專利名稱：一種多片式全景環(huán)視成像透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及成像透鏡，尤其涉及一種多片式全景環(huán)視成像透鏡。
技術(shù)背景如專利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)。該全景鏡 頭由玻璃等透光性材料構(gòu)成，全景透鏡及其后繼透鏡組的幾何結(jié)構(gòu)由圖l所示， 透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面1，透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面2，在透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有凹面第二反射面3，環(huán)形第一折射面1中心內(nèi)環(huán) 邊緣與第二反射面3邊緣相接，在凹面環(huán)形第一反射面2中心設(shè)有第二折射面4， 凹面環(huán)形第一反射面2中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面4邊緣相接。光線從1面進(jìn)入被折射到2面，經(jīng)2面反射到3面，經(jīng)3面反射到4面， 最后在4面折射出透鏡。光線通過(guò)全景透鏡后在其內(nèi)部或后方形成虛像，該虛 像通過(guò)后繼透鏡組L變換成實(shí)像，被位于像面IMA的CCD/CMOS探測(cè)器所接收。目前存在的技術(shù)問(wèn)題平行光線通過(guò)PAL后，在其內(nèi)部或后方形成虛像。 由于該全景透鏡是超半球透鏡，視場(chǎng)較大(200度或更多)，光路復(fù)雜，像差，尤 其是橫向色差的校正是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需要復(fù)雜的后繼透鏡組L實(shí)現(xiàn)實(shí)像轉(zhuǎn)換 和像差校正。由于視場(chǎng)太大，目前已知的全景透鏡焦距都很小，如Ian Powell 提出的焦距為2. 65 的設(shè)計(jì)(1994); SONY公司投放在市場(chǎng)上的焦距約為1. 5mm 的設(shè)計(jì)。在長(zhǎng)焦距全景透鏡系統(tǒng)中，由于全景透鏡校正像差的能力有限，由后 繼透鏡組主要承擔(dān)校正像差的任務(wù)，這通常會(huì)導(dǎo)致后繼透鏡組L過(guò)于復(fù)雜，系 統(tǒng)體積過(guò)于龐大，色差校正困難，能量損失大，嚴(yán)重限制長(zhǎng)焦距全景透鏡的設(shè) 計(jì)和使用。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種多片式全景環(huán)視成像透鏡。 一種多片式全景環(huán)視成像透鏡采用前、后片不同材料的透鏡，多種不同的 表面類型，通過(guò)膠合，密接或分離方式組成多片式全景環(huán)視成像透鏡，透鏡繞 光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面，前片透鏡后接后 片透鏡，前、后片透鏡的連接面為組合面，后片透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反 射面，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二反射面，環(huán)形第一折射面中心
內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面邊緣相接，在凹面環(huán)形第一反射面中心設(shè)有第二折射面， 凹面環(huán)形第一反射面中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面邊緣相接。所述的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃 與冕牌玻璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。組合面的表 面類型為球面、刻有微結(jié)構(gòu)的表面、奇次非球面或偶次非球面。組合面為凸面， 凹面或平面。另一種多片式全景環(huán)視成像透鏡采用前、中、后片不同材料的透鏡，多種 不同的表面類型，通過(guò)膠合，密接或分離方式組成多片式全景環(huán)視成像透鏡， 透鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面，前片透鏡 后接中片透鏡，前、中片透鏡的連接面為第一組合面，中片透鏡后接后片透鏡， 中、后片透鏡的連接面為第二組合面，后片透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面， 在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二反射面，環(huán)形第一折射面中心內(nèi)環(huán)邊 緣與第二反射面邊緣相接，在凹面環(huán)形第一反射面中心設(shè)有第二折射面，凹面 環(huán)形第一反射面中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面邊緣相接，中片透鏡為多片時(shí)以此 類推。