利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統。包括同軸安裝的全景透鏡、置于全景透鏡后方的后繼透鏡組和探測器，在全景透鏡前方設有用于校正由光傳播方向的前端透鏡組，前端透鏡組與全景透鏡同軸，前端透鏡組校正由前端透鏡組前表面入射光的傳播方向，全景透鏡的第二反射面鍍有一層光學薄膜，該光學薄膜使得從全景透鏡外射到第二反射面的光只進行透射，并使從全景透鏡內射到第二反射面的光只進行反射，入射光由前端透鏡組折射再經全景透鏡和后繼透鏡組后會聚成像到探測器面的盲區上。本發明具有彌補了常規折反射式全景光學系統成像存在盲區的缺陷，同時可以做到將不同波段的光同時成像的功能。
【專利說明】利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及光學成像器件領域的一種成像系統，具體是涉及一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統。

【背景技術】
[0002]伴隨著全景環帶成像技術的不斷發展，研究一種能夠用全景環帶成像系統來代替單視場系統的方法已經成為各個國家競相研究的熱點。全景環帶成像光學系統是一種依托于自由曲面設計加工技術、數字圖像處理技術和大面陣成像CCD/CM0S探測器技術發展起來的新型成像技術。
[0003]傳統的單視場全景掃描成像技術是利用由單個成像鏡頭組成的系統旋轉一周，獲得一系列圖像，或沿360°各個方向放置一組單鏡頭進行同時分別拍攝后，由計算機數字圖像處理拼接而成的圖像。前者缺點在于對同一時刻鏡頭無法同時拍攝到四周360°的圖像，故這種方法的實時性欠佳，會出現時延差；而后者方法的缺陷在于在用計算機對數字圖像進行處理拼接的時候，圖像邊界的拼接誤差較難控制，容易造成圖像的缺失或模糊等問題，使得這種單視場全景成像系統的穩定性和可操作性都有所降低。
[0004]相比于傳統的單視場掃描全景成像鏡頭，全景環帶成像系統可以在同一時刻一次性捕獲四周360°范圍內的圖像，很好的解決了傳統全景掃描成像鏡頭的時延差問題，同時在通過計算機數字圖像處理全景環帶成像系統圖像時，只涉及到圖像的展開技術，而不涉及圖像拼接，因此圖像拼接的誤差問題也很好地得到了避免。
[0005]當前，針對全景環帶成像技術主要有兩種實現方式。一為基于反射式的全景環帶成像法，其特征在于周圍360°范圍內的景物通過反射的方式進入光學系統，再經過一系列的光學元件優化像質，最終到達探測器表面進行成像；另一為基于折反射式的全景環帶成像法，其特征在于周圍景物通過折射的方式進入光學系統，在全景透鏡內經過兩次反射后出射，再經過后繼光學元件優化像質，最終到達探測器表面進行成像。兩種全景環帶成像方式各有其優缺點，前者反射式全景光學元件的加工和裝配較為復雜，但勝于結構較輕；后者折反射式全景光學元件的加工和裝配相對容易，但實體材料結構較重。
[0006]針對常規折反射式全景環帶成像光學系統，其光路走向如圖1所示，入射光由第一透射面透射進入光學系統，由于不同介質存在折射率差，光線發生折射偏轉；光線在各向同性透鏡內部沿直線傳播，到達第一反射面后發生反射；繼續沿直線傳播到達第二反射面處發生第二次反射；再沿直線傳播到達第二透射面后，發生折射，出射出全景透鏡；經過后繼透鏡組后，最終成像在探測器上，光學設計如圖2所示。
[0007]雖然全景環帶成像系統已經有了諸多超越傳統視場成像系統的優勢，但是它依舊存在著許多尚未解決的問題，比如全景環帶成像系統的盲區問題。盲區的存在是折反射式全景環帶成像系統的固有缺陷，它使得探測器的利用率大大降低，造成探測器中心區域的浪費，如圖2所示。


【發明內容】

