光阑、后光组，所述前光组由二次旋转圆锥曲面反射镜、双凸透镜、双凹透镜构成，所述反射镜的凸面向后；所述的后光组包括双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜和双凸透镜；所述的双凸透镜、双凹透镜、双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜、以及双凸透镜中的各块透镜的两个光学面的面型都为球面；所述的孔径光阑为中心开孔的薄金属圆片，限制通光孔径大小。

本实施例包含一个非球面折反射的全景成像光学系统，能够完成超大视场物体成像，可调节性好，成像质量高，成本低，加工方便。

实施例二：

在本实施例中，包含一个非球面的折反射全景成像光学系统的前光组a与后光组b之间空气间隔为50.849mm±0.005mm，前光组a与孔径光阑sto的空气间隔为47.159mm±0.005mm，孔径光阑sto与后光组之间的空气间隔为3.690mm±0.005mm。

在本实施例中，所述的二次旋转圆锥曲面反射镜a-1与双凸透镜a-2之间的空气间隔为182.343mm±0.005mm，双凸透镜a-2与双凹透镜a-3之间的空气间隔为14.882mm±0.005mm，双胶合透镜b-1与双凸透镜b-2之间的空气间隔为20.347mm±0.005mm。

在本实施例中，所述的前光组反射镜a光学表面采用二次旋转圆锥曲面，因此反射镜的光学表面的非球面面型系数应该满足如下方程式：

x^′2+y^′2＝a1z′+a2z′²(1)

式中：a1＝2r0，r0表示二次旋转圆锥曲线顶点处的曲率半径；a2是面型系数，当a2＜-1、a2＝-1、-1＜a2＜0、a2＝0和a2＞0时，反射镜的光学表面的面型分别为扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双曲面。

在本实施例中，二次旋转圆锥曲面反射镜a-1的材料为mirroe，双凸透镜a-2的材料为ubk7，双凹透镜a-3的材料为ubk7，双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1的材料为ubk7和bsc3，双凸透镜b-2的材料为ubk7。

在本实施例中，考虑到0°视场角附近时，由于折反射全景成像光学系统后光组物镜的遮挡，使得光学系统无法成像，故规定最小工作视场角为10°，折反射全景成像光学系统子午方向的工作视场角范围为10°至90°，总焦距为9.23mm±0.005mm，f/#＝4.03，后工作距离—光学系统最后一个光学面到像面的距离为40.998mm±0.005mm，光学系统的轴向长度—折反射光学系统第一个反射面到像面的距离为377.290mm±0.005mm。

在本实施例中，在平面对称光学系统的波像差理论的基础上，通过计算折反射光学系统的波像差表达式，得到折反射全景成像光学系统的调制传递函数mtf，然后以光学系统mtf为优化依据，选取光学系统10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°九个物方工作视场角光学系统的mtf进行加权求和作为优化的评价函数进行优化，得到子午方向和弧矢方向的评价函数qm和qs，根据子午方向和弧矢方向上贡献不同，将子午方向和弧矢方向同时加权求和，得到优化过程中的最终评价函数q，然后采用自适应归一化实数编码遗传算法，对折反射全景成像光学系统进行优化设计，得到包含一个非球面折反射的全景成像光学系统。

本实施例的折反射全景成像光学系统的前光组反射镜采用一个二次旋转圆锥曲面，为扁椭球面，因此比一般折反射全景成像光学系统的工作视场角广，其工作视场角的范围为10°至90°，能够完成超大视场物体成像；本实施例的光学系统孔径大、后工作距离广、光学系统轴向长度长、可调节性强；在工作视场范围内，本发明的光学系统的像面均匀性好，成像质量高，同时该光学系统结构简单，成本低，加工方便，更加具有实用价值。

实施例三：

如图1所示，包含一个非球面折反射全景成像光学系统，包括反射镜和折射镜组，由1片二次旋转圆锥曲面反射镜镜和4片透镜组合而成，沿着光轴从物方到像方，依次设有前光组a、孔径光阑、后光组b，所述的前光组由二次旋转圆锥曲面反射镜a-1、双凸透镜a-2、双凹透镜a-3构成，反射镜a的凸面向后，所述的后光组主要包括双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1、双凸透镜b-2，所述的双凸透镜a-2、双凹透镜a-3、双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1、双凸透镜b-2各块透镜中的两个光学面的面型都为球面。

在本实施例中，前光组反射镜a的面型系数a2为-4.82，即反射镜的面型为扁椭球面，前光组其余透镜以及后组光学系统的各透镜的面型系数a2均为-1。

在本实施例中，考虑到0°视场角附近时，由于折反射全景成像光学系统后光组物镜的遮挡，使得光学系统无法成像，故在本实施例中规定最小工作视场角为10°。折反射全景成像光学系统子午方向工作视场角的范围为10°至90°，总焦距为9.23mm±0.005mm，f/#＝4.03，后工作距离为40.998mm±0.005mm，系统轴向长度为377.290mm±0.005mm。

在本实施例中，在前组光学系统和后组光学系统之间设有孔径光阑sto，即孔径光阑sto设置于双凹透镜a-3和双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1之间，孔径光阑sto直径大小为5mm。

在本实施例中，二次旋转圆锥曲面反射镜a-1、双凸透镜a-2、双凹透镜a-3材料分别为mirror(n＝1)、ubk7(n＝1.51680，v2＝64.172)、ubk7(n＝1.51680，v2＝64.172)，双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1的材料分别为bsc3(n＝1.49830，v2＝60.564)和ubk7(n＝1.51680，v2＝64.172)，双凸透镜b-2的材料为ubk7(n＝1.51680，v2＝64.172)，其中n为折射率。

