專利名稱：利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及透鏡成像裝置及其方法，尤其涉及一種利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法。
背景技術(shù)：
基于平面圓柱投影原理的全景環(huán)帶成像技術(shù)是一種與傳統(tǒng)中心投影原理截然不同的新成像技術(shù)，可在無需轉(zhuǎn)動成像系統(tǒng)的條件下，將周圍360°的環(huán)帶景物一次性地成像在同一個環(huán)帶像面上，從光學(xué)原理上實(shí)現(xiàn)了 360°全景凝視成像。如專利US Patent 4，566，763，1986和US Patent 5，473，474，1995所述，全景透鏡采用平面圓柱投影法 FCP( Flat Cylinder Perspective)，將圍繞光學(xué)系統(tǒng)光軸360°范圍的圓柱視場投影到二維平面上的一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)。該全景鏡頭由玻璃等透光性材料構(gòu)成，全景透鏡及其中繼透鏡組的幾何結(jié)構(gòu)由圖3所示，透鏡一端面為外凸的第一環(huán)形折射面2，透鏡另端一面為外凸出的第一環(huán)形反射面3，在透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有內(nèi)凹的第二反射面4，第一環(huán)形折射面2中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面4邊緣相接，在第一環(huán)形反射面3中心設(shè)有第二折射面 5，第一環(huán)形反射面3中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面5邊緣相接。光線從第一折射面2進(jìn)入，被折射到第一反射面3，經(jīng)第一反射面3反射到第二反射面4，再從第二反射面4反射到第二折射面5，最后從第二折射面5折射出全景環(huán)帶透鏡并在其內(nèi)部或后方形成虛像，該虛像通過中繼透鏡組7變換成實(shí)像，成像于位于探測面8的 CCD/CMOS探測器。全景環(huán)帶成像光學(xué)系統(tǒng)具有視場大，體積緊湊，制造成本低的特點(diǎn)，適用于安防監(jiān)視、機(jī)器人視覺、自動導(dǎo)航等需要大視場周視觀測的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于其成像原理的特殊性，第一反射面遮擋前方視場從而存在一個中央盲區(qū)，此盲區(qū)降低了傳感器有效像素的利用率，且隨著視場的增大此區(qū)域面積也會增大，這是一個嚴(yán)重的缺陷；另一方面，全景環(huán)帶光學(xué)系統(tǒng)由于其超廣角的特性，其成在探測面上的像的大小被嚴(yán)重壓縮，若要對環(huán)帶像上的某區(qū)域?qū)崿F(xiàn)放大觀察，一種方式是采用更大的或像素密度更高的傳感器，但這種方式不能使中央盲區(qū)面積縮小，而且整體系統(tǒng)的體積會變得更大，制造成本和制造難度都會大大增加，另一種方法是在其附近再增加一套望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)勢必會遮擋環(huán)帶像的部分視場，要同時實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向全景環(huán)帶系統(tǒng)像面感興趣區(qū)域的難度也較大，因此實(shí)時性較差，且無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法。利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置是在光軸上順次設(shè)有反光鏡、望遠(yuǎn)鏡組、連接透鏡，全景環(huán)帶成像透鏡、中繼轉(zhuǎn)向透鏡和探測面，全景環(huán)帶成像透鏡一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形折射面，第一環(huán)形折射面內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二環(huán)形反射面，第二凹面環(huán)型反射面內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二折射面，全景環(huán)帶成像透鏡另一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形反射面，第一環(huán)形反射面內(nèi)側(cè)設(shè)有第三折射面，連接透鏡上表面曲率半徑為10mnTl5mm，連接透鏡下表面曲率半徑為10mnTl5mm，連接透鏡與望遠(yuǎn)鏡組之間的中心距離為5mnTl0mm， 連接透鏡與第二折射面之間的中心距離為5mnTl0mm，反光鏡能繞光軸轉(zhuǎn)動。