所述的前、中、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃、冕牌玻璃與冕牌玻璃的 組合或冕牌玻璃、冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃、火石玻璃與火石玻 璃的組合或火石玻璃、火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。中片透鏡 為多片時(shí)，中片透鏡材料為冕牌玻璃與火石玻璃的任意組合。多種不同的表面 類型為球面、刻有微結(jié)構(gòu)的表面、奇次非球面或偶次非球面。組合面為凸面， 凹面或平面。本實(shí)用新型使用幾塊不同材料組合的膠合或密接透鏡組代替單塊透鏡。舉 兩片膠合透鏡組為例，光線反復(fù)通過(guò)透鏡組三次，只考慮色差，光線實(shí)際通過(guò)的是4片透鏡組。通過(guò)使用不同材料的膠合或密接，提高了設(shè)計(jì)自由度，使全 景透鏡在成像的同時(shí)承擔(dān)一部分色差的校正，減輕了后繼透鏡組L校正色差的 負(fù)擔(dān)，使得較長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)提高，體積縮小。另外，由于多片式全 景透鏡中的光線反復(fù)通過(guò)不同材料的界面，發(fā)生偏折，通過(guò)適當(dāng)選取組成全景 透鏡的各種材料，控制偏折方向，可以使視場(chǎng)范圍得到擴(kuò)大。

圖1是全景透鏡成像原理示意圖，Y為方位角，L為后繼透鏡組，IMA為像面; 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施方式1，即兩片式球面膠合全景環(huán)視成像透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，膠合面左右兩側(cè)由不同材料構(gòu)成，膠合面為球面
圖3是兩片式膠合全景透鏡光路展開(kāi)圖，把透鏡以兩個(gè)反射點(diǎn)的切線為對(duì) 稱軸展開(kāi)，可看到光線實(shí)際經(jīng)過(guò)了 4片膠合透鏡；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施方式2，即兩片式非球面膠合全景環(huán)視成像透鏡結(jié)構(gòu) 示意圖，膠合面左右兩側(cè)由不同材料構(gòu)成，膠合面為奇次非球面或偶次非球面；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施方式3，即兩片式微結(jié)構(gòu)密接全景環(huán)形成像透鏡結(jié)構(gòu) 示意圖，密接面左右兩側(cè)由不同材料構(gòu)成，密接面為刻有微結(jié)構(gòu)的表面；圖6是本實(shí)用新型實(shí)施方式4，即兩片式球面分離全景環(huán)形成像透鏡結(jié)構(gòu)示 意圖，分離面左右兩側(cè)由不同材料構(gòu)成，分離面為球面。圖7是本實(shí)用新型實(shí)施方式5，即三片式單一組合面全景環(huán)視成像透鏡結(jié) 構(gòu)示意圖，兩個(gè)組合面均為膠合面，膠合面左右由三種不同材料構(gòu)成，兩個(gè)膠 合面均為球面；圖8是本實(shí)用新型實(shí)施方式6，即三片式混合組合面全景環(huán)形成像透鏡結(jié)構(gòu) 示意圖，兩個(gè)組合面分別為微結(jié)構(gòu)表面密接和球面膠合，兩個(gè)組合面兩側(cè)由三 種不同材料構(gòu)成。圖中第一折射面l、第一反射面2、第二反射面3、第二折射面4、光闌5、 膠合球面6、膠合非球面7、密接微結(jié)構(gòu)表面8、分離面9具體實(shí)施方式
圖1為全景透鏡成像原理示意圖，透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面1 ， 透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面2，在透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有凹面第二 反射面3，環(huán)形第一折射面1中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面3邊緣相接，在凹面環(huán) 形第一反射面2中心設(shè)有第二折射面4，凹面環(huán)形第一反射面2中心內(nèi)環(huán)邊緣與 第二折射面4邊緣相接。光線從1面進(jìn)入被折射到2面，經(jīng)2面反射到3面， 經(jīng)3面反射到4面，最后在4面折射出透鏡。光線通過(guò)全景透鏡后在其內(nèi)部或 后方形成虛像，該虛像通過(guò)后繼透鏡組L變換成實(shí)像，被位于像面IMA的 CCD/CM0S探測(cè)器所接收。