專利名稱：一種全景鏡頭及其變焦方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學鏡頭領域，特別涉及一種全景鏡頭及其變焦方法。
背景技術：
全景鏡頭的典型結構可以分成兩個部分一是旋轉對稱的折反光學元件，部分表 面鍍制反射膜，實現(xiàn)三維全景視場向二維環(huán)帶平面的轉換；二是轉像鏡頭，它將折反光學元 件形成的虛像轉換成實像。光線在全景鏡頭中的傳播路徑如圖1所示。作為一種典型的柱 面-平面投影成像模式，全景鏡頭將最大俯仰角和最小俯仰角之間的三維柱面視場轉變?yōu)?垂直于光軸的二維環(huán)帶平面。由于折反光學元件的中心區(qū)域被反射鏡面阻擋，光軸和最小 俯仰角之間的光線被排除在有效視場外而無法參與成像，所以相應的像面中心會產(chǎn)生一個 盲區(qū)。而在傳統(tǒng)的中心匯聚投影光學系統(tǒng)中，通常會參考人類的視覺習慣，將目標物體成像 在探測器的中心區(qū)域，光軸是視場和像面的中心。顯然，由于像面中心盲區(qū)的存在，以光軸 作為視場中心的定義不再適用于全景光學系統(tǒng)。因此，全景鏡頭的視場中心需要根據(jù)人類 動態(tài)環(huán)視掃描視覺模式進行明確的重新定義。通常，對應于某一指定的俯仰角的環(huán)形面可以被看作是全景鏡頭的視場中心。但 這產(chǎn)生一個問題，即在傳統(tǒng)的變焦機制中(如圖2所示，通過沿光軸前后移動變倍透鏡組和 補償透鏡組，改變其在光軸上的位置，從而改變光學系統(tǒng)焦距，實現(xiàn)視場縮放)，光軸是視場 縮放的中心，全景鏡頭的有效視場將會在變焦過程中偏離目標觀測區(qū)域，視場變化方式如 圖3所示。顯然這種視場變化方式不適用于需要對某一特定俯仰角視場保持連續(xù)觀測的全 景光學系統(tǒng)，實際上期望的視場變化應該如圖4所示，即在變焦過程中保持指定的視場環(huán) 帶中心不變，兩側的俯仰角視場以指定的視場環(huán)帶為中心縮放，因此有必要采用一種新型 的變焦機制來實現(xiàn)這種指定視場環(huán)帶中心的變焦全景鏡頭。除了傳統(tǒng)的變焦方式，光學系統(tǒng)的變焦效果也可以通過傾斜的棱鏡、變形表面、漸 變折射率透鏡等實現(xiàn)，這些元件可以被認為是廣義的自由曲面光學元件。自由曲面變焦光 學系統(tǒng)的焦距隨著其表面光焦度的變化而變化，而不需要沿著光軸前后移動透鏡。由于靈 活的幾何形貌和良好的光線控制，自由曲面光學元件可以根據(jù)成像需求主動調節(jié)局部面 形，而孔徑光闌其他部分的成像質量不受影響。甚至自由曲面透鏡各個視場對應的焦距也 可不同。這對于實現(xiàn)指定視場環(huán)帶中心的變焦全景鏡頭至關重要。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種全景鏡頭及其變焦方法，在變焦過程當 中，全景鏡頭的指定視場環(huán)帶中心保持不變，有效視場變化范圍不偏離目標觀測區(qū)域。為了解決現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供了一種全景鏡頭，包括自由曲面折反光 學元件、自由曲面轉像鏡頭；所述自由曲面轉像鏡頭與所述自由曲面折反光學元件共用同一光軸，且所述自由 曲面轉像鏡頭處于所述第二透射面的下方；
所述自由曲面折反光學元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透 射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面轉像鏡頭之 間形成光線傳輸通路。優(yōu)選的，所述自由曲面轉像鏡頭包括光學透鏡，所述光學透鏡入射面為平面，出射 面為自由曲面。 優(yōu)選的，所述自由曲面轉像鏡頭至少包括1個光學透鏡。優(yōu)選的，所述第一反射面和所述第二反射面分別由鍍在所述自由曲面折反光學元 件表面的環(huán)狀反射膜形成。優(yōu)選的，還包括像面，設置于所述自由曲面轉像鏡頭下方。優(yōu)選的，所述像面上有效像面的大小為016mm~024mm。優(yōu)選的，所述全景鏡頭的視場變化范圍是從0°方位角對應的70° 110°俯仰 角視場繞光軸向兩側過渡到士 180°方位角對應的80° 100°俯仰角視場，所述俯仰角 視場隨方位角呈三角余弦變化。優(yōu)選的，所述全景鏡頭的指定視場環(huán)帶中心為90°俯仰角對應的環(huán)帶平面。優(yōu)選的，所述全景鏡頭的變焦比為2。本發(fā)明還提供了一種全景鏡頭的變焦方法，包括，自由曲面全景鏡頭沿光軸旋轉。