利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像的方法是光線通過反光鏡的反射，望遠(yuǎn)鏡組、連接透鏡、全景環(huán)帶成像透鏡和中繼轉(zhuǎn)向透鏡的折射后在探測面上形成一個中心成像圓，光線經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡折反射，中繼轉(zhuǎn)向透鏡折射后在探測面形成環(huán)帶像面， 物點(diǎn)P發(fā)出的第一條光線經(jīng)過反光鏡反射、望遠(yuǎn)鏡組、連接透鏡、第二折射面、第三折射面和中繼轉(zhuǎn)向透鏡折射成像于探測面的中心成像圓中，形成第一像點(diǎn)P1，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡的第一環(huán)形折射面折射，第一環(huán)形反射面、第二環(huán)形反射面的反射，第三折射面、中繼轉(zhuǎn)向透鏡的折射后成像于探測面上的環(huán)帶像面中，形成第二像點(diǎn) P2，通過改變連接透鏡前后表面的曲率半徑，望遠(yuǎn)鏡組的中心距離和第二折射面的中心距離使中心成像圓的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面的內(nèi)徑，同時兩個像面上的像都清晰的成像方法。本發(fā)明利用位于同一光軸上的望遠(yuǎn)鏡組與全景環(huán)帶透鏡，將全景環(huán)帶透鏡中原本不能成像的盲區(qū)得以充分利用，把環(huán)帶像中感興趣的區(qū)域通過其上方的反光鏡與望遠(yuǎn)鏡組在原盲區(qū)中形成一個放大的像，從而僅使用單一傳感器即可實(shí)現(xiàn)全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。 該系統(tǒng)由于有效利用了全景環(huán)帶透鏡的盲區(qū)，彌補(bǔ)了全景環(huán)帶系統(tǒng)中盲區(qū)的最大缺陷，實(shí)現(xiàn)了傳感器有效像素利用率的最大化。該全景望遠(yuǎn)成像系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)1)彌補(bǔ)了全景環(huán)帶光學(xué)系統(tǒng)的盲區(qū)；2)使用一套光學(xué)系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)了全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。


圖1是利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置示意圖； 圖2是本發(fā)明的像面圖3是本發(fā)明的全景透鏡成像原理示意圖中全景環(huán)帶成像透鏡1、第一環(huán)形折射面2、第一環(huán)形反射面3、第二環(huán)形反射面4、 第三折射面5、第二折射面6、中繼轉(zhuǎn)向透鏡7、探測面8、望遠(yuǎn)鏡組9、反光鏡10、光軸11、第二條光線12、第一條光線13、中心成像圓14、環(huán)帶像面15、連接透鏡16、物點(diǎn)P、第一像點(diǎn) P1、第二像點(diǎn)P2。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置是在光軸11上順次設(shè)有反光鏡10、望遠(yuǎn)鏡組9、連接透鏡16，全景環(huán)帶成像透鏡1、中繼轉(zhuǎn)向透鏡7和探測面 8，全景環(huán)帶成像透鏡1 一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形折射面2，第一環(huán)形折射面2內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二環(huán)形反射面4，第二凹面環(huán)型反射面4內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二折射面6，全景環(huán)帶成像透鏡1另一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形反射面3，第一環(huán)形反射面3內(nèi)側(cè)設(shè)有第三折射面 5，連接透鏡16上表面曲率半徑為10mnTl5mm，連接透鏡16下表面曲率半徑為10mnTl5mm， 連接透鏡16與望遠(yuǎn)鏡組9之間的中心距離為5mnTl0mm，連接透鏡16與第二折射面6之間的中心距離為5mnTl0mm，反光鏡10能繞光軸11轉(zhuǎn)動。
利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像的方法是光線通過反光鏡10的反射， 望遠(yuǎn)鏡組9、連接透鏡16、全景環(huán)帶成像透鏡1和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7的折射后在探測面8上形成一個中心成像圓14，光線經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡1折反射，中繼轉(zhuǎn)向透鏡7折射后在探測面8形成環(huán)帶像面15，物點(diǎn)P發(fā)出的第一條光線13經(jīng)過反光鏡10反射、望遠(yuǎn)鏡組9、連接透鏡16、第二折射面6、第三折射面5和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7折射成像于探測面8的中心成像圓 14中，形成第一像點(diǎn)P1，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線12經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡1的第一環(huán)形折射面2折射，第一環(huán)形反射面3、第二環(huán)形反射面4的反射，第三折射面5、中繼轉(zhuǎn)向透鏡 7的折射后成像于探測面8上的環(huán)帶像面16中，形成第二像點(diǎn)P2，通過改變連接透鏡16前后表面的曲率半徑，望遠(yuǎn)鏡組9的中心距離和第二折射面6的中心距離使中心成像圓14的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面15的內(nèi)徑，同時兩個像面上的像都清晰的成像方法。