圖2所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式1，即最簡(jiǎn)單的兩片式球面膠合全景環(huán)視成 像透鏡，采用前、后片不同材料的透鏡，組合面為球面，通過(guò)膠合的方式組成兩 片式全景環(huán)視成像透鏡，透鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形 第一折射面l，前片透鏡后接后片透鏡，前、后片透鏡的連接面為組合面，后片 透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面2，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二 反射面3，環(huán)形第一折射面l中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面3邊緣相接，在凹面環(huán) 形第一反射面2中心設(shè)有第二折射面4，凹面環(huán)形第一反射面2中心內(nèi)環(huán)邊緣
與第二折射面4邊緣相接。光闌位于兩片式球面膠合全景環(huán)視成像之后。所述的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃 與冕牌玻璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。組合面為凸 面，凹面或平面。在本實(shí)施方式中，光線從環(huán)形第一折射面1入射進(jìn)兩片膠合式全景環(huán)視成 像透鏡，在到達(dá)環(huán)形第一反射面2前被6面折射，光路發(fā)生向上或向下的偏轉(zhuǎn)， 然后到達(dá)環(huán)形第一反射面2。在被環(huán)形第一反射面2反射回后，又一次到達(dá)組合 面6,并被折射，光路再一次發(fā)生改變。光線到達(dá)第二反射面3后被重新反射回 去，此時(shí)第三次經(jīng)過(guò)組合面6，光路第三次發(fā)生改變，最后從第二折射面出射。 在本實(shí)施方式中，根據(jù)前、后片所選的材料折射率不同和組合面的形狀不 同，光路在組合面發(fā)生改變的方向會(huì)有所不同。如對(duì)于前片折射率小于后片 折射率的全景環(huán)視成像透鏡，光軸以下視場(chǎng)的光線第一次通過(guò)組合面時(shí)會(huì)發(fā)生 向下的偏折，相反，對(duì)于前片折射率大于后片折射率的全景環(huán)形成像透鏡，光 軸以下視場(chǎng)的光線第一次通過(guò)組合面時(shí)會(huì)發(fā)生向上的偏折。在同一個(gè)方向上偏 轉(zhuǎn)的光路，其偏轉(zhuǎn)量的大小也根據(jù)前、后片所選材料折射率的具體值不同，組 合面的曲率半徑不同而有所差別，前、后片折射率相差越大，光線偏折越明顯； 光線入射進(jìn)組合面的角度偏離入射點(diǎn)法線越遠(yuǎn)，光線偏折越明顯。另外，光路 在組合面偏轉(zhuǎn)量的大小也和光線的視場(chǎng)有關(guān)，根據(jù)折射定律，視場(chǎng)大的光線偏 折程度較大。通常來(lái)說(shuō)，冕牌玻璃是低折射率低色散的材料，火石玻璃是高折 射率高色散的材料。隨著光學(xué)玻璃工業(yè)的發(fā)展，高折射率低色散和低折射率高 色散的玻璃也不斷被熔煉出來(lái)。如上所述，材料的選擇和組合面的曲率半徑可 跟據(jù)設(shè)計(jì)所需視場(chǎng)的大小以及邊緣視場(chǎng)對(duì)于像質(zhì)的要求確定。恰當(dāng)?shù)剡x擇材料 可以利用大視場(chǎng)的較大偏折來(lái)擴(kuò)大邊緣視場(chǎng)。本實(shí)施方式中的兩片膠合式全景環(huán)視成像透鏡可以這樣制造設(shè)計(jì)好光學(xué) 系統(tǒng)后，確定好光學(xué)玻璃的種類，然后將前片和后片分別磨制成指定形狀，對(duì) 前片的第一折射面l、第二反射面3和組合面分別進(jìn)行拋光，對(duì)后片的組合面、 第一反射面2和第二折射面4分別拋光，使用特定的光學(xué)玻璃膠合劑將前片和 后片粘合起來(lái)，然后在第一反射面2和第二反射面3上，通過(guò)真空蒸鍍等方式， 鍍上金屬增反膜來(lái)增加第一反射面2和第二反射面3的反射率。在第一折射面1 和第二折射面4上鍍?cè)鐾改?，?lái)增加第一折射面1和第二折射面4的透過(guò)率。 鍍膜的波長(zhǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)的中心波長(zhǎng)確定。圖3所示為兩片式膠合全景透鏡光路展開(kāi)圖，選取兩片式膠合全景透鏡的