[0008]為了解決【背景技術】中存在的問題，本發明的目的是提出一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，使得原本探測器中心無法成像的區域得以成像，以提高探測器的利用率，并有效地把兩個處于不同波段的光利用同一套折反射式全景環帶成像光學系統同時成像在一個探測器的不同區域內，且相互之間沒有影響。
[0009]為實現上述發明目的，本發明是通過以下技術方案來實現的:
本發明包括同軸安裝的全景透鏡、置于全景透鏡后方的后繼透鏡組和探測器，全景透鏡包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在全景透鏡前方設有用于校正光傳播方向的前端透鏡組，前端透鏡組與全景透鏡同軸，前端透鏡組校正由前端透鏡組前表面入射光的傳播方向，全景透鏡的第二反射面鍍有一層選擇性光學薄膜，該光學薄膜使得從全景透鏡外射到第二反射面的光只進行透射，并使從全景透鏡內射到第二反射面的光只進行反射；前端透鏡組前端入射的光由前端透鏡組折射再依次經全景透鏡的第二反射面和后繼透鏡組后會聚成像到探測器中心成像區域上；由全景透鏡的第一透射面入射的光在全景透鏡內部依次經第一反射面、第二反射面反射后，再經第二透射面折射出，然后經后繼透鏡組透射成像到探測器面的全景環帶成像區域。
[0010]所述的全景透鏡和后繼透鏡組使得由全景透鏡第二反射面入射的光和第一透射面入射的光能同時傳播。
[0011]所述的由全景透鏡第二反射面入射的光和由第一透射面入射的光分別為不同波段的光線。
[0012]所述的前端透鏡組由多片不同材料的光學透鏡組合而成，使得由全景透鏡第二反射面處入射的光能夠傳播。
[0013]所述的光學薄膜采用分光膜，按波長區域對光束進行選擇性透反射。
[0014]所述的光學薄膜對由全景透鏡第二反射面處入射的光進行選擇性透射，對第一透射面處入射的光進行選擇性反射。
[0015]本發明有益效果是:
本發明使得原本探測器中心無法成像的區域得以成像，以提高探測器的利用率。
[0016]本發明可有效地把兩個處于不同波段的光利用同一套折反射式全景環帶成像光學系統同時成像在一個探測器的不同區域內，且相互之間沒有影響。
[0017]本發明具有彌補了現有技術中常規折反射式全景光學系統成像存在盲區的缺陷，同時可以做到將不同波段的光同時成像的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是現有技術成像系統結構示意圖。
[0019]圖2是現有技術探測器像面區域分布圖。
[0020]圖3是本發明的結構示意圖。
[0021]圖4是本發明的像面區域分布圖。
[0022]圖5是本發明的光路圖。
[0023]圖中:1、全景透鏡，2、后繼透鏡組，3、探測器，4、前端透鏡組，5、第一透射面，6、第一反射面，7、第二反射面，8、第二透射面，9、后繼透鏡組前表面，10、后繼透鏡組后表面，12、盲區，13、前端透鏡組前表面，14、前端透鏡組后表面，16、探測器中心成像區域，17、全景環帶成像區域，18、探測器非成像區域。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0025]如圖4所示，本發明的成像系統包括同軸安裝的全景透鏡1、置于全景透鏡I后方的后繼透鏡組2和探測器3，全景透鏡I上設有第一反射面6、第二反射面7、第一透射面5和第二透射面8，在全景透鏡前方設有用于校正光傳播方向的前端透鏡組4，前端透鏡組4與全景透鏡I同軸，前端透鏡組4校正由前端透鏡組前表面13入射光的傳播方向，全景透鏡I的第二反射面7鍍有一層選擇性光學薄膜，該光學薄膜使得從全景透鏡I外射到第二反射面7的光只進行透