專利名稱：紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
伴隨著紅外技術(shù)和全景成像技術(shù)的不斷發(fā)展，研究紅外全景光學(xué)系統(tǒng)以代替單視場(chǎng)視覺系統(tǒng)已經(jīng)成為各國競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。相比于單視場(chǎng)視覺系統(tǒng)，紅外全景系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì):它克服了連續(xù)捕獲新目標(biāo)出現(xiàn)的觀瞄低效、實(shí)時(shí)性差、更新速度慢等缺點(diǎn)，提聞了目標(biāo)的感知能力和搜索跟蹤的速率，確保探測(cè)目標(biāo)的準(zhǔn)確度；并且探測(cè)靈敏度聞，能識(shí)別夜間或惡劣環(huán)境條件下的各種偽裝和多層次、多角度目標(biāo)的威脅。雖然紅外技術(shù)已有突破性發(fā)展，但是紅外與全景成像相結(jié)合的工程應(yīng)用仍然鳳毛麟角。軍械工程學(xué)院的王永仲設(shè)計(jì)的紅外熱成像魚眼鏡頭，該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在氣象、天文、醫(yī)療內(nèi)窺檢查、防火監(jiān)視乃至公安、邊防等多領(lǐng)域，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高。中科院西安光機(jī)所的李紅光等人研究的凝視紅外全景成像系統(tǒng)已出現(xiàn)在論文中，并闡述了該系統(tǒng)具有雙波段紅外全景成像的特點(diǎn)。目前，在實(shí)現(xiàn)全景成像的研究過程中，主要發(fā)展了三大類實(shí)現(xiàn)全景成像的方法，分別是旋轉(zhuǎn)掃描式全景圖像拼接法、折反射全景成像法和全景環(huán)形成像法。旋轉(zhuǎn)掃描式圖像拼接法通常采用常規(guī)光學(xué)鏡頭，繞過其光心得固定垂直軸旋轉(zhuǎn)成像，在旋轉(zhuǎn)中獲取不同角度上的多幅圖像，并將這些圖像實(shí)現(xiàn)圖像拼接或者重新采樣獲取全景圖像。但是這種成像設(shè)備需要精度極高的旋轉(zhuǎn)控制部件，并且其體積大、重量重、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。折反射全景成像法是采用反射鏡來擴(kuò)大物鏡視場(chǎng)，反射鏡面型結(jié)構(gòu)有圓錐面、拋物面、雙曲面、球面等不同形式。但其曲面反射鏡結(jié)構(gòu)不同于球面反射鏡，它們的制作加工和裝調(diào)比較困難，相應(yīng)的會(huì)使成本提高；另外要擴(kuò)大視場(chǎng)，反射面鏡的入光面面積較大，使得整個(gè)成像裝置體積變得比較龐大。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(chǎng)投影到二維平面上的一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)及其方法。新型紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)包括在同一光軸上依次放置的全景透鏡、后繼透鏡組、像面；
全景透鏡包括第一折射面、第一反射面、第二反射面、第二折射面；全景透鏡前面為第二反射面，全景透鏡后面為第二折射面，
一邊與第二反射面周邊相連，另一邊與第一反射面周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一折射面，一邊與第二折射面周邊相連，另一邊與第一折射面周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一反射面；后繼透鏡組包括在同一光軸上依次放置的第一非球面透鏡、二元面透鏡、第二非球面透鏡；
光線從第一折射面進(jìn)入被折射到第一反射面，經(jīng)第一反射面反射到第二反射面，經(jīng)第二反射面反射到第二折射面，最后在第二折射面折射出全景透鏡，然后通過后繼透鏡組變換成實(shí)像，成像在像面。紅外全景環(huán)形透鏡成像方法是采用圓柱平面投影法，用二次反射的全景環(huán)形透鏡作第一次成像，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用后繼透鏡組作第二次成像，獲得實(shí)像，成像在像面上，用平面光電成像器件接受并顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像；采用普通紅外材料鍺、硅、硫系玻璃，成像的波段在紅外的波長(zhǎng)，包括近紅外波段廣3微米，中紅外波段3飛微米，遠(yuǎn)紅外波段8 14微米；使用光學(xué)被動(dòng)消熱差方法，在后繼透鏡組中使用第一非球面透鏡、第二非球面透鏡及衍射元件二元透鏡的熱差特性來消熱差，使系統(tǒng)在-40° ^80°時(shí)能完善成像。本發(fā)明具有180°大視場(chǎng)、無運(yùn)動(dòng)部件獲得360°全景信息，具有小尺寸、輕結(jié)構(gòu)、景深無限遠(yuǎn)特點(diǎn)，遠(yuǎn)近物體不用調(diào)焦就能清晰成像，并且使用光學(xué)消熱差方法使其在較大溫度范圍內(nèi)完善成像，無需額外制冷部件。