第一反射面2的光線反射點(diǎn)，做該反射點(diǎn)的切線，并把兩片式膠合全景透鏡以 反射點(diǎn)的切線為對(duì)稱軸作鏡像。然后選取鏡像中的第二反射面3的光線反射點(diǎn)， 作該反射點(diǎn)的切線，并把鏡像以反射點(diǎn)的切線為對(duì)稱軸作第二鏡像，即可得到 光路的展開(kāi)圖。根據(jù)圖3可看出，光線依次經(jīng)過(guò)折射率為巧，"2， ^和 的玻璃。 為了便于理解，可以假定把兩片式膠合全景透鏡與其鏡像，鏡像與第二鏡像之 間的空氣部分分別填充上折射率為 和/V即后片和前片的材料(該假想填充不 影響實(shí)際光路)，即可看出，光線實(shí)際上經(jīng)過(guò)了4片膠合的玻璃。所以，恰當(dāng)選 取不同材料的組合，可以使用較少片玻璃達(dá)到使用多片玻璃的效果，使全景透 鏡在成像的同時(shí)承擔(dān)一部分色差的校正，減輕了后繼透鏡組L校正色差的負(fù)擔(dān)， 使得較長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)提高，體積縮小。圖4所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式2，即結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜的兩片式非球面膠合全景 環(huán)視成像透鏡。采用前、后片不同材料的透鏡，組合面為奇次非球面或偶次非 球面，通過(guò)膠合的方式組成兩片式全景環(huán)視成像透鏡。本實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu) 和光路與實(shí)施方式l相同，不再重復(fù)敘述。本實(shí)施方式所述的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合 或冕牌玻璃與冕牌玻璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。 組合面為凸面，凹面或平面。本實(shí)施方式的透鏡材料選擇與組合面形狀選擇方 法與實(shí)施方式l相同，不再重復(fù)敘述。本實(shí)施方式中的兩片膠合式全景環(huán)視成像透鏡的制造過(guò)程與實(shí)施方式1基 本相同，所不同的部分是非球面組合面的研磨過(guò)程。非球面加工技術(shù)包括數(shù)控 小磨頭非球面加工技術(shù)、應(yīng)力盤拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù) 等等?？筛鷵?jù)所需精度和實(shí)際生產(chǎn)條件選擇合適的工藝方法對(duì)組合面進(jìn)行加工。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)控成形機(jī)床直接在透鏡毛 坯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。下面以磁流變拋光技術(shù)為例簡(jiǎn)單講解一下非球面的拋光過(guò)程在磁流變研 磨拋光裝置中， 一個(gè)抽液泵不斷地從儲(chǔ)液容器中抽出少量磁流變液體，并擠壓 輸送到一個(gè)旋轉(zhuǎn)輪中，旋轉(zhuǎn)輪使液體進(jìn)入到一條薄條帶中，待加工的光學(xué)零件 的一部分浸沒(méi)在這條含磁流變液體的移動(dòng)的長(zhǎng)條帶中。緊靠旋轉(zhuǎn)輪的下面有一 塊特殊設(shè)計(jì)的磁鐵，能產(chǎn)生強(qiáng)局部磁場(chǎng)。當(dāng)磁流變液體流到這個(gè)磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，在
幾毫秒內(nèi)就會(huì)很明顯地變粘稠；而當(dāng)液體離開(kāi)這個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。 變稠的液體區(qū)域就是拋光工具。磁流變液體通過(guò)光學(xué)零件后，用另一個(gè)泵吸收 并送回到儲(chǔ)液器中。在拋光過(guò)程中，拋光機(jī)旋轉(zhuǎn)透鏡到主軸上，使得光學(xué)零件 的不同區(qū)域浸沒(méi)在磁流變液體中。圖5所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式3，即的兩片式微結(jié)構(gòu)密接全景環(huán)形成像透 鏡。采用前、后片不同材料的透鏡，組合面為刻有微結(jié)構(gòu)的表面，通過(guò)密接的 方式組成兩片式全景環(huán)視成像透鏡。本實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)和光路與實(shí)施方式1 相同，不再重復(fù)敘述。所述的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃 與冕牌玻璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。組合面的微 結(jié)構(gòu)刻蝕在凸面，凹面或平面上。在本實(shí)施方式中，光線從環(huán)形第一折射面1入射進(jìn)兩片膠合式全景環(huán)視成 像透鏡，在到達(dá)環(huán)形第一反射面2前通過(guò)刻有微結(jié)構(gòu)的表面6，發(fā)生衍射，然后 到達(dá)環(huán)形第一反射面2。在被環(huán)形第一反射面2反射回后，又一次通過(guò)組合面6， 再次發(fā)生衍射。