本發(fā)明提供了一種全景鏡頭，包括了自由曲面折反光學元件、自由曲面轉像鏡頭， 所述自由曲面轉像鏡頭與所述自由曲面折反光學元件共用同一光軸，且處于所述自由曲面 折反光學元件下方；其中自由曲面折反光學元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面 和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面以及自由曲面轉 像鏡頭之間形成光線傳輸通路，光線經(jīng)第一透射面折射進入所述自由曲面折反光學元件， 再通過第一反射面和第二反射面的兩次反射，從第二透射面折射而出，所述折射出的光線 通過自由曲面轉像鏡頭成像。本發(fā)明通過所述全景鏡頭自身繞光軸旋轉實現(xiàn)以指定的視場 環(huán)帶中心變焦，指定視場環(huán)帶中心不變。由于視場縮放中心由光軸變?yōu)橹付ǖ囊晥霏h(huán)帶中 心，解決了變焦過程中視場偏離目標觀測區(qū)域的問題。
圖1現(xiàn)有技術中普通全景鏡頭的成像光路示意圖，Sl是折反光學元件，S2是轉像 透鏡，S3是像面，S4是光軸，α是最小俯仰角，β最大俯仰角，Y是俯仰角視場范圍，δ是 方位角；圖2采用傳統(tǒng)變焦方式的全景鏡頭成像示意圖；圖3采用傳統(tǒng)變焦方式的全景鏡頭的視場變化4實際期望的保持觀測中心不變的變焦全景透鏡的視場變化圖；圖5采用自由曲面光學元件實現(xiàn)變焦全景鏡頭各方位角視場及相對應的俯仰角 視場的三維設置示意圖；圖6本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)變焦全景鏡頭各方位角視場及 相對應的俯仰角視場的三維設置的平面展開圖；圖7本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭以指定的視場環(huán)帶中心，完成視場縮放的成像光路圖；圖8本發(fā)明實施例的指定視場環(huán)帶中心的自由曲面變焦全景鏡頭的三維結構圖；圖9本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭0°方位角對應的俯仰 角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖10本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭15°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖11本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭30°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖12本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭45°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖13本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭60°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖14本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭75°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖15本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭90°方位角對應的俯 仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖16本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖17本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖18本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖19本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖20本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)圖；圖21本發(fā)明實施例的采用自由曲面光學元件實現(xiàn)全景鏡頭 俯仰角視場成像的調制傳遞函數(shù)(MTF)具體實施例方式為了進一步了解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行描述，但 是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點而不是對本發(fā)明專利要求的 限制。本發(fā)明和實施例中的坐標系規(guī)定如下垂直向下為Z軸方向，垂直Z軸向左為Y軸 方向，垂直YOZ平面向外為X軸方向的右手坐標系，坐標原點位于光軸上，0°方位角視場位 于YOZ平面。本發(fā)明提供了一種全景鏡頭，包括自由曲面折反光學元件、自由曲面轉像鏡頭；所述自由曲面轉像鏡頭與所述自由曲面折反光學元件共用同一光軸，且所述自由 曲面轉像鏡頭處于所述第二透射面的下方；