圖1是紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖2是紅外全景環(huán)視成像原理不意 圖中，全景透鏡1、第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5、后繼透鏡組6、第一非球面透鏡7、二元面透鏡8、第二非球面透鏡9、像面10、方位角Y、物點(diǎn)P、虛像點(diǎn)P1、實(shí)像點(diǎn)P2。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，新型紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)包括在同一光軸上依次放置的全景透鏡
1、后繼透鏡組6、像面10 ；
全景透鏡I包括第一折射面2、第一反射面3、第二反射面4、第二折射面5 ;全景透鏡I前面為第二反射面4，全景透鏡I后面為第二折射面5，
一邊與第二反射面4周邊相連，另一邊與第一反射面3周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一折射面2，一邊與第二折射面5周邊相連，另一邊與第一折射面2周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一反射面3 ；
后繼透鏡組6包括在同一光軸上依次放置的第一非球面透鏡7、二元面透鏡8、第二非球面透鏡9 ；
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，經(jīng)第二反射面4反射到第二折射面5，最后在第二折射面5折射出全景透鏡1，然后通過后繼透鏡組6變換成實(shí)像，成像在像面10。如圖2所示，紅外全景環(huán)形透鏡成像方法是采用圓柱平面投影法，物點(diǎn)P用二次反射的全景環(huán)形透鏡I作第一次成像成虛像P1，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用后繼透鏡組6作第二次成像，獲得實(shí)像P2，成像在像面10上，用平面光電成像器件接受并顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像；采用普通紅外材料鍺、硅、硫系玻璃，成像的波段在紅外的波長(zhǎng)，包括近紅外波段廣3微米，中紅外波段3飛微米，遠(yuǎn)紅外波段8 14微米；使用光學(xué)被動(dòng)消熱差方法，在后繼透鏡組6中使用第一非球面透鏡7、第二非球面透鏡9及衍射元件二元透鏡8的熱差特性來消熱差，使系統(tǒng)在-40° ^80°時(shí)能完善成像。本發(fā)明所有透鏡材料為普通紅外材料鍺、硅、硫系玻璃等。設(shè)計(jì)全景環(huán)形光學(xué)系統(tǒng)首先根據(jù)配合的CCD/CM0S確定像面大小，結(jié)合需求方的視場(chǎng)角大小，得到焦距；根據(jù)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，利用軟件ZEMAX優(yōu)化出常溫下的系統(tǒng)。一般要求系統(tǒng)在常溫時(shí)就要具備很好的成像質(zhì)量，如調(diào)制傳遞函數(shù)接近衍射極限，到達(dá)探測(cè)器的能量集中度較高等等。之后，利用軟件的環(huán)境分析功能建立多重結(jié)構(gòu)，此時(shí)系統(tǒng)在-40° ^80°時(shí)下的離焦量大于系統(tǒng)焦深。于是需要在多重結(jié)構(gòu)下優(yōu)化系統(tǒng)。在優(yōu)化過程中，需引入以非球面為基底的衍射面，這樣有利于矯正像差并且在加工時(shí)利用單點(diǎn)金剛石車床一次裝夾，提高加工定位精度，保證光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工一致性。衍射級(jí)次選為+1次，選取位相系數(shù)21項(xiàng)，根據(jù)中心波長(zhǎng)可以計(jì)算出衍射面的環(huán)帶深度。將透鏡的曲率半徑，透鏡厚度，空氣間隔，非球面系數(shù)，衍射面位相系數(shù)作為變量。優(yōu)化時(shí)除了需要將系統(tǒng)的各種像差減小，還需要保證透鏡的可加工性，即保證邊緣厚度不能過小，透鏡形狀不能太彎，非球面的最優(yōu)半徑與設(shè)計(jì)半徑不能相差過大；還要保證鏡頭的外形結(jié)構(gòu)合適和可裝配性，即要求鏡頭總廠不能過長(zhǎng)；兩片透鏡間距離不能過近；另外還需保持后截距長(zhǎng)度適中，配合CCD/CM0S接口設(shè)計(jì)。通過對(duì)初始結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及上述條件的限定，可以得到最后設(shè)計(jì)方案。