光線到達(dá)第二反射面3后被重新反射回去，此時(shí)第三次經(jīng)過(guò)組 合面6，光線第三次發(fā)生衍射，最后從第二折射面出射。本實(shí)施方式中的兩片膠合式全景環(huán)視成像透鏡的制造過(guò)程與實(shí)施方式l基 本相同，所不同的部分是需要在前、后片的組合面上刻蝕相互吻合，可以密接 的微結(jié)構(gòu)。在成像質(zhì)量、色差校正和設(shè)計(jì)自由度等方面，刻有微結(jié)構(gòu)的光學(xué)元 件與基于傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件相比有一定優(yōu)勢(shì)。下面以微光學(xué)結(jié)構(gòu)中的二元光學(xué)結(jié)構(gòu)為例，簡(jiǎn)單闡述一下微結(jié)構(gòu)的加工過(guò) 程二元光學(xué)元件的制作工藝有很多種，主要分為多臺(tái)階二元光學(xué)元件加工工 藝和連續(xù)位相二元光學(xué)元件加工工藝。前者主要包括刻蝕法、薄膜沉積法。后 者主要有激光束直寫法、電子束直寫法和金剛石車削法等。另外還有準(zhǔn)分子激 光加工法和灰階掩模法等新型制作方法?？筛鷵?jù)刻有微結(jié)構(gòu)的組合面的精度要 求已經(jīng)現(xiàn)有的工藝條件選擇適合的加工方法。臺(tái)階刻蝕法是目前二元光學(xué)元件的主要制作技術(shù)，其工藝流程一般包括三 個(gè)步驟掩模設(shè)計(jì)及制作，圖形轉(zhuǎn)印和基片刻蝕。對(duì)于多相位的二元光學(xué)元件，則需要多次重復(fù)上述三步工藝過(guò)程，進(jìn)行掩模的套刻加工。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(guò)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(lái)。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)印和基片刻蝕的過(guò)程。在每一次的重 復(fù)過(guò)程中，基片刻蝕的深度均為上次刻蝕深度的一半。圖6所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式4，即兩片式球面分離全景環(huán)形成像透鏡。 采用前、后片不同材料的透鏡，組合面為兩個(gè)有一定空隙的分離表面。本實(shí)施 方式的透鏡結(jié)構(gòu)和與實(shí)施方式l相同，不再重復(fù)敘述。所述的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃 與冕牌玻璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。兩個(gè)組合面 為凸面，凹面或平面。兩個(gè)組合面的形狀可以相同，也可以不同在本實(shí)施方式中，光線從環(huán)形第一折射面1入射進(jìn)兩片膠合式全景環(huán)視成 像透鏡，在到達(dá)環(huán)形第一反射面2前通過(guò)兩個(gè)組合面，光路發(fā)生向上或向下的 偏轉(zhuǎn)，然后到達(dá)環(huán)形第一反射面2。在被環(huán)形第一反射面2反射回后，又一次到 達(dá)組合面6，光路再一次發(fā)生改變。光線到達(dá)第二反射面3后被重新反射回去， 此時(shí)第三次經(jīng)過(guò)組合面6，光路又一次發(fā)生改變，最后從第二折射面出射。本實(shí)施方式最需要注意的問(wèn)題是光線的全反射問(wèn)題。由于玻璃材料的折射 率大于空氣，而兩片式分離全景環(huán)視成像透鏡的視場(chǎng)角很大，對(duì)于邊緣視場(chǎng)來(lái) 說(shuō)，入射到組合面上的光線會(huì)有較大的入射角。對(duì)于常用玻璃來(lái)說(shuō)，邊緣視場(chǎng) 光線的入射角極易達(dá)到全反射角的閾值而不能被折射出去。所以，對(duì)于常用玻 璃來(lái)說(shuō)，組合面的形狀通常應(yīng)當(dāng)選取向第一反射面2凸起的方向，并且其曲率 半徑應(yīng)當(dāng)較小，使得組合面上的入射角小于全反射角的閾值，而被折射到分離 的空氣中。雖然對(duì)于球面或非球面的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，本實(shí)施方式對(duì)于材料選擇和組合面形 狀有一定限制，但是對(duì)于刻有微結(jié)構(gòu)的表面來(lái)說(shuō)，本實(shí)施方式對(duì)于長(zhǎng)波段光譜 的色差校正和衍射效率集中有著其他實(shí)施方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以仍然是很 有價(jià)值的實(shí)施方式。如圖7所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式5，即三片式單一組合面全景環(huán)視成像透 鏡。