射，并使從全景透鏡I內射到第二反射面7的光只進行反射；前端透鏡組前表面13入射的光由前端透鏡組4折射再依次經全景透鏡I的第二反射面7和后繼透鏡組2后會聚成像到探測器中心成像區域16上，即為原來探測器((XD或CMOS)面的盲區12上，該盲區12為現有成像系統中從第一透射面入射的光到達探測器所形成的盲區；由全景透鏡I的第一透射面5入射的光在全景透鏡內部依次經第一反射面6、第二反射面7反射后，再經第二透射面8折射出，然后經后繼透鏡組透射成像到探測器面的全景環帶成像區域17。
[0026]如圖4所示，全景透鏡I和后繼透鏡組2共同作用產生光焦度，使得由全景透鏡第一透射面入射的光線發生偏轉，匯聚成像在全景環帶成像區域17上。如圖4所示，前端透鏡組、全景透鏡和后繼透鏡組共同作用產生光焦度，使得由全景透鏡第二反射面入射的光線發生偏轉，匯聚成像在探測器上的探測器中心成像區域16中。如圖4所示，探測器其余周圍區域為探測器非成像區域18。
[0027]現有技術中全景透鏡第二反射面7鍍有反射薄膜，在本發明的全景透鏡中，第二反射面7處鍍有一層光學薄膜為選擇性光學薄膜，在第一反射面6處需鍍一層反射薄膜，使光線傳播到該面時發生反射，在第二反射面處鍍的一層光學薄膜為選擇性光學薄膜，該選擇性光學薄膜為一種對某些波段范圍內的光反射，而對另一些波段范圍內的光透射的薄膜，當不同波段的光照射到該薄膜上時，進行選擇性透過。
[0028]全景透鏡I和后繼透鏡組2使得由全景透鏡第二反射面入射的光和第一透射面入射的光能同時傳播。由全景透鏡第二反射面入射的光和由第一透射面入射的光分別為不同波段的光線。
[0029]在本發明中，前端透鏡組可以由放置于全景透鏡前的多片不同材料的光學透鏡組合而成，提供光焦度，使得由前端透鏡組前側表面透射進入光學系統的光線傳播方向發生偏轉。
[0030]前端透鏡組各透鏡的材料需同時滿足由前端透鏡組前側表面入射波段光在其內部進行傳播的條件。
[0031]在本發明中，光學薄膜為波長分光膜，又叫雙色分光膜，它是按波長區域對光束進行選擇性透反射的光學薄膜，需能夠使得從全景透鏡外射到第二反射面的光只進行透射，并使從全景透鏡內射到第二反射面的光只進行反射。
[0032]光學薄膜對由全景透鏡第二反射面處入射的光進行選擇性透射，對第一透射面處入射的光進行選擇性反射。
[0033]全景透鏡和后繼透鏡組選用可以使前述光學薄膜透射與反射兩個不同波段光同時傳播的材料。
[0034]在本發明中，前端透鏡組由一系列處于同一光軸上的透鏡組成:與其后側的全景透鏡、后繼透鏡組一起產生光焦度，使得由前端透鏡組第一片透鏡前表面入射的低視場光線發生方向偏轉后，最終成像在探測器光敏面處。優選的前端透鏡組4如圖3所示，具有前端透鏡組前表面13和前端透鏡組后表面14。
[0035]后繼透鏡組由一系列處于同一光軸上的透鏡組成:對于由全景透鏡出射后經空氣介質進入后繼透鏡組的光，后繼透鏡組為其提供一定的光焦度，使得光線傳播方向發生部分偏轉，從后繼透鏡組出射后匯聚于探測器光敏面位置(即像面位置)。優選的后繼透鏡組2如圖3所不，具有后繼透鏡組如表面9和后繼透鏡組后表面10。
[0036]在本發明中，上述所指的探測器光敏面即指探測器接收光能量，并將其轉化為電信號的表面，在本發明中與成像像面一致。
[0037]本發明的工作原理如下:
對于全景透鏡所鍍光學薄膜選擇性反射波段的光，從全景透鏡側方較高視場(通常大于30°半視場角)照射在全景透鏡第一透射面處，由于空氣與全景透鏡材料介質之間存在折射率差，該波段光能夠折射進入光學系統；由于全景透鏡材料為各向同性介質，光線在全景透鏡內沿直線傳播，到達全景透鏡第一反射面處；第一反射面上鍍有反射薄膜，光線在此處發生反射后，繼續沿直線傳播，到達第二反射面處；由于第二反射面鍍有對該波段反射的光學薄膜，光線在此處發生第二次反射后，繼續沿直線傳播，到達第二透射面處；光線在此處再次發生折射，離開全景透鏡進入空氣介質；光線在空氣中沿直線傳播進入后繼透鏡組，后繼透鏡組各透鏡的材料均為各項同性材料且與空氣存在折射率差，使得光線在后繼透鏡組中發生了一系列折射效應，最終離開后繼透鏡組到達探測器的光敏面；