加工時(shí)，對(duì)于非球面透鏡而言，若非球面面形略偏離于球面，則按傳統(tǒng)球面研磨拋光技術(shù)，用與非球面最適配的球面拋光工具進(jìn)行加工，獲得球面透鏡半成品，然后拋光。如果非球面面形顯著偏離球面，則要用數(shù)控成型機(jī)床直接在透鏡毛胚上加工出非球面形狀，此外，也可用專門的研磨工具將最接近的球面最終加工成所要求的形狀，然后拋光。對(duì)于二元面透鏡，首先，根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)情況，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)好刻有微結(jié)構(gòu)組合面的一套用于光刻的掩模圖形。然后由圖形發(fā)生器生成一套二元振幅掩模。接著，在基片表面均勻地涂上一層光刻膠， 將第一塊掩模放置其上，對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，曝光后的光刻膠經(jīng)過顯影后被洗去(對(duì)于正性光刻膠)，而未曝光的光刻膠則保留下來。這樣，掩模上的圖形就轉(zhuǎn)移到基片的光刻膠上。然后，再對(duì)基片進(jìn)行刻蝕，保留在基片上的光刻膠則作為抗蝕劑，保護(hù)其下的基片不被刻蝕，刻蝕至設(shè)計(jì)深度后，清除掉剩余的光刻膠，得到一個(gè)二相位四臺(tái)階的二元光學(xué)元件。對(duì)于多相位的元件，將上面得到的二相位元件的表面重新涂上光刻膠，然后套上第二塊掩模，重復(fù)上述的圖形轉(zhuǎn)印和基片刻蝕過程。在每一次的重復(fù)過程中，基片刻蝕的深度均為上次刻蝕深度的一半。
權(quán)利要求
1.一種新型紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)，其特征在于包括在同一光軸上依次放置的全景透鏡(I)、后繼透鏡組(6)、像面(10)； 全景透鏡(I)包括第一折射面(2)、第一反射面(3)、第二反射面(4)、第二折射面(5);全景透鏡(I)前面為第二反射面(4)，全景透鏡(I)后面為第二折射面(5)， 一邊與第二反射面(4)周邊相連，另一邊與第一反射面(3)周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一折射面(2)，一邊與第二折射面(5)周邊相連，另一邊與第一折射面(2)周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一反射面(3)； 后繼透鏡組(6)包括在同一光軸上依次放置的第一非球面透鏡(7)、二元面透鏡(8)、第二非球面透鏡(9); 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)，經(jīng)第二反射面(4)反射到第二折射面(5)，最后在第二折射面(5)折射出全景透鏡(I )，然后通過后繼透鏡組(6)變換成實(shí)像，成像在像面(10)。
2.—種紅外全景環(huán)形透鏡成像方法，其特征在于采用圓柱平面投影法，用 二次反射的全景 環(huán)形透鏡(I)作第一次成像，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用后繼透鏡組(6)作第二次成像，獲得實(shí)像，成像在像面(10)上，用平面光電成像器件接受并顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像；采用普通紅外材料鍺、硅、硫系玻璃，成像的波段在紅外的波長(zhǎng)，包括近紅外波段廣3微米，中紅外波段3飛微米，遠(yuǎn)紅外波段8 14微米；使用光學(xué)被動(dòng)消熱差方法，在后繼透鏡組(6)中使用第一非球面透鏡(7)、第二非球面透鏡(9)及衍射元件二元透鏡(8)的熱差特性來消熱差，使系統(tǒng)在-40° ^80°時(shí)能完善成像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外全景環(huán)視成像系統(tǒng)。它包括在同一光軸上依次放置的全景透鏡、后繼透鏡組、像面；全景透鏡包括第一折射面、第一反射面、第二反射面、第二折射面；全景透鏡前面為第二反射面，全景透鏡后面為第二折射面，一邊與第二反射面周邊相連，另一邊與第一反射面周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一折射面，一邊與第二折射面周邊相連，另一邊與第一折射面周邊相連的回轉(zhuǎn)面為第一反射面；后繼透鏡組包括在同一光軸上依次放置的第一非球面透鏡、二元面透鏡、第二非球面透鏡。本發(fā)明具有小尺寸、輕結(jié)構(gòu)、大視場(chǎng)、無運(yùn)動(dòng)部件獲得360°全景信息特點(diǎn)，物體不用調(diào)焦就能清晰成像，并且使用光學(xué)消熱差方法使其在較大溫度范圍內(nèi)完善成像，無需額外制冷部件。
文檔編號(hào)G02B13/06GK103197404SQ20131011267
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者姚遠(yuǎn), 白劍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)