該實(shí)施方式采用前、中、后片不同材料的透鏡，通過(guò)膠合組成三片式全景 環(huán)視成像透鏡，透鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折 射面l，前片透鏡后接中片透鏡，前、中片透鏡的連接面為第一組合面，中片透 鏡后接后片透鏡，中、后片透鏡的連接面為第二組合面，后片透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面2，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二反射面3，環(huán)形 第一折射面l中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面3邊緣相接，在凹面環(huán)形第一反射面 2中心設(shè)有第二折射面4，凹面環(huán)形第一反射面2中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面4 邊緣相接。第一組合面和第二組合面均為球面。所述的前、中、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃、冕牌玻璃與冕牌玻璃的 組合或冕牌玻璃、冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃、火石玻璃與火石玻 璃的組合或火石玻璃、火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。組合面為 平面，凸面或凹面。在本實(shí)施方式中，光線從環(huán)形第一折射面1入射進(jìn)兩片膠合式全景環(huán)視成 像透鏡，在到達(dá)環(huán)形第一反射面2前被第一組合面和第二組合面折射，光路兩 次發(fā)生改變，然后到達(dá)環(huán)形第一反射面2。在被環(huán)形第一反射面2反射回后，又 返回第二組合面和第一組合面并被折射，光路又發(fā)生兩次改變。光線到達(dá)第二 反射面3后被重新反射回去，此時(shí)第三次經(jīng)過(guò)第一組合面和第二組合面，光路 發(fā)生第五、六次改變，最后從第二折射面出射。本實(shí)施方式的透鏡材料選擇與組合面形狀選擇方法與實(shí)施方式1相同，不 再重復(fù)敘述。本實(shí)施方式所示的三片式球面膠合全景透鏡光路展開(kāi)圖與圖3類似，選取 三片式膠合全景透鏡的第一反射面2的光線反射點(diǎn)，做反射點(diǎn)的切線，并把三 片式膠合全景透鏡以反射點(diǎn)的切線為對(duì)稱軸作鏡像。然后選取鏡像中的第二反 射面3的光線反射點(diǎn)，作反射點(diǎn)的切線，并把鏡像以反射點(diǎn)的切線為對(duì)稱軸作 第二鏡像，即可得到光路的展開(kāi)圖。光路展開(kāi)后實(shí)際上相當(dāng)于通過(guò)六塊膠合透 鏡。所以，恰當(dāng)選取不同材料的組合，可以使用較少片玻璃達(dá)到使用多片玻璃 校正色差的效果。本實(shí)施方式中的三片膠合式全景環(huán)視成像透鏡的制造與實(shí)施方式1相同，不再重復(fù)敘述。圖8所示為本實(shí)用新型實(shí)施方式6，即三片式混合組合面全景環(huán)形成像透鏡。 采用前、中、后片不同材料的透鏡，第一組合面為刻有微結(jié)構(gòu)的表面，通過(guò)密 接的方式組合，第二組合面為球面，通過(guò)膠合的方式組合成三片式混合組合面 全景環(huán)視成像透鏡。本實(shí)施方式的透鏡結(jié)構(gòu)和光路與實(shí)施方式5相同，不再重復(fù)敘述。
所述的前、中、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃、冕牌玻璃與冕牌玻璃的組合 或冕牌玻璃、冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃、火石玻璃與火石玻璃的 組合或火石玻璃、火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。組合面為平面，凸面或凹面。本實(shí)施方式的透鏡材料選擇與組合面形狀選擇方法與實(shí)施方式5相同，不再重復(fù)敘述。本實(shí)施方式中的三片式混合組合面全景環(huán)視成像透鏡的非微結(jié)構(gòu)表面的制 造過(guò)程與實(shí)施方式l基本相同?？逃形⒔Y(jié)構(gòu)的組合面的加工方式與實(shí)施方式3相同。本實(shí)用新型的多片式全景環(huán)形成像透鏡不限于上述實(shí)施方式，對(duì)于三片式 全景環(huán)視成像透鏡來(lái)說(shuō)，其兩個(gè)組合面可以采用實(shí)施方式l、實(shí)施方式2、實(shí)施 方式3和實(shí)施方式4的任意組合。對(duì)于大于三片的全景環(huán)視成像透鏡來(lái)說(shuō)，其 所有組合面均可以采用實(shí)施方式l、實(shí)施方式2、實(shí)施方式3和實(shí)施方式4的任意組合。