對于前述全景透鏡所鍍光學薄膜選擇性透射波段的光，從前端透鏡組前方較低視場(通常小于30°半視場角)照射在前端透鏡組第一片透鏡前表面處，由于空氣與前端透鏡組第一片透鏡材料介質之間存在折射率差，該波段光能夠折射進入光學系統；由于前端透鏡各鏡片材料均為各向同性介質，光線在前端透鏡組內沿直線傳播，到達前端透鏡組最后一片透鏡后表面處光線出射，在空氣中沿直線傳播后，到達全景透鏡第二反射面處；由于全景透鏡第二反射面上鍍有對該波段光透射的薄膜，光線在此處發生透射現象，使得光線折射進入全景透鏡，繼續沿直線傳播到達第二透射面處，光線在此處再次發生折射，離開全景透鏡進入空氣介質；之后光線在空氣中沿直線傳播進入后繼透鏡組，后繼透鏡組各透鏡的材料均為各項同性材料且與空氣存在折射率差，使得光線在后繼透鏡組中發生了一系列折射效應，最終離開后繼透鏡組到達探測器的光敏面；
對于前述全景透鏡第一透射面的入射光，成像于探測器光敏面的外圍環狀區域內；對于前述前端透鏡組第一片透鏡前的入射光，成像于探測器光敏面的中心圓形區域內；探測器光敏面外圍環狀區域的內圓半徑不能小于中心圓形區域的半徑值，保證探測器光敏面上不出現兩個不同波段光成像的重疊區域；同時探測器光敏面外圍環狀區域的內圓半徑不應過大于中心圓形區域的半徑值，以避免探測器光敏面上不出現環形盲區，使得探測器得到最大利用，如圖5所示。
[0038]本發明的實施例如下:
實施例1:
根據本發明系統的結構構建光路，其中光學波段選擇:A光450nm、B光650nm ;光學薄膜米用對450nm波段光截止,并發生反射,對650nm波段光濾過,并發生透射的波長分光膜。
[0039]全景透鏡I選用牌號為F5的玻璃，后繼透鏡組2選用牌號為QK3、F7的兩種玻璃，450nm的A光和650nm的B光均可以在上述三種玻璃種進行傳播。
[0040]前端透鏡組4選用牌號為LAF3、LAK3的兩種玻璃，650nm的B光可以在上述兩種玻璃中進行傳播。
[0041]450nm波段的A光從全景透鏡第一透射面5處入射進入光學系統，后遇全景透鏡第一反射面6發生反射后折回，再遇全景透鏡第二反射面7，由于全景透鏡第二反射面7上鍍有一層讓450nm波段光發生反射的光學薄膜，使得該光反射后由第二透射面8出射，后經后繼透鏡組2校正光線傳播方向，最終匯聚成像于探測器像面靠外側的全景環帶成像區域17中。
[0042]650nm波段的B光從前端透鏡組前表面13處入射進入光學系統，經由前端透鏡組4后，光線方向發生部分偏轉，到達全景透鏡第二反射面7處，由于全景透鏡第二反射面7上鍍有一層讓650nm波段光發生透射的光學薄膜，使得該光透射進入全景透鏡1，再經后繼透鏡組2校正光線傳播方向，最終匯聚成像于探測器像面上由450nm波段光成像所形成的盲區12中。
[0043]實施例2:
根據本發明系統的結構構建光路，其中光學波段選擇:A光355nm、B光800nm ;光學薄膜米用對355nm波段光截止,并發生反射,對800nm波段光濾過,并發生透射的波長分光膜。
[0044]全景透鏡I選用牌號為F_SILICA的玻璃，后繼透鏡組2選用牌號為CAF2、PBL1Y、SAPPHIRE的三種玻璃，355nm的A光和800nm的B光均可以在上述四種玻璃種進行傳播。
[0045]前端透鏡組4選用牌號為F_SILICA、QF5的兩種玻璃，800nm的B光可以在上述兩種玻璃中進行傳播。