如圖3所示，全景環(huán)帶透鏡的結(jié)構(gòu)是透鏡的一端面為外凸的第一環(huán)形折射面2， 透鏡另一端面為內(nèi)凹的第一環(huán)形反射面3，在透鏡第一環(huán)形折射面中設(shè)有內(nèi)凹的第二反射面4，第一環(huán)形折射面2內(nèi)環(huán)邊緣與內(nèi)凹的第二反射面4邊緣相接，在內(nèi)凹的第一環(huán)形反射面3中設(shè)有第二折射面5，內(nèi)凹的第一環(huán)形反射面3的內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面5邊緣相接。 全景透鏡的成像原理是光線從第一環(huán)形折射面2進(jìn)入后折射到第一環(huán)形反射面3，經(jīng)第一環(huán)形反射面3反射到第二反射面4，經(jīng)第二反射面4反射到第二折射面5，最后從第二折射面5折射出透鏡。光線通過全景透鏡后在其內(nèi)部成虛像，該虛像通過中繼轉(zhuǎn)向透鏡7在探測面8上形成實(shí)像，被此位置的(XD/CM0S所接收。由于全景環(huán)帶成像的像面中心不可避免地存在圓形盲區(qū)，本發(fā)明利用該盲區(qū)，使望遠(yuǎn)鏡組9的成像區(qū)域14在全景環(huán)帶透鏡1的成像盲區(qū)中，兩個成像區(qū)域互相不重合，從而完全補(bǔ)全了原有的成像盲區(qū)。通過全景環(huán)帶透鏡1的成像區(qū)域可以觀察周圍360°區(qū)域視場內(nèi)的所有物點(diǎn)，若對某一物點(diǎn)P感興趣，可通過測量該物點(diǎn)在像面上的位置從而推算出其在物方的方位角，然后通過電機(jī)控制反光鏡10的繞光軸11旋轉(zhuǎn)使之轉(zhuǎn)向物點(diǎn)P點(diǎn)，第一條光線13經(jīng)過反光鏡10反射后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡組9成像、全景環(huán)帶成像透鏡1的第二折射面6、第三折射面5和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7折射后成像于第一像點(diǎn)P1，此像點(diǎn)是物點(diǎn)P經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡1在環(huán)帶上所成第二像點(diǎn)P2放大的像，所以通過單一的傳感器就可以實(shí)現(xiàn)了全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。全景環(huán)帶成像透鏡1和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7制造時首先確定其在探測面8上環(huán)帶像面15的內(nèi)、外環(huán)直徑、第二折射面6與第二反射面4的直徑，為了方便制造，一般第二環(huán)形反射面4、和第二折射面6的曲率半徑為相同，曲率半徑絕對值一般大于100mm，第一環(huán)形反射面3的曲率半徑較小，一般在50mnTl00mm之間，且第三折射面5的曲率半徑一般與第一環(huán)形反射面3的曲率半徑相同或是平面，設(shè)計(jì)時將反射到第二反射面4上的光線的位置盡量移向外側(cè)，為望遠(yuǎn)鏡組9進(jìn)入全景環(huán)帶透鏡的第二折射面6留下足夠的空間，此透光區(qū)域的直徑一般不小于10mm，在設(shè)計(jì)好全景環(huán)帶成像透鏡1后再設(shè)計(jì)中繼轉(zhuǎn)向透鏡7，此透鏡能夠?qū)⑷碍h(huán)帶成像透鏡1內(nèi)部形成的虛像轉(zhuǎn)換到探測面8上。全景環(huán)帶成像透鏡1一般采用折射率較高色散較小的鑭系玻璃制作，如LAK3等，中級轉(zhuǎn)向透鏡一般采用火石玻璃制作，如ZF4等。設(shè)計(jì)好光學(xué)系統(tǒng)后，將全景環(huán)帶成像透鏡1和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7分別磨成指定的形狀，對第一折射面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分別拋光，然后在第一反射面3、第二反射面4上通過真空蒸鍍等方式鍍上金屬反射膜來增加表面反射率。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和中繼轉(zhuǎn)向透鏡7上鍍增透膜來增加表面透過率。鍍膜的波長根據(jù)設(shè)計(jì)的中心波長確定。望遠(yuǎn)鏡組9和連接透鏡16制造時首先確定要放大的倍數(shù)與像面的大小，不加入連接透鏡16，選擇合適的材料與鏡片數(shù)量，設(shè)計(jì)好望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)。然后加入連接透鏡 16與已經(jīng)設(shè)計(jì)好的全景環(huán)帶成像透鏡1與后繼轉(zhuǎn)向透鏡7，在不改變后兩者結(jié)構(gòu)的情況下， 改變連接透鏡16曲率、前后兩個鏡組的距離，必要時也可以增加連接透鏡16的材料和鏡片數(shù)目，使原先望遠(yuǎn)鏡的像面成像移動到全景環(huán)帶成像透鏡1的中心成像圓14中，同時保證光線經(jīng)過全景環(huán)帶透鏡1的第二折射面6時，光束的直徑小于第二折射面的直徑。