權(quán)利要求1.一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于，采用前、后片不同材料的透鏡，多種不同的表面類型，通過(guò)膠合，密接或分離方式組成多片式全景環(huán)視成像透鏡，透鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面(1)，前片透鏡后接后片透鏡，前、后片透鏡的連接面為組合面，后片透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面(2)，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有凹面第二反射面(3)，環(huán)形第一折射面(1)中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面(3)邊緣相接，在凹面環(huán)形第一反射面(2)中心設(shè)有第二折射面(4)，凹面環(huán)形第一反射面(2)中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面(4)邊緣相接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的前、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃與冕牌玻 璃的組合或火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的組合面的表面類型為球面、刻有微結(jié)構(gòu)的表面、奇次非球面或偶次非球面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的組合面為凸面，凹面或平面。
5. —種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于，采用前、中、后片不同材 料的透鏡，多種不同的表面類型，通過(guò)膠合，密接或分離方式組成多片式全景 環(huán)視成像透鏡，透鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折 射面(l)，前片透鏡后接中片透鏡，前、中片透鏡的連接面為第一組合面，中片 透鏡后接后片透鏡，中、后片透鏡的連接面為第二組合面，后片透鏡另一面為 凹面環(huán)形第一反射面(2)，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二反射面(3)， 環(huán)形第一折射面(1)中心內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面(3)邊緣相接，在凹面環(huán)形第一 反射面(2)中心設(shè)有第二折射面(4)，凹面環(huán)形第一反射面(2)中心內(nèi)環(huán)邊緣與 第二折射面(4)邊緣相接，中片透鏡為多片時(shí)以此類推。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的前、中、后片透鏡材料的組合為冕牌玻璃、冕牌玻璃與冕牌玻璃的組合或冕 牌玻璃、冕牌玻璃與火石玻璃的組合或冕牌玻璃、火石玻璃與火石玻璃的組合 或火石玻璃、火石玻璃與火石玻璃的組合，組合順序任意。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 中片透鏡為多片時(shí)，中片透鏡材料為冕牌玻璃與火石玻璃的任意組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的多種不同的表面類型為球面、刻有微結(jié)構(gòu)的表面、奇次非球面或偶次非球面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多片式全景環(huán)視成像透鏡，其特征在于所述 的組合面為凸面、凹面或平面。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多片式全景環(huán)視成像透鏡。它采用前、后片不同材料的透鏡，多種不同的表面類型，通過(guò)膠合，密接或分離方式組成多片式全景環(huán)視成像透鏡，前片透鏡一面為向外突出的環(huán)形第一折射面，前、后片透鏡的連接面為組合面，后片透鏡另一面為凹面環(huán)形第一反射面，在前片透鏡環(huán)形第一折射面中心設(shè)有第二反射面，第一折射面內(nèi)環(huán)邊緣與第二反射面邊緣相接，在環(huán)形第一反射面中心設(shè)有第二折射面，第一反射面內(nèi)環(huán)邊緣與第二折射面邊緣相接。本實(shí)用新型通過(guò)使用不同材料的組合，增加了設(shè)計(jì)自由度，使全景透鏡在成像時(shí)校正一部分色差，減輕了后繼透鏡組校正色差的負(fù)擔(dān)，縮小了長(zhǎng)焦距全景光學(xué)系統(tǒng)的體積。適當(dāng)選取組成全景透鏡的各種材料可擴(kuò)大視場(chǎng)范圍。
文檔編號(hào)G02B13/06GK201041596SQ20072010847
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者侯西云, 楊國(guó)光, 爽 牛, 劍 白 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)