[0046]355nm波段的A光從全景透鏡第一透射面5處入射進入光學系統,后遇全景透鏡第一反射面6發生反射后折回，再遇全景透鏡第二反射面7，由于全景透鏡第二反射面7上鍍有一層讓355nm波段光發生反射的光學薄膜，使得該光反射后由第二透射面8出射，后經后繼透鏡組2校正光線傳播方向，最終匯聚成像于探測器像面靠外側的全景環帶成像區域17中。
[0047]800nm波段的B光從前端透鏡組前表面13處入射進入光學系統，經由前端透鏡組4后，光線方向發生部分偏轉，到達全景透鏡第二反射面7處，由于全景透鏡第二反射面7上鍍有一層讓SOOnm波段光發生透射的光學薄膜，使得該光透射進入全景透鏡1，再經后繼透鏡組2校正光線傳播方向，最終匯聚成像于探測器像面上由355nm波段光成像所形成的盲區12中。
[0048]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，包括同軸安裝的全景透鏡(I)、置于全景透鏡(I)后方的后繼透鏡組(2)和探測器，全景透鏡(I)包括第一透射面(5)、第一反射面(6)、第二反射面(7)和第二透射面(8)，其特征在于:在全景透鏡(I)前方設有用于校正光傳播方向的前端透鏡組(4)，前端透鏡組(4)與全景透鏡(I)同軸，前端透鏡組(4)校正由前端透鏡組前表面(13)入射光的傳播方向，全景透鏡(I)的第二反射面(7)鍍有一層選擇性光學薄膜，該光學薄膜使得從全景透鏡(I)外射到第二反射面(7)的光只進行透射，并使從全景透鏡(I)內射到第二反射面(7)的光只進行反射；前端透鏡組前端入射的光由前端透鏡組(4)折射再依次經全景透鏡(I)的第二反射面(7)和后繼透鏡組(2)后會聚成像到探測器中心成像區域(16)上；由全景透鏡(I)的第一透射面(5)入射的光在全景透鏡(I)內部依次經第一反射面(6)、第二反射面(7)反射后，再經第二透射面(8)折射出，然后經后繼透鏡組(2)透射成像到探測器面的全景環帶成像區域(17)。
2.根據權利要求1所述的一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，其特征在于:所述的全景透鏡(I)和后繼透鏡組(2)使得由全景透鏡(I)第二反射面(7)入射的光和第一透射面(5)入射的光能同時傳播。
3.根據權利要求1所述的一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，其特征在于:所述的由全景透鏡(I)第二反射面(7)入射的光和由第一透射面(5)入射的光分別為不同波段的光線。
4.根據權利要求1所述的一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，其特征在于:所述的前端透鏡組(4)由多片不同材料的光學透鏡組合而成，使得由全景透鏡(I)第二反射面(7)處入射的光能夠傳播。
5.根據權利要求1所述的一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，其特征在于:所述的光學薄膜采用分光膜，按波長區域對光束進行選擇性透反射。
6.根據權利要求5所述的一種利用光學薄膜實現折反射式無盲區全景環帶成像系統，其特征在于:所述的光學薄膜對由全景透鏡(I)第二反射面(7)處入射的光進行選擇性透射，對第一透射面(5)處入射的光進行選擇性反射。
【文檔編號】G02B13/06GK104181675SQ201410343379
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】羅宇杰, 白劍 申請人:浙江大學