图1为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统结构示意图，从物平面到像平面，主光线经过二次旋转圆锥曲面a-1反射后，依次经过双凸透镜a-2、双凹透镜a-3、双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜b-1、双凸透镜b-2折射后在像面12上最终成像。

图2为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统光学面示意图，1为二次旋转圆锥曲面反射镜a-1的反射面，2和3为双凸透镜a-2的入射面和出射面，4和5为双凹透镜a-3的入射面和出射面，6为孔径光阑sto，7为双胶合透镜b-1中双凹透镜中的入射面，8为双胶合透镜b-1的胶合面，9为双胶合透镜b-1中双凸透镜的出射面，10和11为双凸透镜b-2的入射面和出射面，12为光学系统的像面。

图3为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光学参数标注示意图，其中点o1为二次旋转圆锥曲面反射镜顶点与光轴的交点，r1为顶点o1处曲率半径，d1为二次旋转圆锥曲面反射镜a-1和双凸透镜a-2之间的空气间距，r2、r3为双凸透镜a-2入射面2和出射面3的曲率半径，d2为双凸透镜a-2的透镜厚度，d3为双凸透镜a-2和双凹透镜a-3之间空气间距，r4、r5为双凹透镜a-3入射面4和出射面5的曲率半径，d4为双凹透镜a-3的透镜厚度，点o2为孔径光阑sto中心与光轴之间的交点，d5为双凹透镜a-3到孔径光阑sto的空气间距，d6为孔径光阑sto到双胶合透镜b-1的空气间距，r7为双胶合透镜b-1中双凹透镜入射面7的曲率半径，r8双胶合透镜b-1中胶合面8的曲率半径，r9为双胶合透镜b-1中双凸透镜出射面9的曲率半径，d7为双胶合透镜b-1中双凹透镜的厚度，d8为双胶合透镜b-1中双凸透镜的厚度，d9为双胶合透镜b-1和双凸透镜b-2的空气间隔，r10、r11为双凸透镜b-2的入射面10和出射面11的曲率半径，d10为双凸透镜b-2的厚度，d11为双凸透镜b-2和像面12的空气间隔。

图4为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的mtf曲线图，图中横轴表示为工作视场角，单位为°；纵轴表示为mtf值，范围为0到1；依据光学系统的mtf值来对光学系统的成像质量进行评价。其中，曲线值越高、越平缓，则代表光学系统的成像质量越好。图4中视场角在0°至10°范围内，虚线代表光学系统理论上的mtf曲线，实际光学系统在这个视场角范围内无法成像,因此，只能计算光学系统mtf理论值。图中带实心图形(圆形和三角形)实线以及带空心图形(圆形和三角形)实线分别表示为空间频率30lp/mm和10lp/mm的主光线；图中带圆形(包括实心的和空心的图形)实线和带三角形(包括实心的和空心的图形)实线分别表示为子午方向和弧失方向，从图中可以看出折反射全景成像光学的mtf曲线在工作视场角为10°至90°范围内保持的很平稳，说明在视场角的工作范围内，光学系统的成像质量都非常好。

图6为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光线追迹点列图，图中分别给出了工作视场角在10°、50°和90°下光线追迹点列图。其中，图6(a)是c光为工作光时(红光，波长为656.27nm)光学系统的点列图，图6(b)是d光为工作光时(黄光，波长为587.56nm)光学系统的点列图，图6(c)是f光为工作光时(蓝光，波长为486.13nm)光学系统的点列图，从图6中可以看出在不同视场角以及工作光线下，光学系统的光斑半径非常小，说明光学系统在工作视场角范围内相应的几何像差都很小。

图6为本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的场曲曲线图，其中场曲是衡量光学系统镜头质量的重要指标之一。场曲曲线的横轴表示为场曲大小，单位为mm，纵轴表示为视场角，单位为°，在相应的工作光、视场角下的场曲大小如图6所示。从图6中可以看出本发明设计的包含一个非球面折反射全景成像光学系统在工作视场角范围内场曲很小，符合光学系统成像要求。本实施例包含一个非球面折反射全景成像光学系统的工作视场角广，能够完成超大视场物体成像。

本实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光学参数见表1。

表1实施例中包含一个非球面折反射全景成像光学系统的光学参数

综上所述，本发明公开了一种包含一个非球面折反射的全景成像光学系统。本系统沿着光轴由物方到像方，依次设有前光组、孔径光阑、后光组，所述的前光组由二次旋转圆锥曲面反射镜、双凸透镜、双凹透镜构成，反射镜的凸面向后；所述的后光组主要包括双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜、双凸透镜；所述的双凸透镜、双凹透镜、双凹透镜和双凸透镜组成的双胶合透镜、双凸透镜各块透镜的两个光学面的面型都为球面，所述的孔径光阑为中心开孔的薄金属圆片，目的是限制通光孔径大小。本发明包含一个非球面折反射全景成像光学系统的工作视场角广，能够完成超大视场物体成像；光学系统孔径大、后工作距离广、光学系统轴向长度长，其可调节性强、更加具有实用价值；在工作视场范围内，光学系统的像面均匀性好，成像质量高；同时该光学系统结构简单，成本低，加工方便。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明优化设计思想原理做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明包含非球面结构折反射全景成像光学系统的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。