105°方位角對應的 120°方位角對應的 135°方位角對應的 150°方位角對應的 165°方位角對應的 180°方位角對應的
所述自由曲面折反光學元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透 射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面轉像鏡頭之 間形成光線傳輸通路；一種指定視場環(huán)帶中心的自由曲面變焦全景鏡頭，包括自由曲面折反光學元件1 和自由曲面轉像鏡頭2。折反光學元件實現(xiàn)三維全景視場向二維環(huán)帶成像平面的轉換，轉像 鏡頭將折反光學元件形成的虛像轉換為實像。自由曲面折反光學元件包括第一透射面11、 第一反射面12、第二反射面13、第二透射面14，這四個光學表面都是自由曲面；轉像鏡頭包 含自由曲面光學透鏡，所述光學透鏡入射面為平面，出射面為自由曲面，按照本發(fā)明，所述 光學透鏡的個數(shù)至少為1個。構成一種指定視場環(huán)帶中心的自由曲面變焦全景鏡頭的所有 自由曲面光學表面采用X-Y多項式進行數(shù)學表述，且面形空間分布共用Z軸。X-Y多項式如 下方程所示
權利要求
1. 一種全景鏡頭，其特征在于，包括自由曲面折反光學元件、自由曲面轉像鏡頭； 所述自由曲面轉像鏡頭與所述自由曲面折反光學元件共用同一光軸，且所述自由曲面 轉像鏡頭處于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光學元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面轉像鏡頭之間形 成光線傳輸通路。
2.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，所述自由曲面轉像鏡頭包括光學透 鏡，所述光學透鏡入射面為平面，出射面為自由曲面。
3.根據(jù)權利要求2所述的全景鏡頭，其特征在于，所述自由曲面轉像鏡頭至少包括1個 光學透鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面 分別由鍍在所述自由曲面折反光學元件表面的環(huán)狀反射膜形成。
5.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，還包括像面，設置于所述自由曲面轉 像鏡頭下方。
6.根據(jù)權利要求5所述的全景鏡頭，其特征在于，所述像面上有效像面的大小為 016mm~024mm
7.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，所述全景鏡頭的視場變化范圍是 從0°方位角對應的70° 110°俯仰角視場繞光軸向兩側過渡到士 180°方位角對應的 80° 100°俯仰角視場，所述俯仰角視場隨方位角呈線性變化、三角余弦變化或任意曲線變化。
8.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，所述全景鏡頭的指定視場環(huán)帶中心 為90°俯仰角對應的環(huán)帶面。
9.根據(jù)權利要求1所述的全景鏡頭，其特征在于，所述全景鏡頭的變焦比為2。
10.一種權利要求1所述的全景鏡頭的變焦方法，其特征在于，包括自由曲面全景鏡 頭繞光軸旋轉。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全景鏡頭，包括自由曲面折反光學元件、自由曲面轉像鏡頭；所述自由曲面轉像鏡頭與所述自由曲面折反光學元件共用同一光軸，且所述自由曲面轉像鏡頭處于所述第二透射面的下方；所述自由曲面折反光學元件包括第一透射面、第一反射面、第二反射面和第二透射面；在所述第一透射面、第一反射面、第二反射面、第二透射面和自由曲面轉像鏡頭之間形成光線傳輸通路。本發(fā)明還提供了一種全景鏡頭的變焦方法，使全景鏡頭的指定視場環(huán)帶中心保持不變，有效視場變化范圍不偏離目標觀測區(qū)域。
文檔編號G02B13/18GK102103251SQ20111002669
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權日2011年1月25日
發(fā)明者馬韜 申請人:蘇州大學