最后把望遠(yuǎn)鏡組9與連接透鏡16包含的各個鏡片磨成指定的形狀，對各片的通光表面鍍增透膜， 增加表面的透過率，鍍膜的波長根據(jù)設(shè)計(jì)的中心波長確定。本發(fā)明可通過現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡與全景環(huán)帶透鏡及其中繼轉(zhuǎn)向透鏡建立初始光學(xué)模型，利用ZEMAX等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到特定的設(shè)計(jì)要求，完成最終系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 全景環(huán)帶成像透鏡1、望遠(yuǎn)鏡組9反光鏡10三者之間可采用透明的圓柱形玻璃管或有機(jī)玻璃管作支撐，保證成像環(huán)帶中無遮擋。反光鏡10繞光軸11旋轉(zhuǎn)使用的運(yùn)動機(jī)構(gòu)可通過計(jì)算機(jī)控制。
權(quán)利要求
1.一種利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置，其特征在于，在光軸(11)上順次設(shè)有反光鏡(10)、望遠(yuǎn)鏡組(9)、連接透鏡(16)，全景環(huán)帶成像透鏡(1)、中繼轉(zhuǎn)向透鏡 (7 )和探測面(8 )，全景環(huán)帶成像透鏡(1) 一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形折射面(2 )，第一環(huán)形折射面(2)內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二環(huán)形反射面(4)，第二凹面環(huán)型反射面(4)內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)凹的第二折射面(6)，全景環(huán)帶成像透鏡(1)另一端面設(shè)有外凸的第一環(huán)形反射面(3)，第一環(huán)形反射面(3)內(nèi)側(cè)設(shè)有第三折射面(5)，連接透鏡(16)上表面曲率半徑為10mnTl5mm，連接透鏡(16)下表面曲率半徑為10mnTl5mm，連接透鏡(16)與望遠(yuǎn)鏡組(9)之間的中心距離為 5mnTl0mm，連接透鏡(16)與第二折射面(6)之間的中心距離為5mnTl0mm，反光鏡(10)能繞光軸(11)轉(zhuǎn)動。
2.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像的方法，其特征在于光線通過反光鏡(10)的反射，望遠(yuǎn)鏡組(9)、連接透鏡(16)、全景環(huán)帶成像透鏡(1)和中繼轉(zhuǎn)向透鏡(7)的折射后在探測面(8)上形成一個中心成像圓(14)，光線經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡(1)折反射，中繼轉(zhuǎn)向透鏡(7)折射后在探測面(8)形成環(huán)帶像面(15)， 物點(diǎn)P發(fā)出的第一條光線(13)經(jīng)過反光鏡(10)反射、望遠(yuǎn)鏡組(9)、連接透鏡(16)、第二折射面(6)、第三折射面(5)和中繼轉(zhuǎn)向透鏡(7)折射成像于探測面(8)的中心成像圓(14) 中，形成第一像點(diǎn)Pl，物點(diǎn)P發(fā)出的第二條光線(12)經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡(1)的第一環(huán)形折射面(2)折射，第一環(huán)形反射面(3)、第二環(huán)形反射面(4)的反射，第三折射面(5)、中繼轉(zhuǎn)向透鏡(7)的折射后成像于探測面(8)上的環(huán)帶像面(16)中，形成第二像點(diǎn)P2，通過改變連接透鏡(16)前后表面的曲率半徑，望遠(yuǎn)鏡組(9)的中心距離和第二折射面(6)的中心距離使中心成像圓(14)的外徑小于環(huán)帶像面環(huán)帶像面(15)的內(nèi)徑，同時兩個像面上的像都清晰的成像方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用全景環(huán)帶透鏡實(shí)現(xiàn)全景望遠(yuǎn)組合成像裝置及其方法。物點(diǎn)發(fā)出的一條光線，經(jīng)過全景環(huán)帶成像透鏡成像在像面上；物點(diǎn)發(fā)出的另一條光線經(jīng)過反光鏡反射后向下傳播進(jìn)入同軸放置的望遠(yuǎn)鏡組、連接透鏡、全景環(huán)帶成像透鏡的兩個折射面與中繼透鏡，成像于環(huán)帶像面的中央盲區(qū)中，形成一個局部放大像。通過改變連接透鏡的曲率和與望遠(yuǎn)鏡組和全景環(huán)帶透鏡之間的距離，使兩個清晰的像面位于同一平面上并且互相不重疊。本發(fā)明利用位于同軸的兩個透鏡組組合而成的光學(xué)系統(tǒng)，將環(huán)帶物空間中的同一物點(diǎn)同時分別成像于中心盲區(qū)中與環(huán)帶像面中，彌補(bǔ)了全景環(huán)帶成像透鏡原來不能成像的中心盲區(qū)，同時實(shí)現(xiàn)了使用單一傳感器完成全景與望遠(yuǎn)的雙重功能。
文檔編號G02B13/06GK102508354SQ20111033116
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者侯西云, 白劍, 黃治 申請人:浙江大學(xué)